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        相控陣超聲扇形掃描影響因素分析

        2021-12-22 05:35:56祝清華張會新郝現(xiàn)偉
        無損檢測 2021年11期
        關(guān)鍵詞:聲束指向性旁瓣

        祝清華,張會新,嚴(yán) 帥,郝現(xiàn)偉

        (1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原030051;2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100000)

        近年來各種儀器設(shè)備的智能化程度不斷提高,儀器關(guān)鍵零部件的檢測也越來越重要,相控陣超聲檢測技術(shù)在零部件的檢測方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。該技術(shù)通過控制各個陣元發(fā)射和接收信號的方式來控制聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn),進而改變焦點的位置和大小,將被測物的內(nèi)部信息更加直觀地展現(xiàn)出來,實現(xiàn)對物體內(nèi)部缺陷的檢測[1]。相控陣超聲扇形掃描涉及到多個參數(shù)的選擇,且各參數(shù)之間相互影響,只有參數(shù)選擇合理才能提升缺陷檢測的質(zhì)量[2]。

        文章在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[3-6],綜合考慮相控陣超聲換能器的焦距、偏轉(zhuǎn)角度及孔徑對成像質(zhì)量的影響,采用控制變量法,通過對比缺陷孔成像直徑的大小,來判斷成像的質(zhì)量以及確定最佳參數(shù)。根據(jù)試驗結(jié)果對參數(shù)進行優(yōu)化,可以最大程度發(fā)揮相控陣超聲扇形掃描的優(yōu)勢,提升檢測質(zhì)量。

        1 基本原理

        1.1 線陣換能器的幾何參數(shù)及指向性

        均勻線陣換能器的主要參數(shù)包括中心頻率f、陣元數(shù)N、陣元間距d、陣元寬度a、陣元長度b等。聲束指向性H(θ)是評價超聲換能器的重要指標(biāo),其決定了換能器輻射聲場的特性,對成像質(zhì)量影響很大。其定義為[7]

        (1)

        式中:p(r,θ,t)為任意角度θ上的復(fù)聲壓;p(r,θs,t)為偏轉(zhuǎn)角θs上的復(fù)聲壓;r為輻射聲場的半徑;t為延遲時間。

        根據(jù)乘積定理,將式(1)變形為[7]

        (2)

        式中:λ為超聲波波長。

        若線陣換能器參數(shù)選擇不合理,成像結(jié)果可能會出現(xiàn)旁瓣或者柵瓣效應(yīng)偽像。換能器發(fā)射的聲束同時包含了主瓣聲束和旁瓣聲束,大部分超聲能量聚集于主瓣聲束內(nèi),少部分則存在于旁瓣聲束內(nèi)。在進行相控陣超聲檢測時,主瓣聲束和旁瓣聲束同時作用于被檢對象(二者的掃查方向并不相同),但換能器接收到的回波信號都會被默認(rèn)為來自主瓣聲束,換能器本身或者成像系統(tǒng)都不能分辨主瓣和旁瓣的回波信號,這就造成了成像時的旁瓣效應(yīng)偽像。雖然旁瓣信號較主瓣信號小很多,但是其降低了超聲系統(tǒng)對低回波信號的分辨率。

        柵瓣效應(yīng)偽像的產(chǎn)生原理與旁瓣效應(yīng)偽像的相同,只不過大部分情況下柵瓣含有的能量比較大,有時甚至比主瓣聲束的能量還大,所以在相控陣系統(tǒng)中必須杜絕柵瓣的出現(xiàn),以提高成像分辨率。換能器的參數(shù)選擇不合理時(如陣元間距和掃描角度過大),檢測圖像容易出現(xiàn)柵瓣效應(yīng)偽像。

        1.2 焦距對成像質(zhì)量的影響

        在進行相控陣扇形掃描檢測時,焦點附近的聲場強度最大,聲束主瓣寬度最窄。焦區(qū)深度和焦點寬度決定了檢測系統(tǒng)的空間分辨率。焦區(qū)深度Fe定義為[8]

        (3)

        式中:F為焦距;D為換能器孔徑;m為常數(shù)。

        由式(3)可知,當(dāng)λ與N保持不變時,F(xiàn)e與F2成正比,增大焦距F會增加聲束能量的消耗,減少聚焦能量,降低成像質(zhì)量。

        焦點寬度W定義為

        (4)

        由式(4)可知,當(dāng)換能器孔徑D一定時,焦區(qū)寬度W和焦距F成正比,增大F能得到更大的焦區(qū)寬度,聚焦聲束覆蓋的區(qū)域更大,成像質(zhì)量更高。

        聚焦區(qū)域為一個柱形區(qū)域,焦柱直徑φ定義為

        (5)

        焦柱長度L定義為

        (6)

        由式(5),(6)可知,如要增大焦柱長度,則需要增大焦距,減小換能器孔徑,但這樣會增大焦柱的直徑。

        1.3 偏轉(zhuǎn)角度對成像質(zhì)量的影響

        相控陣超聲系統(tǒng)控制每個陣元的激發(fā)延時,使各陣元發(fā)射聲束合成的波陣面法線與陣元面形成一個角度,從而實現(xiàn)換能器的聲束偏轉(zhuǎn);通過控制聲束的方向,實現(xiàn)不同角度范圍的掃描。在不同的偏轉(zhuǎn)方向上,聲束的指向性不同,靈敏度和分辨率也不同。偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置不當(dāng),可能會使靈敏度和分辨率降低,也可能使圖像產(chǎn)生柵瓣和偽影。合成聲束只能在一定范圍內(nèi)保持良好的指向性。

        相控陣超聲系統(tǒng)聲束的偏轉(zhuǎn)角θs取決于單個陣元的聲束擴散角,即聲束的-6 dB擴散角,θs的計算式為

        (7)

        對于均勻線性換能器,在進行相控陣超聲檢測時,聲束偏轉(zhuǎn)角θs應(yīng)盡量滿足[9]

        (8)

        在進行扇形掃描時,不同的外部條件會導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)角不同,即使是相同的換能器,不同材料的聲速不同也會導(dǎo)致最大偏轉(zhuǎn)角的不同。在實際檢測時,應(yīng)該根據(jù)被檢對象確定最大偏轉(zhuǎn)角。

        1.4 孔徑對成像質(zhì)量的影響

        當(dāng)換能器孔徑較小時,主瓣聲束沒有良好的指向性,成像分辨率較低。增大換能器孔徑能有效銳化主瓣,削弱旁瓣,提高聲束的指向性,進而提高成像質(zhì)量。當(dāng)孔徑超過一定值后,其對聲束指向性的改善不再明顯。

        對于檢測中使用的換能器,其中心頻率、陣元尺寸等都已確定,因此只能改變N來控制孔徑的大小。由于換能器陣元間距d和陣元寬度a相差無幾,所以換能器孔徑D可近似為

        D=Nd

        (9)

        主瓣寬度是衡量相控陣換能器聲束指向性的重要指標(biāo),主瓣寬度q定義為[10]

        (10)

        將H(θ)=0代入式(10),經(jīng)過整理,主瓣寬度可近似為

        (11)

        對于均勻線性超聲換能器,第一旁瓣寬度M為

        (12)

        由式(9)得到陣元數(shù)與主瓣寬度的關(guān)系曲線如圖1所示。

        圖1 陣元數(shù)與主瓣寬度的關(guān)系曲線

        2 試驗過程

        2.1 試驗系統(tǒng)組成

        試驗系統(tǒng)由計算機、AOS OEMPA 32/32型相控陣超聲檢測儀、B型相控陣試塊、相控陣系統(tǒng)控制軟件以及64陣元線性相控陣探頭等組成。相控陣探頭的中心頻率為5 MHz,陣元間距為0.1 mm,陣元寬度為0.4 mm,待檢構(gòu)件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 待檢構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意

        2.2 試驗數(shù)據(jù)與分析

        2.2.1 焦距的影響

        對待檢構(gòu)件的12個孔進行相控陣超聲扇形掃描,以其中的3,5,7號孔(深度分別為20,30,40 mm,從左至右,孔編號為112)為主要研究對象,進行3次扇掃試驗,焦距分別設(shè)置為20,30,40 mm,孔徑設(shè)置為16 mm,偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置為90°,采用縱波掃描,成像結(jié)果如圖3所示。

        圖3 不同焦距下各缺陷孔的成像結(jié)果

        由圖3可以看出,扇掃的成像效果和焦距密切相關(guān),當(dāng)焦距大小和缺陷深度相同時,缺陷的成像質(zhì)量明顯提高。當(dāng)焦距為20 mm時,第3個孔的成像十分清晰,能夠客觀地反映出待檢缺陷的形狀,同時能夠分辨出另外3個在焦距附近的缺陷的形狀,但是成像效果并不理想,剩下的孔則無法分辨;當(dāng)焦距為30 mm時,深度與焦距相同的5號孔清晰可辨,在焦距附近的4號孔和6號孔的成像質(zhì)量也得到了明顯提高,此時共能檢測到5個缺陷,說明成像時距離焦點越近成像質(zhì)量越高;當(dāng)焦距為40 mm時,能觀察到最多缺陷孔的形狀,但是聚焦深度過大導(dǎo)致聲波衰減增大,聲波幅值下降,進而導(dǎo)致橫向分辨率下降,此時,深度與焦距對應(yīng)的孔的成像質(zhì)量并不理想。

        不同焦距下各缺陷孔的測量數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知,深度與焦距相同的缺陷孔的測量誤差最小,距離焦點越遠的缺陷孔的測量誤差越大。在實際檢測過程中,要結(jié)合檢測目的、檢測對象以及綜合實際情況來確定焦距。

        表1 不同焦距下各缺陷孔的測量數(shù)據(jù)

        2.2.2 偏轉(zhuǎn)角度的影響

        設(shè)置焦距為20 mm,孔徑為16 mm,扇掃掃查步進角度為1°,分別設(shè)置偏轉(zhuǎn)角度為30°,45°,60°進行試驗。不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的成像結(jié)果如圖4所示。

        圖4 不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的成像結(jié)果

        不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的測量數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知,扇掃偏轉(zhuǎn)角度不同,成像效果也不同。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為30°時,成像比較清晰,但由于偏轉(zhuǎn)角度過小,成像范圍有限,只能檢測到4個缺陷孔;當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為45°時,能夠檢測到90°扇形區(qū)域內(nèi)最多數(shù)量的缺陷孔,且成像清晰誤差較??;當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為60°時,扇形區(qū)域內(nèi)缺陷孔的成像效果無明顯變差的趨勢,但由于偏轉(zhuǎn)角度過大,聲束聚焦效果差,距離焦距越遠的地方變形越嚴(yán)重。

        表2 不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的測量數(shù)據(jù)

        2.2.3 孔徑的影響

        設(shè)置焦距為30 mm,掃描角度為90°,通過改變陣元數(shù)N來控制孔徑大小,研究孔徑對成像結(jié)果的影響。不同孔徑(D)下的缺陷孔的成像結(jié)果如圖5所示。

        圖5 不同孔徑(D)下缺陷孔的成像結(jié)果

        根據(jù)多次試驗結(jié)果可知,當(dāng)陣元數(shù)N過小時,換能器發(fā)射能量不足,使得被檢缺陷的回波幅值很低甚至無法識別,所以過小的孔徑在缺陷檢測中無實際意義。由圖5可知,隨著孔徑的增大,缺陷孔的回波幅值逐漸增大,成像質(zhì)量逐漸提高。因此,增大孔徑可以提高缺陷的檢出率和成像分辨率,改善檢測效果,但孔徑也不是越大越好,當(dāng)孔徑增大到一定范圍后,其對成像質(zhì)量的改善不再明顯。為驗證孔徑對成像質(zhì)量的影響,對陣元數(shù)分別為8,16,32,64,128時的聲場進行仿真,仿真結(jié)果如圖6所示。

        圖6 不同陣元數(shù)時的聲場仿真結(jié)果

        在孔徑為20 mm的情況下,分別設(shè)置焦距為28 mm而無時間補償、焦距為28 mm且時間增益補償為4(無量綱)的對比試驗,結(jié)果如圖7所示。

        圖7 焦距為28 mm時有無時間增益補償?shù)某上窠Y(jié)果對比

        由圖7可知,圖7(a)相對于圖5(c)的成像質(zhì)量略有提升,圖7(b)相對于(a)成像質(zhì)量又有較大提升,獲得了更好的缺陷成像效果(清晰度和分辨率都更佳)。這說明,進行扇掃參數(shù)設(shè)置時,不能單一地調(diào)節(jié)焦距、孔徑等參數(shù)來改變成像質(zhì)量,應(yīng)該根據(jù)實際情況綜合調(diào)節(jié)各個參數(shù)以達到最好的成像效果。

        3 結(jié)論

        (1) 焦距不同,成像質(zhì)量不同。焦距過小,雖在焦距范圍內(nèi)聚焦效果好,成像質(zhì)量高,但聲束隨距離增大發(fā)散嚴(yán)重,整體檢測效果不佳。焦距增大,一定程度上能改善換能器聲束的指向性,缺陷孔的檢出率和清晰度得到提高,但當(dāng)焦距超過一定范圍,不僅對聲束指向性的改善不明顯,還會因為聲束強度隨著距離增加而減小,成像質(zhì)量下降。

        (2) 偏轉(zhuǎn)角度會影響缺陷的成像質(zhì)量。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度過小時,檢測效果雖較好,但檢測范圍有限;偏轉(zhuǎn)角度過大時,聲束強度衰減導(dǎo)致成像質(zhì)量變差。只有適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)角度才能獲得良好的成像質(zhì)量。在進行實際檢測時,應(yīng)根據(jù)被檢對象估計檢測范圍,預(yù)先設(shè)定偏轉(zhuǎn)角度。

        (3) 焦距一定時,隨著換能器孔徑增大,扇掃成像質(zhì)量顯著提高。換能器孔徑增大,缺陷孔的檢出率增加,被檢目標(biāo)的尺寸更接近實際尺寸,且成像更加清晰,缺陷孔成像的變形得到抑制,空間分辨率提高,但孔徑也不是越大越好,當(dāng)孔徑增大到一定范圍后,對成像質(zhì)量的改善不明顯。

        (4) 良好的成像質(zhì)量是由多個參數(shù)共同決定的。在實際的缺陷檢測過程中,應(yīng)該在滿足各參數(shù)的基本要求下,再根據(jù)被檢對象的要求選擇最優(yōu)的參數(shù)。只有采用最優(yōu)參數(shù)才能得到最佳的成像質(zhì)量,充分利用試驗儀器的性能。

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