全聚焦相控陣技術(shù)-聲場(chǎng)特性原理與思考

由于全聚焦相控陣具有獨(dú)特的聲場(chǎng)特性和信號(hào)特性，可以采用一種“場(chǎng)測(cè)量”和“場(chǎng)校準(zhǔn)”技術(shù)路線，不僅可以解決系統(tǒng)沒(méi)有A掃顯示給檢測(cè)帶來(lái)的困難，而且在焊縫檢測(cè)的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)

聲場(chǎng)特性初探

“基于全矩陣數(shù)據(jù)采集(Full Matrix Capture，F(xiàn)MC)的全聚焦成像(TFM)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)”(以下簡(jiǎn)稱全聚焦相控陣技術(shù))的原理早由英國(guó)Bristol大學(xué)的HOLMES等于2004年提出。2014年法國(guó)研制出可用于工程現(xiàn)場(chǎng)的2D成像檢測(cè)儀器系統(tǒng)，2017年中國(guó)研制出3D實(shí)時(shí)成像檢測(cè)儀器系統(tǒng)。

十幾年來(lái)，全聚焦相控陣技術(shù)一直是超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，然而大多數(shù)研究均偏重理論和儀器系統(tǒng)方面，包括算法研究、數(shù)據(jù)處理速度、成像精度、三維成像、實(shí)時(shí)成像等，應(yīng)用方面的研究則比較少，僅有少量針對(duì)具體結(jié)構(gòu)的檢測(cè)試驗(yàn)報(bào)道。

全聚焦相控陣的基本原理

1 全矩陣數(shù)據(jù)采集原理

圖1 全矩陣數(shù)據(jù)采集原理示意

以陣元數(shù)為64的面陣(8×8)探頭(試驗(yàn)儀器是國(guó)產(chǎn)全聚焦相控陣3D實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，配用的探頭是8×8面陣探頭，單個(gè)晶片尺寸為3mm，文中引用的數(shù)據(jù)和圖像如果沒(méi)有專門(mén)說(shuō)明，都是來(lái)自該儀器系統(tǒng))為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明：首先，激發(fā)探頭的個(gè)陣元發(fā)射超聲波，所有陣元都接收超聲回波信號(hào)并保存；然后，依次激發(fā)其他陣元發(fā)射超聲波，所有陣元都接收回波并依次存儲(chǔ)，直至后一個(gè)陣元激發(fā)完，所有陣元接收完，得到一個(gè)含64×64=4096個(gè)A掃信號(hào)的數(shù)據(jù)集。

2 全聚焦成像過(guò)程

圖2 全聚焦成像算法和成像原理示意

在探頭前方的焊縫中設(shè)置一個(gè)目標(biāo)區(qū)，目標(biāo)區(qū)包含若干個(gè)(例如65536個(gè))像素點(diǎn)，也就是信號(hào)聚焦點(diǎn)。將接收到的4096個(gè)回波信號(hào)(A掃)，對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行聚焦計(jì)算和疊加-平均處理。以點(diǎn)(x,z)為例，為了得到該點(diǎn)的超聲回波幅值，將全矩陣數(shù)據(jù)集的所有信號(hào)在該點(diǎn)處進(jìn)行疊加。該點(diǎn)幅值I(x,z)可表示為：

式中：exi,xj[ti,j(x,z)]為i陣元發(fā)射、j陣元接收的超聲信號(hào)疊加到(x,z)位置的幅值；ti,j(x,z)為聲波從陣元i發(fā)射到聚焦點(diǎn)(x,z)和從該點(diǎn)返回到陣元j所需的延遲時(shí)間。

ti,j(x,z)可表示為：

式中：xi,xj分別為發(fā)射陣元和接收陣元的橫坐標(biāo)；c為超聲波在試塊中傳播的縱波速度。

當(dāng)全部像素點(diǎn)處理完成后即形成目標(biāo)區(qū)圖像。

全聚焦相控陣聲場(chǎng)特性思考

通過(guò)以上關(guān)于方法原理的描述可知，全聚焦相控陣技術(shù)與以往各超聲檢測(cè)技術(shù)(脈沖反射法超聲、衍射時(shí)差法超聲、普通相控陣超聲等)存在不同，在研究該技術(shù)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該特別注意這一特點(diǎn)帶來(lái)的影響。

為了開(kāi)拓思路，先提一個(gè)問(wèn)題：以一個(gè)8×8面陣64陣元全聚焦相控陣探頭為例，如果該探頭晶片面積(孔徑)與常規(guī)探頭晶片面積相同(見(jiàn)圖3)，應(yīng)該考慮兩者在檢測(cè)過(guò)程中建立的聲場(chǎng)和接收的超聲信號(hào)是否一樣，如果不一樣，差異在哪里。

圖3 晶片面積相同的常規(guī)探頭與相控陣探頭晶片

01信號(hào)發(fā)射階段的差異

一個(gè)信號(hào)周期中，常規(guī)探頭整個(gè)晶片一次激發(fā)，而全聚焦相控陣探頭的64個(gè)陣元晶片逐個(gè)激發(fā)(見(jiàn)圖4)。由此思考，兩者的注入能量、持續(xù)時(shí)間、聲壓分布、擴(kuò)散角等是否存在不同。

圖4 常規(guī)探頭和全聚焦探頭發(fā)射階段的不同原理示意

02信號(hào)接收階段的差異

一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，常規(guī)探頭整個(gè)晶片只接收一個(gè)回波信號(hào)，而全聚焦相控陣探頭整個(gè)晶元陣列(64個(gè)陣元)同時(shí)打開(kāi)接收回波信號(hào)，依次接收64次，共接收4096個(gè)A掃信號(hào)。由此思考，兩者接收的信號(hào)波幅、接收持續(xù)時(shí)間、接收的總能量、信號(hào)的靈敏度、信噪比等是否存在不同。

03

信號(hào)處理階段的差異

常規(guī)探頭只接收一個(gè)回波信號(hào)，直接用于觀察分析；而全聚焦相控陣探頭(8×8面陣)一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)接收4096個(gè)回波信號(hào)，通過(guò)聚焦計(jì)算和疊加-平均處理，終形成一個(gè)聚焦點(diǎn)信號(hào)。目標(biāo)區(qū)共有65536個(gè)(或更多)聚焦點(diǎn)。由此思考，兩者的靈敏度、信噪比、圖像分辨率等是否存在不同。

很明顯，在以上3個(gè)階段，全聚焦相控陣與以往各種超聲方法都不相同，因此其在工件中建立的聲場(chǎng)，以及從聲場(chǎng)中獲取的信號(hào)也不相同，這些差異能給檢測(cè)帶來(lái)怎樣的改變。

為了理清思路而聲明幾個(gè)定義，這些定義并不違反有關(guān)超聲理論和超聲檢測(cè)的應(yīng)用規(guī)則。

(1) 聲場(chǎng)的定義：給定有限空間內(nèi)的聲能量分布。

(2) 全聚焦聲場(chǎng)的定義：全聚焦超聲系統(tǒng)通過(guò)FMC-TFM過(guò)程施加于某一體積(目標(biāo)區(qū))的超聲能量分布。

(3) 目標(biāo)區(qū)的定義：為了研究FMC-TFM聲場(chǎng)和進(jìn)行全聚焦相控陣檢測(cè)而人為設(shè)置的區(qū)域(體積)。對(duì)面陣列探頭而言，目標(biāo)區(qū)可設(shè)定為一個(gè)矩形體積，高度z等于焊縫母材厚度，寬度y等于焊接接頭寬度(焊縫寬度+兩側(cè)熱影響區(qū)寬度)；長(zhǎng)度x(掃查方向)一般不超過(guò)探頭孔徑的1/2(見(jiàn)圖5)。

圖5 全聚焦相控陣3D目標(biāo)區(qū)

(4) 暫穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)：探頭不動(dòng)時(shí)目標(biāo)區(qū)聲場(chǎng)稱為穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)；探頭緩慢移動(dòng)時(shí)稱為暫穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)，暫穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中聲場(chǎng)能量有微小變化，這個(gè)變化可以忽略，不影響檢測(cè)能力和可靠性。暫穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)測(cè)量結(jié)果是可重復(fù)的。

來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2020年第1期

作者：強(qiáng)天鵬，楊貴德，杜南開(kāi)，陳建華，張國(guó)強(qiáng)，龔成剛