全聚焦相控陣技術(shù)-聲場特性原理與思考

由于全聚焦相控陣具有獨特的聲場特性和信號特性，可以采用一種“場測量”和“場校準(zhǔn)”技術(shù)路線，不僅可以解決系統(tǒng)沒有A掃顯示給檢測帶來的困難，而且在焊縫檢測的應(yīng)用中具有優(yōu)勢

聲場特性初探

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

十幾年來，全聚焦相控陣技術(shù)一直是超聲無損檢測領(lǐng)域的研究熱點，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、實時成像等，應(yīng)用方面的研究則比較少，僅有少量針對具體結(jié)構(gòu)的檢測試驗報道。

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(試驗儀器是國產(chǎn)全聚焦相控陣3D實時成像系統(tǒng)，配用的探頭是8×8面陣探頭，單個晶片尺寸為3mm，文中引用的數(shù)據(jù)和圖像如果沒有專門說明，都是來自該儀器系統(tǒng))為例來進行說明：首先，激發(fā)探頭的個陣元發(fā)射超聲波，所有陣元都接收超聲回波信號并保存；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，直至后一個陣元激發(fā)完，所有陣元接收完，得到一個含64×64=4096個A掃信號的數(shù)據(jù)集。

2 全聚焦成像過程

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)置一個目標(biāo)區(qū)，目標(biāo)區(qū)包含若干個(例如65536個)像素點，也就是信號聚焦點。將接收到的4096個回波信號(A掃)，對每一個像素點進行聚焦計算和疊加-平均處理。以點(x,z)為例，為了得到該點的超聲回波幅值，將全矩陣數(shù)據(jù)集的所有信號在該點處進行疊加。該點幅值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(x,z)和從該點返回到陣元j所需的延遲時間。

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)全部像素點處理完成后即形成目標(biāo)區(qū)圖像。

全聚焦相控陣聲場特性思考

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

為了開拓思路，先提一個問題：以一個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(見圖3)，應(yīng)該考慮兩者在檢測過程中建立的聲場和接收的超聲信號是否一樣，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信號發(fā)射階段的差異

一個信號周期中，常規(guī)探頭整個晶片一次激發(fā)，而全聚焦相控陣探頭的64個陣元晶片逐個激發(fā)(見圖4)。由此思考，兩者的注入能量、持續(xù)時間、聲壓分布、擴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信號接收階段的差異

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

03

信號處理階段的差異

常規(guī)探頭只接收一個回波信號，直接用于觀察分析；而全聚焦相控陣探頭(8×8面陣)一個信號周期內(nèi)接收4096個回波信號，通過聚焦計算和疊加-平均處理，終形成一個聚焦點信號。目標(biāo)區(qū)共有65536個(或更多)聚焦點。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，以及從聲場中獲取的信號也不相同，這些差異能給檢測帶來怎樣的改變。

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

(1) 聲場的定義：給定有限空間內(nèi)的聲能量分布。

(2) 全聚焦聲場的定義：全聚焦超聲系統(tǒng)通過FMC-TFM過程施加于某一體積(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聲場和進行全聚焦相控陣檢測而人為設(shè)置的區(qū)域(體積)。對面陣列探頭而言，目標(biāo)區(qū)可設(shè)定為一個矩形體積，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)；長度x(掃查方向)一般不超過探頭孔徑的1/2(見圖5)。

圖5 全聚焦相控陣3D目標(biāo)區(qū)

(4) 暫穩(wěn)態(tài)聲場和穩(wěn)態(tài)聲場：探頭不動時目標(biāo)區(qū)聲場稱為穩(wěn)態(tài)聲場；探頭緩慢移動時稱為暫穩(wěn)態(tài)聲場，暫穩(wěn)態(tài)聲場的數(shù)據(jù)采集過程中聲場能量有微小變化，這個變化可以忽略，不影響檢測能力和可靠性。暫穩(wěn)態(tài)聲場測量結(jié)果是可重復(fù)的。

來源：《無損檢測》2020年第1期

作者：強天鵬，楊貴德，杜南開，陳建華，張國強，龔成剛