全聚焦相控陣技術2-聲場信號判斷與試驗驗證

全聚焦相控陣超聲的有關理論研究已基本完成，其儀器系統(tǒng)的研發(fā)也已取得成效，但其應用研究還相對滯后。強天鵬研究員從全聚焦相控陣的聲場特性和信號特性入手，指出其與傳統(tǒng)脈沖反射法的明顯差別。通過理論分析和試驗對全聚焦相控陣聲場特性進行了初步驗證。同時指出，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”技術路線，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用中具有優(yōu)勢。

根據(jù)理論知識和經(jīng)驗，對全聚焦聲場及從聲場獲取的信號特性做出以下判斷。

(1) 一個信號周期內(nèi)，全聚焦相控陣探頭接收的能量遠大于常規(guī)超聲探頭接收的。信號發(fā)射階段，全聚焦相控陣的小晶片多次激發(fā)是否比常規(guī)超聲的大晶片一次激發(fā)向目標區(qū)注入了更多能量，至少可以認為，前者不小于后者；而在信號接收階段，前者接收的能量肯定遠大于后者接收的能量，因為兩者的接收窗口一樣大，而前者窗口開放時間遠大于后者的(以64陣元探頭為例，相差64倍)。

(2) 全聚焦相控陣聲場的聲壓分布與常規(guī)超聲的聲場不同。

全聚焦相控陣聲場的聲壓分布比常規(guī)超聲的均勻，不同位置上的聲壓變化比較平緩，其聲壓分布情況見圖6，圖6中黑色曲線為脈沖反射法活塞波聲場的聲壓曲線，紅黑點劃線為全聚焦相控陣聲場的聲壓曲線。聲壓變化平緩是由于全聚焦相控陣聲場的能量注入是通過小晶片發(fā)射的，是多次小信號發(fā)射累加，以及對接收和顯示的信號進行疊加平均處理的結(jié)果。

圖6 全聚焦相控陣聲場的聲壓分布與常規(guī)超聲聲壓分布示意

(3) 全聚焦聲場中超聲能量充斥于整個目標區(qū)體積。

全聚焦相控陣目標區(qū)被劃分成65536個微小空間，其中任何一個微小空間都有超聲能量，其狀態(tài)及變化都能被系統(tǒng)探測到并顯示。這是由于小晶片發(fā)射的超聲信號擴散角大，能覆蓋更大范圍；又由于多次小信號發(fā)射的能量累加和大窗口長時間接收方式使微小信號能被系統(tǒng)探測和接收。

(4) 全聚焦相控陣輸出高信噪比信號。

儀器系統(tǒng)對從聲場接收的信號進行了能量/質(zhì)量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方法就是信號疊加平均處理。全聚焦系統(tǒng)接收的能量比以往各種超聲方法接收的能量大得多，這就為轉(zhuǎn)換提供了條件。由于信號疊加的平均次數(shù)很多(舉例的系統(tǒng)疊加平均4096次)，所以其輸出信號的信噪比非常高。

試驗驗證

對上節(jié)的判斷(全聚焦相控陣聲場的聲壓分布，全聚焦相控陣信號的信噪比)，通過試驗進行了驗證。

聲場聲壓分布

試驗方法：使用脈沖反射法超聲和全聚焦相控陣兩種技術測量試塊上的橫孔，比對回波信號波幅，證明兩種聲場中聲壓分布以及各位置上的聲壓變化存在差異。

試驗采用的試塊結(jié)構(gòu)示意見圖7，脈沖反射法超聲測試采用普通數(shù)字超聲儀，配頻率為2.5MHz、晶片面積為13mm×13mm、折射角為45°的橫波探頭；全聚焦相控陣測試采用CTS-PA22T型儀器，配頻率為2.5MHz，面陣8×8-陣元3×3(等效孔徑為24mm×24mm)，折射角為55°的橫波探頭。由于測量的是各自聲場中不同位置的聲壓變化，兩種探頭晶片面積不同并不影響測量的準確性。

圖7 測試聲壓分布的橫孔試塊結(jié)構(gòu)示意

01

脈沖反射法超聲回波測試

① 探頭在試塊上移動，找到深度為30mm的橫孔波，調(diào)節(jié)波高到80%時增益為47dB，其波形如圖8(a)所示，圖中僅有一個回波信號顯示，鄰近的深度為20mm和40mm的孔均沒有顯示，說明聲束能量集中于深度為30mm的孔，擴散角很小。

圖8 聲場聲壓分布試驗(脈沖反射法超聲回波測試)

② 探頭置于深度為30mm橫孔的波位置不動，逐步提高增益， 在深度為30mm的橫孔后面出現(xiàn)一個信號，如圖8(b)所示，經(jīng)確認該信號為深度為40mm橫孔的回波。當增益提高21dB后，深度為40mm橫孔的波高為80%，此測試結(jié)果表明深度為40mm橫孔與深度為30mm橫孔的信號波幅相差為21dB。也就是說，在該深度上，由聲束軸線(30mm橫孔處)到離開軸線10mm(40mm橫孔處)聲壓下降了21dB，說明聲壓變化劇烈，下降十分明顯。

③ 儀器增益恢復到47dB后，移動探頭，使聲束軸線介于30mm和40mm橫孔之間，兩孔波高相同，均為20%左右，見圖8(c)。據(jù)此測試，可認為在深度30～40mm處存在一個直徑大致為10mm的圓形聲壓等高線，從聲束軸線到半徑5mm處的聲壓降為12dB，同樣說明聲壓變化劇烈，下降十分明顯。

02

全聚焦相控陣超聲測試

全聚焦相控陣回波信號如圖9所示。探頭放在試塊上適當位置，在不使用任何增益補償?shù)那闆r下，屏幕上同時出現(xiàn)4個孔的圖像，其中深度為30mm的孔與相鄰的深度為20mm和40mm孔的信號幅度差不超過6dB。為便于比較，借用傳統(tǒng)聲場中探頭聲束軸線的概念(此概念并不適用于全聚焦相控陣聲場)，假設30mm橫孔位于聲束軸線上，則在該深度上，由聲束軸線(30mm橫孔處)到離開軸線10mm (20mm和40mm橫孔處)范圍，聲壓下降不超過6dB，說明聲壓變化平緩。

圖9 全聚焦相控陣回波信號

03

結(jié)論

對比兩項技術的測試結(jié)果可知：脈沖反射法超聲探頭對準某一深度孔時，屏幕上只能看到一個孔回波。其相鄰孔回波波幅很低，信號幅度差達21dB，說明其波束很窄，擴散角很小，能量很集中；而全聚焦相控陣在探頭不動且不使用增益補償?shù)那闆r下，屏幕上同時出現(xiàn)4個孔回波，波幅相差不大，說明其波束擴散角很大，波束覆蓋了相當寬的深度范圍。由此證明：全聚焦聲場聲壓分布與脈沖反射法聲場聲壓分布不同，前者聲場中不同位置的聲壓變化比后者聲場的聲壓變化平緩得多。

信噪比特性驗證

相控陣B型試塊檢測區(qū)示意如圖10所示，在試塊上設定目標區(qū)，分別采用傳統(tǒng)相控陣線掃、扇掃和全聚焦相控陣技術進行了信噪比對比試驗。

圖10 相控陣B型試塊檢測區(qū)示意

信噪比的計算可參考峰值信噪比(PSNR)公式，如式(3)所示。

式中：MSE為均方差誤差。

對比試驗1：分別采用普通相控陣線掃和扇掃，以及全聚焦相控陣技術對試塊上目標區(qū)1進行檢測成像，并計算圖像信噪比。普通相控陣線掃成像結(jié)果如圖11(a)所示，圖像信噪比為19 dB；普通相控陣扇掃成像結(jié)果如圖11(b)所示，圖像信噪比為18dB；全聚焦相控陣掃描結(jié)果如圖11(c)所示，圖像信噪比為38dB。

圖11 信噪比對比試驗1圖譜

對比試驗2：分別采用普通相控陣線掃和扇掃，以及全聚焦相控陣技術對目標區(qū)2進行檢測成像，并計算圖像信噪比。普通相控陣線掃成像結(jié)果如圖12(a)所示，圖像信噪比為18dB；普通相控陣扇掃成像結(jié)果如圖12(b)所示，圖像信噪比為23dB；全聚焦相控陣掃描結(jié)果如圖12(c)所示，圖像信噪比為34dB。

圖12 信噪比對比試驗2圖譜

來源：《無損檢測》2020年第1期

作者：強天鵬1，楊貴德2，杜南開2，陳建華2，張國強1，龔成剛1