全聚焦相控陣技術(shù)2-聲場(chǎng)信號(hào)判斷與試驗(yàn)驗(yàn)證

全聚焦相控陣超聲的有關(guān)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(yīng)用研究還相對(duì)滯后。強(qiáng)天鵬研究員從全聚焦相控陣的聲場(chǎng)特性和信號(hào)特性入手，指出其與傳統(tǒng)脈沖反射法的明顯差別。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)對(duì)全聚焦相控陣聲場(chǎng)特性進(jìn)行了初步驗(yàn)證。同時(shí)指出，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)。

根據(jù)理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)全聚焦聲場(chǎng)及從聲場(chǎng)獲取的信號(hào)特性做出以下判斷。

(1) 一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，全聚焦相控陣探頭接收的能量遠(yuǎn)大于常規(guī)超聲探頭接收的。信號(hào)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(biāo)區(qū)注入了更多能量，至少可以認(rèn)為，前者不小于后者；而在信號(hào)接收階段，前者接收的能量肯定遠(yuǎn)大于后者接收的能量，因?yàn)閮烧叩慕邮沾翱谝粯哟?，而前者窗口開(kāi)放時(shí)間遠(yuǎn)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(chǎng)的聲壓分布與常規(guī)超聲的聲場(chǎng)不同。

全聚焦相控陣聲場(chǎng)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(jiàn)圖6，圖6中黑色曲線為脈沖反射法活塞波聲場(chǎng)的聲壓曲線，紅黑點(diǎn)劃線為全聚焦相控陣聲場(chǎng)的聲壓曲線。聲壓變化平緩是由于全聚焦相控陣聲場(chǎng)的能量注入是通過(guò)小晶片發(fā)射的，是多次小信號(hào)發(fā)射累加，以及對(duì)接收和顯示的信號(hào)進(jìn)行疊加平均處理的結(jié)果。

圖6 全聚焦相控陣聲場(chǎng)的聲壓分布與常規(guī)超聲聲壓分布示意

(3) 全聚焦聲場(chǎng)中超聲能量充斥于整個(gè)目標(biāo)區(qū)體積。

全聚焦相控陣目標(biāo)區(qū)被劃分成65536個(gè)微小空間，其中任何一個(gè)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(cè)到并顯示。這是由于小晶片發(fā)射的超聲信號(hào)擴(kuò)散角大，能覆蓋更大范圍；又由于多次小信號(hào)發(fā)射的能量累加和大窗口長(zhǎng)時(shí)間接收方式使微小信號(hào)能被系統(tǒng)探測(cè)和接收。

(4) 全聚焦相控陣輸出高信噪比信號(hào)。

儀器系統(tǒng)對(duì)從聲場(chǎng)接收的信號(hào)進(jìn)行了能量/質(zhì)量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方法就是信號(hào)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(hào)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(hào)的信噪比非常高。

試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)上節(jié)的判斷(全聚焦相控陣聲場(chǎng)的聲壓分布，全聚焦相控陣信號(hào)的信噪比)，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

聲場(chǎng)聲壓分布

試驗(yàn)方法：使用脈沖反射法超聲和全聚焦相控陣兩種技術(shù)測(cè)量試塊上的橫孔，比對(duì)回波信號(hào)波幅，證明兩種聲場(chǎng)中聲壓分布以及各位置上的聲壓變化存在差異。

試驗(yàn)采用的試塊結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖7，脈沖反射法超聲測(cè)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(cè)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(cè)量的是各自聲場(chǎng)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(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖7 測(cè)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(cè)試

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

圖8 聲場(chǎng)聲壓分布試驗(yàn)(脈沖反射法超聲回波測(cè)試)

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

③ 儀器增益恢復(fù)到47dB后，移動(dòng)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(jiàn)圖8(c)。據(jù)此測(cè)試，可認(rèn)為在深度30～40mm處存在一個(gè)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(shuō)明聲壓變化劇烈，下降十分明顯。

02

全聚焦相控陣超聲測(cè)試

全聚焦相控陣回波信號(hào)如圖9所示。探頭放在試塊上適當(dāng)位置，在不使用任何增益補(bǔ)償?shù)那闆r下，屏幕上同時(shí)出現(xiàn)4個(gè)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(hào)幅度差不超過(guò)6dB。為便于比較，借用傳統(tǒng)聲場(chǎng)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(chǎng))，假設(shè)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(kāi)軸線10mm (20mm和40mm橫孔處)范圍，聲壓下降不超過(guò)6dB，說(shuō)明聲壓變化平緩。

圖9 全聚焦相控陣回波信號(hào)

03

結(jié)論

對(duì)比兩項(xiàng)技術(shù)的測(cè)試結(jié)果可知：脈沖反射法超聲探頭對(duì)準(zhǔn)某一深度孔時(shí)，屏幕上只能看到一個(gè)孔回波。其相鄰孔回波波幅很低，信號(hào)幅度差達(dá)21dB，說(shuō)明其波束很窄，擴(kuò)散角很小，能量很集中；而全聚焦相控陣在探頭不動(dòng)且不使用增益補(bǔ)償?shù)那闆r下，屏幕上同時(shí)出現(xiàn)4個(gè)孔回波，波幅相差不大，說(shuō)明其波束擴(kuò)散角很大，波束覆蓋了相當(dāng)寬的深度范圍。由此證明：全聚焦聲場(chǎng)聲壓分布與脈沖反射法聲場(chǎng)聲壓分布不同，前者聲場(chǎng)中不同位置的聲壓變化比后者聲場(chǎng)的聲壓變化平緩得多。

信噪比特性驗(yàn)證

相控陣B型試塊檢測(cè)區(qū)示意如圖10所示，在試塊上設(shè)定目標(biāo)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(shù)進(jìn)行了信噪比對(duì)比試驗(yàn)。

圖10 相控陣B型試塊檢測(cè)區(qū)示意

信噪比的計(jì)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(duì)比試驗(yàn)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(shù)對(duì)試塊上目標(biāo)區(qū)1進(jìn)行檢測(cè)成像，并計(jì)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(duì)比試驗(yàn)1圖譜

對(duì)比試驗(yàn)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(shù)對(duì)目標(biāo)區(qū)2進(jìn)行檢測(cè)成像，并計(jì)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(duì)比試驗(yàn)2圖譜

來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2020年第1期

作者：強(qiáng)天鵬1，楊貴德2，杜南開(kāi)2，陳建華2，張國(guó)強(qiáng)1，龔成剛1