超聲相控陣技術的仿真試驗

超聲檢測是應用最廣泛的無損檢測技術之一。相控陣超聲檢測是近年來發展起來的新技術,以其靈活的聲束偏轉及聚焦性能越來越引起人們的重視[1]。雖然相控陣超聲成像的概念很早就提出了,但由于當時電子發展水平不高、超聲陣列換能器制造技術難以達到要求和數字信號處理技術不成熟等因素的制約,系統復雜且成本很高。直到20世紀90年代末,相控陣超聲檢測技術才被普遍接受和應用[2]。

近年來國外對相控陣超聲檢測技術的研究日趨活躍,例如在核工業、航空等質量要求較高的行業,開始引入超聲相控陣技術進行缺陷檢測[3]。和國外相比,國內在相控陣超聲無損檢測方面還處于研究階段。如清華大學無損檢測實驗室施克仁教授和他的博士對相控陣超聲聲場、陣列探頭設計、自適應聚焦、提高檢測分辨率、柔性陣列相控陣等方面作了深入的研究[4]。筆者采用了一種非實時的合成超聲相控陣檢測聚焦方法。基于這種方法,設計了一套16陣元的線性相控陣超聲信號發射、接收和處理試驗系統。系統可以實現線陣相控陣的發射與接收,從而為相控陣的研究提供了良好的試驗平臺,利用該試驗系統,可以對試塊中的缺陷進行仿真驗證。

1 相控陣聚焦合成的方法

相控陣聚焦合成方法原理如圖1所示。超聲陣列探頭由許多的壓電晶片(陣元)按照一定的形狀排列組成,常見的陣列探頭是線性陣列探頭,其各個陣元可以獨立地進行超聲發射和接收。其基本思想是調整各個陣元發射信號的相位,使各陣元到達焦點的聲束具有相同的相位,以此實現相控聚焦[5]。

圖1 相控陣聚焦合成方法原理圖

發射電路重復激勵1號單元,依次選擇所有陣元接收回波信號并傳至PC機上進行存儲。然后設定一個聚焦點P,根據各陣元到達虛擬聚焦點的位置,計算出聲程差,轉換為時間差。把不同通道接收的信號按照時間差平移,然后疊加可以得到一個聚焦合成信號;同理,將2號陣元發射,所有陣元接收的信號,同樣也按P點為聚焦點,得到另一個聚焦合成信號;其它陣元也同樣依次發射,所有陣元接收,可得到N個聚焦合成信號,最后將這N個合成信號按P點聚焦合成,得到P點總的信號強度。

將單個陣元發射,所有陣元接收的信號根據虛擬焦點的聲程差聚焦處理,該合成信號即為該發射陣元單獨在虛擬焦點的總的聲場貢獻。若虛擬焦點為缺陷,則合成信號的幅值增強;若不是,則合成信號的幅值相對于其它點的缺陷信號減小。

2 仿真試驗系統的建立

圖2 試驗系統框圖

仿真試驗系統的組成如圖2所示,主要有標準金屬試塊、16陣元相控陣換能器、超聲激發電路、超聲信號采集電路和PC計算機。FPGA產生觸發信號,觸發超聲激發電路產生高壓脈沖信號,激勵電壓為400 V,使換能器產生超聲;回波信號通過限幅、放大濾波后經過采樣器,采集超聲回波信號并將信號送到上位計算機,對信號作進一步處理。

3 超聲信號的發射與接收

在試驗中設計的陣列換能器是直接將壓電晶片粘貼在鋁制試塊表面,為了驗證相控陣聲束的聚焦偏轉特性,制作了16陣元的換能器陣列,如圖3所示。試塊厚度為90 mm,超聲在鋁制試塊中的傳播速度為6 320 m/s。

圖3 晶片陣元陣列與試塊

試塊的上表面是16陣元的壓電晶片,壓電晶片的尺寸為18mm×2mm×0.8mm,相鄰晶片的中心距為2.5mm。在試塊的下表面粘了一個條形晶片17號,用于接收1～16號陣元晶片組成的陣列晶片發射的超聲波。上述所有的晶片形狀都一樣,坐標系統以水平方向為x軸,垂直方向為z軸,16個PZT晶片沿著x軸方向排列。PZT晶片陣列中心作為坐標原點,即8和9號晶片中間作為坐標原點,1～16號晶片的坐標分別為：1號晶片(-18.75,0),2號晶片(-16.25,0),……,8號晶片(-1.25,0),9號晶片(1.25,0),……,15號晶片(16.25,0),16號晶片(18.75,0);17號陣元晶片的坐標為(18.75,90)。對試塊和陣列晶片作了坐標標定后,就可以進行超聲發射與接收試驗了。

首先1號陣元發射,17號陣元接收采集并信號存儲;然后2號陣元發射,17號陣元接收采集存儲;如此依次發射1～16號陣元晶片,17號陣元接收采集。由于試塊的尺寸并不是很大,信號的接收效果良好,如圖4(a)所示。可見,1～16號陣元發射17號,接收到的信號幅值越來越大,并接收到的時間也越早,同時超聲信號的衰減也越小,幅值也越大,這與超聲聲場理論是相符的。

將所有陣元發射的超聲信號聚焦到17號陣元位置(18.75,90)處,根據聚焦原理計算得到各延遲時間,然后對各組信號延時,得到各組延時后的信號,如圖4(b)所示。這樣疊加合成后就可以得到幅值較高的合成信號,這對一些小而深的缺陷可大大提高信噪比。

4 缺陷仿真試驗

缺陷試塊材質為不銹鋼,在試塊深度為40mm的位置有一個φ2 mm的鉆孔缺陷,超聲在鋼中的傳播速度為5 940 m/s。

圖5為1～16號位置晶片自發自收的回波信號。從圖中波形分布可以看出存在一個缺陷,由于8號陣元接收到的回波在時間軸上最早,可見該缺陷大致在8號陣元的正下方。回波信號的強度也是8號陣元最強,依次減弱,說明缺陷距離8號陣元最近,且缺陷在8號陣元的主瓣聲束位置;對其他陣元來說,缺陷在其旁瓣位置,這些陣元在缺陷點的位置處的聲場本來就比較小,所以他們的回波也就較弱。

圖6 8號陣元自發自收回波時域圖

單獨分析8號陣元的回波情況,其時域信號如圖6,根據超聲回波的時間t=14.5μs,計算缺陷的深度為(5 930 m/s×14.5μs)/2=42.9 mm。實際缺陷的位置為40 mm,與理論值符合較好,相對誤差為3.75%。同時注意到其波峰值為65 mV,可見單個晶片的超聲信號幅值較小。

分析了單個位置晶片自發自收的信號后,現在分析8號陣元發射其它位置接收的情況,其信號接收如圖7(a),圖中顯示了缺陷回波信號。由于缺陷在8號陣元的正下方,所以8號陣元最早接收到回波信號,其他陣元接收到的信號在時間上依次增加,且信號幅值也依次減小。圖7(b)是原始信號沒有經過延時直接累加合成。若以缺陷P(0,40)為聚焦點進行延時,則延遲后各個信號在相位上保持了一致,如圖7(c)所示。圖7(d)波形為延時后疊加和。比較圖7(b)和(d)可以看出,延時后的累加和比沒有延時后的累加和聲壓強增強。可見,采用這種方式聚焦合成也是可行的。

由于P點是缺陷點,若以P點為聚焦點,所有陣元接收信號相位延時后得到的信號合成波形得到了增強。接下來對虛擬聚焦點P′來分析在該處的聚焦點信號合成的情況。圖8表示P′(20,40)為聚焦點的情形。

圖8所示為以P′為虛擬聚焦點,8號陣元發射超聲波,所有陣元接收回波信號的聚焦后的信號波形。以P′為聚焦點,根據聲程差計算出來延時發現,各組信號波形的相位并不與超聲相控陣檢測關鍵技術的研究一致,而是存在相位差。正是由于存在相位差,所以各組延時信號相加后,合成信號得到了減弱,由圖7(d)與圖8(d)相比,合成信號幅值明顯減弱。

圖9(a)是不聚焦的回波信號包絡,圖9(b)是聚焦回波信號的包絡。圖9(a)中可以看出,不聚焦時,40 mm處缺陷回波的最大值約為25%;而圖9(b)中可以看出,40 mm處缺陷回波的最大值約為80%。可見,聚焦后焦點處的回波信號得到了明顯增強。通過聚焦,信號增強了20log(80%/25%)=10.1 dB,提高了缺陷檢測的對比分辨力。此外,聚焦后聲場不僅在聚焦點位置得到明顯增強,同時焦點附近區域的聲場也會得到了明顯增強。

通過以上信號的分析可知,一個陣元發射,所有陣元接收的信號,通過某一點為聚焦點延時合成后可以得到一個合成信號。如果將其它陣元也都單獨發射,所有陣元接收后延時合成,這樣總共可以得到16個合成信號。然后再將這16個合成信號,同樣根據相同聚焦點延時合成,可得到最終的合成信號。若聚焦點為缺陷位置,則使得缺陷點的回波信號大大加強;若聚焦點沒有缺陷,則各組回波信號相互抵消,合成信號也大大減弱。

5 結語

在相控陣聚焦原理的基礎上,搭建了線陣超聲相控陣檢測仿真系統。對陣元晶片進行了超聲發射接收試驗,通過分析比較陣元延時接收與未延時接收時的信號,可以看出聚焦接收遲后可以使疊加信號得到明顯增強,同時驗證了信號延時聚焦合成方式的可行性。通過對試塊缺陷檢測的仿真試驗,對比聚焦與不聚焦的試驗效果,證明相控陣聚焦可以提高缺陷檢測能力。

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[4]施克仁.無損檢測新技術[M].北京：清華大學出版社,2007：135-138,223-228.

[5]劉 晨,魏 偉,姜永亮,等.超聲數字式相控陣列換能器動態聚焦系統研制[J].應用聲學,2000,19(6)：15.

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