全聚焦相控陣技術的場測量

強天鵬,楊貴德,杜南開,陳建華,張國強,龔成剛

(1.江蘇中特創業設備檢測有限公司,南京 225003;2.廣東汕頭超聲電子股份有限公司，汕頭 515041)

以往各種超聲方法應用的技術路線都是基于A掃信號的，人們習慣通過A掃認知檢測過程中的各種情況和處理相關問題，包括：① 描述檢測過程狀態,例如確定工件中超聲傳輸路徑和相應的到達時間，辨識各個信號；② 進行系統的各種設置,包括增益設置、掃查范圍設置、聲程增益校準、角度增益校準等；③ 獲取缺陷的信息,即測量缺陷的位置、波幅、尺寸，并判斷其性質；④ 制訂工藝和標準，即提出檢測的各項參數，并規定其數值。

但在全聚焦相控陣技術應用時遇到了問題：儀器系統(使用的儀器是國產全聚焦相控陣3D實時成像系統，配用的探頭是8×8面陣探頭，單個陣元邊長為3 mm，文中引用的數據和圖像如果沒有特別說明，均是來自該儀器系統)沒有A掃顯示。沒有A掃顯示的原因是：全聚焦儀器系統探頭接收到的A掃信號是海量的，一個64陣元探頭在一個固定位置接收的A掃數量達4 096條，其中任何一條A掃都無法表征檢測的整體情況，所以單個A掃顯示是沒有意義的。

針對此情況，在研究全聚焦相控陣的聲場特性和信號特性后，認為可以用新的概念和技術路線——建立在“場”概念基礎上的“場測量”和“場校準”技術路線，解決沒有A掃信號顯示帶來的一系列問題，建立起新的焊縫檢測工藝規則。

文章主要討論“場測量”問題，在簡單回顧常規超聲場聲壓分布、簡要介紹全聚焦相控陣原理的基礎上，討論全聚焦相控陣聲場與常規超聲場的不同點，進而以全聚焦相控陣聲場特性和信號特性為依據論證“場測量”的可行性，描述實施過程，給出若干試驗結果，最后得出按照場測量技術路線實施的檢測具有較高的效率和可靠性的結論。

1 理論知識

(1) 常規超聲場聲壓分布

圖1是描述常規超聲場的幾幅圖(圖中P為聲壓，P0為波源的起始聲壓;PN為理想球面波聲壓;N為近場長度)。

圖1 常規超聲場的描述圖

(2) 全聚焦相控陣基本原理(詳見專題第一篇文章)

全聚焦相控陣包括兩個過程：全矩陣信號采集(FMC)過程和全聚焦成像(TFM)過程。

(3) 關于聲場的幾個定義(詳見專題第一篇文章[1])

聲場的定義：有限空間內聲能量的分布。

全聚焦聲場的定義：全聚焦超聲系統通過FMC-TFM過程施加于和探測到某一體積(目標區)的超聲能量分布。

目標區的定義：為研究FMC-TFM聲場和進行全聚焦相控陣檢測而人為設置的體積。

暫穩態聲場和穩態聲場：探頭不動時目標區聲場稱為穩態聲場；探頭緩慢移動時稱暫穩態聲場，暫穩態聲場的數據采集過程中聲場能量有微小變化，這個變化可以忽略。

(4) 關于超聲波束的正確理解

常規超聲檢測中，關于超聲波束，在很多論文和教科書中都采用如圖2(a)所示的畫法，圖中波束構成元素為聲束軸線、邊界角(擴散角)、邊界線。這樣的畫法很簡明，但是容易引起誤解，比如存在以下誤解：① 波束有邊界；② 邊界線以外沒有超聲能量；③ 在波束邊界內的缺陷才能被發現。

實際上所謂波束邊界是不存在的，如果一定要用線條來描述波束形狀，需引入等聲壓概念，用等聲壓線或等聲壓面表示，如圖2(b)所示，圖中給出了-6，-12，-20 dB等3條等聲壓面。

圖2 超聲波束邊界線示意

應該按照圖2(c)所示來正確理解超聲波束：圖中灰度大小代表能量(聲壓)高低；灰度在圖中的工件內處處存在，表明能量遍布于工件內；能量集中可能形成束，但不存在可見的波束邊界。理論上的等聲壓線或等聲壓面概念可以成立，但是實際上它們是看不見摸不著的。

文章下面的討論凡涉及波束邊界的地方都采用等聲壓線/面來描述；關于場測量概念則需通過灰度/色度圖去理解。

2 全聚焦相控陣聲場特性研究

從4個方面研究全聚焦相控陣聲場特性：小晶片多次發射的影響，大窗口長時接收的影響，目標區細分和聚焦的影響，信號疊加平均處理的影響。

2.1 全聚焦相控陣獨特發射方式的影響

探頭陣元的單個晶片尺寸很小(邊長3 mm)，一個信號周期內，所有晶片激發一次，要激發很多次(64次)，這是全聚焦相控陣超聲發射的特點，這會給超聲場帶來影響,有關討論如下。

2.1.1 小晶片發射的超聲波束邊界角

比較邊長為24 mm的方晶片(常規脈沖反射法超聲)與邊長為3 mm的方晶片(全聚焦相控陣探頭陣元)的波束邊界角，進而討論其對聲場的影響。

不同形狀尺寸：不同波型的聲束邊界角可用式(1),(2)計算[2]。

sinγ1/c1=sinγ2/c2

(1)

sinγ=Fλ/D

(2)

式中:γ為折射角(此處為55°)；c為聲速(工件中縱波聲速cL=5. 95 mm·μs-1，橫波聲速cS=3.23 mm·μs-1;聚苯乙烯楔塊中縱波聲速cP=2.4 mm·μs-1);λ為介質中的波長；D為圓晶片直徑；F為擴散因子。

表1 不同聲壓下降值時的擴散因子F

因為擴散因子數據是關于圓晶片的，而陣列探頭陣元是方晶片，需要用式(3)[3]進行換算。

D=2α/π1/2

(3)

式中:α為方晶片的邊長。

邊長為3 mm方晶片，頻率為5 MHz，折射角為55°的橫波和縱波斜探頭，以及晶片邊長為24 mm，頻率為5 M，折射角為55°的縱波斜探頭,在鋼中等聲壓線為-6，-12，-20 dB時的邊界角計算結果如表2所示，繪制的探頭超聲波束擴展情況如圖3所示。

根據計算結果討論晶片尺寸和波型對波束邊界角的影響，得到以下結論。

表2 不同晶片尺寸,不同波型時的波束聲壓邊界角 (°)

圖3 不同晶片尺寸探頭,不同波型時的波束聲壓邊界角

(1) 晶片尺寸越小，波束邊界角越大，波束覆蓋范圍也越大。全聚焦相控陣單個陣元晶片尺寸很小，所以波束邊界角和波束覆蓋范圍比常規脈沖反射法的大很多。

(2) 由于縱波聲速比橫波聲速大，波長長，所以縱波的波束邊界角比橫波的要大很多，波束覆蓋范圍也大很多。這也意味著縱波聲場的聲壓分布比橫波聲場的更均勻。

(3) 縱波比橫波更有利于上表面附近區域的檢測。3 mm晶片縱波、-12 dB聲壓的波束上邊界角超過90°，相比之下，3 mm晶片、橫波-20 dB波束上邊界角也沒有達到90°，說明采用縱波比橫波更有利于擴大聲束覆蓋范圍，減小上表面盲區，檢出上表面缺陷。

2.1.2 小信號多次發射的影響

在一個信號周期內，全聚焦相控陣系統對陣列探頭的每一個陣元逐個激發，共發出64個脈沖。這種小晶片多次發射與孔徑相等的大晶片一次發射的差異，以及對聲場的影響可以從兩個方面考慮：一是向聲場注入的能量大小;二是與聲場持續作用時間的長短。

(1) 探頭向聲場注入能量的定量計算涉及多個環節，其中不確定因素較多，例如施加于晶片的電脈沖能量、激發晶片消耗的能量、小晶片和大晶片的電聲轉換效率差異等。定性判斷則比較簡單：輸入多個電脈沖的能量之和肯定大于一個脈沖的；多次激發晶片施加的能量之和應該不小于一次激發的；受激小晶片的電聲轉換效率應該高于大晶片的，因此前者向聲場注入的能量比后者注入的應該更多一些。

(2) 對于多次發射小信號所建立的聲場與一次發射一個大信號所建立的聲場，筆者認為應該有所不同，前者是瞬時過程，后者是持續過程。另外，全聚焦相控陣采用有序小位移的發射方式，以小時間/位移差依次發射小聲脈沖持續作用于聲場，應該有利于反映目標區的細節，為檢測提供更多信息。

2.2 大窗口長時接收信號的影響

探頭從聲場接收的能量與探頭晶片面積(窗口面積)和接收信號的持續時間有關。一個信號周期內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，每個晶片依次接收64次，共接收4 096個A掃信號，對比常規探頭的整個晶片只接收一個A掃信號，前者接收的能量或信息遠遠超過后者接收的。

2.3 目標區細分和聚焦的影響

全聚焦相控陣將目標區劃分成65 536個微小空間，每一個微小空間對應于一個3D圖像中的一個像素點。通過計算機的聚焦計算截取所有4 096個A掃信號中與某一個像素點相關的部分，進行疊加平均處理，得到該點的信號幅值(色度)。直至65 536個像素點全部處理完畢，才完成一個信號全聚焦過程。該過程具有兩個優點，一是目標區細分保證了所有微小空間中的能量細微變化都能探測得到；二是聚焦有利于減小噪聲，尤其全聚焦相控陣所采用的獨特的有序小位移發射方式和回波信號聚焦處理方式，有利于降低結構噪聲。

2.4 信號疊加平均處理的影響

疊加平均處理是數字信號處理中最常用的手段，通過疊加平均能有效降低噪聲，提高信噪比。該過程實際上是一個能量/質量轉換過程。全聚焦系統接收的能量比以往各種超聲方法接收的能量大得多，這就為轉換提供了條件。

疊加平均信號處理的原理如圖4所示，將探頭在固定位置采集的N個A掃信號疊加再除以N，由于有效信號的到達時間是固定不變的，而噪聲信號(主要是電噪聲)是隨機的，所以處理后有效信號幅度不變，噪聲信號幅度降低。信號疊加平均處理后,信噪比計算式如式(4)所示

SNRa=N1/2SNRs

(4)

式中：SNRa為平均處理后的信噪比；SNRs為平均處理前的信噪比；N為疊加次數。

圖4 信號疊加平均處理的原理示意

全聚焦相控陣系統的信號疊加平均次數是海量的，所以輸出信號的信噪比非常高。以64陣元探頭為例，探頭在一個位置上接收的A掃信號有4 096條，也就是說要進行4 096次疊加平均處理。按照公式計算，全聚焦相控陣信號的信噪比是常規脈沖反射法超聲信號的64倍，換算成分貝數為36 dB。

2.5 小結

(1) 接收能量大。由于小晶片多次發射和大窗口長時間接收，全聚焦相控陣探頭接收的能量遠大于常規超聲探頭接收的。接收能量大意味著靈敏度高，能探測到更大區域的更多微小信號，并且為后續的信號疊加平均處理創造了條件。

(2) 聲場聲壓變化平緩。小晶片發射的寬波束和海量信號的疊加平均改變了全聚焦相控陣聲場的聲壓分布，其不同位置上的聲壓變化比常規脈沖反射法的超聲聲場平緩，且近場區影響小。專題第一篇文章中提供的實測結果也證明了這一點。兩種聲場的聲壓分布差異如圖5所示：圖中黑色曲線為脈沖反射法活塞波聲場的聲壓曲線，紅色曲線為全聚焦相控陣聲場的聲壓曲線。聲壓變化平緩意味著全聚焦相控陣系統信號記錄和顯示范圍更大，檢測有效范圍也更大。

圖5 聲束軸線上聲壓分布和聲束橫截面上聲壓分布差異

(3) 目標區中所有點的能量狀態都能被探測到。小晶片多次發射使超聲能量充斥于整個目標區體積中；目標區細分和聚焦使探測指向到達目標區內中的所有空間；探頭的大窗口長時間接收海量A掃使系統獲得較多的能量和信息，信號的高信噪比特性使得非常細微的聲壓變化也能被探測出。

(4) 輸出信號的信噪比極高。全聚焦相控陣獨特的有序小位移發射和海量信號聚焦降低了結構噪聲；海量疊加平均處理降低了電噪聲。理論計算和專題第一篇文章中的實測結果均證明：全聚焦相控陣信號比常規脈沖反射法信號高36 dB，比普通相控陣信號高18 dB。

3 場測量的原理和應用

3.1 場測量的原理

綜上所述，全聚焦相控陣聲場中，超聲能量充斥于整個目標區體積內，且按一定規律分布。聲場中任何擾動，或者說目標區內形態的任何改變(例如出現缺陷)會使超聲能量的分布發生相應改變，探頭接收的信號也會改變(捕捉到缺陷信息)，故提出場測量。

場測量不需要像以往常規脈沖反射法那樣知曉波束指向，波束中心線路徑和邊界角位置，這是因為常規脈沖反射法超聲像一支手電筒，用光束去掃描檢測區域，必須知道何時光束指向何處；而全聚焦相控陣像太陽光一樣籠罩檢測目標區，無處不在。至于陽光的強弱(能量分布不均勻)，可以通過場校準解決。

既然場測量不按以往基于A掃的規則進行，所以也不需要A掃以及一切與A掃有關的術語，包括超聲路徑、信號時間、折射角，波束邊界角、波形、波高、底波、反射波、折射波、波形轉換波以及相關計算公式等。

場測量的可行性和優勢建立在全聚焦相控陣系統的獨特的信號發射和接收方式，獨特的聲場，獨特的目標區細分聚焦方法以及信號處理方法等一系列技術基礎上。即，通過大窗口長時間接收保證獲取足夠能量和信息，通過海量信號的疊加平均處理獲得高信噪比信號，通過對細分的目標區逐點聚焦實現檢測區域覆蓋和提高信號分辨率，使場測量具有很高的檢測靈敏度和可靠性。

3.2 場測量過程

圖6 場測量過程圖示

場測量過程實質上就是全聚焦相控陣檢測過程。全聚焦相控陣對焊縫的檢測步驟為：① 校準：在試塊上按照場校準規則完成校準，不需要利用A掃。② 檢測：使用經過校準的系統，按照場測量規則在工件上實施檢測，同樣不需要利用A掃。

可結合圖6來理解用場測量進行焊縫檢測的過程：

圖6(a)所示是縱波斜射檢測焊縫的一般情況，探頭放在焊縫一側的適當位置，聲束以某一角度穿過焊縫，用場的概念思考，認為此時超聲能量充斥目標區，即目標區處處有超聲能量，通過從場中獲取的信號，能夠探知目標區的狀況。

圖6(b)的不同之處是焊縫中存在兩個缺陷，即氣孔和裂紋。缺陷的出現將改變目標區聲場能量的分布狀態，探頭能檢測到這一改變，記錄和顯示這些缺陷。需要強調的是：目標區內出現任何缺陷，都會引起聲場能量分布變化，只要信噪比和靈敏度足夠，就能被檢測出來。

圖6(c)中,有一條裂紋處于焊縫上表面的熱影響區，按照傳統方法檢測，此裂紋無法被探測到，因為按照此位置布置的檢測聲束的縱波、橫波、一次波、二次波都打不到它；但按照場測量理論，此裂紋能夠檢出！因為目標區處處有超聲能量，該裂紋即使位置不佳，仍然會引起場能量分布變化從而被探測到。

3.3 場測量的試驗

通過多項試驗證明場測量技術路線是可行的。

如圖7(a)所示的試驗間接證明全聚焦相控陣聲場比常規脈沖反射法聲場的聲壓分布均勻，且全聚焦相控陣探頭波束更寬。將全聚焦相控陣探頭放在試塊上的固定位置進行測量，可同時獲得4個不同深度橫孔的回波信號，且相鄰孔信號幅度差不超過6 dB；而同樣位置的脈沖反射法常規探頭只有1個孔回波信號出現，深度差10 mm的相鄰孔信號波幅差達21 dB。

圖7 全聚焦相控陣檢測試驗

圖7(b)所示的試驗證明全聚焦相控陣可檢出上表面缺陷。使用折射角55°探頭，探頭前沿距離刻槽40 mm遠，按照傳統認識是無法探測到上表面深度0.5 mm刻槽的，但此試驗證明該刻槽可以探測到，經增益補償和信號處理后顯示的缺陷圖像非常清晰。從工程應用角度來說，全聚焦相控陣技術沒有上表面盲區。

4 場測量應用優勢

用“場”的概念理解檢測過程，以及用“場測量”和“場校準”技術路線實施檢測的全聚焦相控陣系統，其應用具有以下優勢。

(1) 解決了全聚焦相控陣系統無法提供A掃信號顯示帶來的問題。在技術應用過程中，不需要利用A掃信號。

(2) 簡化了技術應用過程，包括系統校準過程、工件掃查過程、數據評定過程、工藝編制過程,也簡化了理論和實際操作培訓過程。過程簡化除了能大幅度提高效率外，也將減少人為失誤。

(3) 檢測速度大幅度提高。主要體現在以下3個方面：一是用沿線掃查代替鋸齒掃查，發現缺陷不需要尋找最高波；二是能夠覆蓋更大的深度范圍，初步試驗證明對100 mm厚度焊縫可不分區，一次掃查完成檢測；三是上表面缺陷的檢出效果較好，無須增加對上表面盲區的補充檢測。

(4) 檢測靈敏度和可靠性大幅度提高。掃查靈敏度可提高12 dB甚至更多；目標區內局部補償量可達24 dB甚至更多，能保證檢測目標區內各種小缺陷的檢出。