全聚焦超聲技術在工業檢測上的應用

劉崗

摘 要：全聚焦超聲技術是近年來興起的一種新的超聲檢測方案，其在缺陷檢測分辨力、檢測近表面盲區等方面相對傳統的脈沖反射法超聲有明顯的優勢，近年來，隨著儀器性能的日益強大以及成像算法的日益完善，全聚焦超聲技術在工業上的應用越來越廣泛，本文介紹了全聚焦超聲技術的基本原理，并以案例的方式介紹了其在工業上的應用。

關鍵詞：全聚焦;無損檢測;工業應用

1、全聚焦超聲檢測技術概述

全聚焦超聲檢測成像技術是基于合成孔徑超聲成像技術為基礎，是一種新型超聲檢測成像技術方法，全聚焦超聲成像檢測技術能在整個成像區域內實現全聚焦成像，成像分辨率方面相比傳統的脈沖反射法超聲有明顯提升，且成像的近表面盲區也明顯小于傳統的脈沖反射法成像。隨著超聲波儀器性能的日益強大以及成像算法的日益成熟，全聚焦超聲方法相比傳統的動態聚焦成像，在成像速度上有顯著提高。隨著電子技術的不斷發展以及成像算法的日益成熟，越來越多的廠家開始推出支持全聚焦成像的超聲波儀器，其在工業檢測領域的應用將越來越廣泛。工業檢測中最常見的全聚焦檢測成像方法一般采用全矩陣采集成像，近年來，利用平面波成像技術的全聚焦成像方法在工業領域得到了廣泛的應用。

2、全矩陣采集全聚焦超聲技術的基本原理

全矩陣采集技術（FMC）包含了探頭中所有的發射和接收陣元的所有可能的A掃信號，在所有的初始的信號被采集完畢后，就能通過加載一定的延時法則進行離線處理。

全聚焦成像技術（TFM）基于一種虛擬的成像算法，通過將全矩陣采集技術采集到的數據矩陣中的每一組收發信號聚焦在重建成像區域的每一個成像點上實現整個成像區域的FMC-TFM成像，其波幅表示為：

當采用直射波模式時，假設聚焦點為P（x，y），聲波從探頭中的第i個陣元激發并被第j個陣元接收，設聲速為c，聲波傳輸到P（x，y）點所用時間為[1]

當采用一次反射模式時，假設聚焦點為P（xp，yp），底面反射點為R（xr，yr），聲波傳輸到P（x，y）點所用時間為

其中C1為直射波的聲速，C2為一次反射波的聲速。

3、平面波成像全聚焦超聲技術的基本原理

平面波成像（PWI）是一種快速超聲成像方法，早期應用于醫學領域。平面波成像時所有陣元同時工作，探頭僅通過一次發射和一次接收就能實現對被檢區域的完整成像。其原理是探頭的所有陣元同時發射和接收Q個角度的Q個平面波信號，形成一個Q×N的數據矩陣。經過PWI采集的數據通過全聚焦成像技術進行成像也就實現了工業超聲波使用的PWI-TFMq成像方法。相比于在醫學超聲中的應用，工業用PWI技術界面超聲波在界面傳播時的折射現象以及聲波在工件中傳播時的不同模態。

Q個角度在成像點P的PWI-TFM成像，其波幅表示為

其中Sqj為PWI數據矩陣中每個元素的希爾伯特變換，tqp為角度q的平面波到達聚焦點P的時間，tjp為聲波從聚焦點P返回探頭接收陣元j的傳播時間。

當采用直射波模式時，聲波傳輸到P（x，y）點所用時間為

其中c為聲速，βq為P點時聲波的折射角。

當采用一次反射波時，假設聚焦點為P（xp，yp），底面反射點為R（xr，yr），聲波傳輸到P（x，y）點所用時間為

其中C1為直射波的聲速，C2為一次反射波的聲速。

4、全聚焦超聲檢測技術

現有全聚焦超聲檢測規范[2]支持厚度不低于3.2mm的各向同性、全熔透的簡單幾何結構板、管類焊接接頭在制造階段檢測、在役檢測及維修階段檢測的半自動及全自動全聚焦超聲檢測。全聚焦超聲成像技術分為4個檢測技術等級，其中A級檢測技術主要使用直射模態從焊接接頭兩側直接成像;B級檢測技術使用直射模態和非直射模態從焊接接頭兩側或兩個探頭位置進行成像;C級檢測技術使用直射模態和基于焊接接頭坡口處平面不連續性的反射模態從焊接接頭兩側或者兩個探頭位置進行直接成像或者經過工件底面反射后成像;D級檢測技術針對特殊的應用，例如用于奧氏體鋼焊接接頭的檢測，具體細節都需經過合同雙方協商確定。

檢測開始前確認檢測工件的規格、材質、所處的階段、檢測使用的技術等級、驗收標準、使用的標準試塊、對比試塊和模擬試塊的規范，焊接接頭的結構細節以及檢測的可達性。

檢測時A掃的采樣頻率應至少為探頭標稱頻率的5倍，使用儀器的帶寬至少達到探頭標的稱頻率的2倍，使用的高通濾波器的設置不高于探頭中心頻率的一半，使用的低通濾波器的設置至少達到探頭中心頻率的2倍。檢測過程中使用的探頭應有足夠小的陣元間距和間隙。

對于厚度小于8mm的工件，成像區域因為焊縫本身以及焊縫兩側各1.25倍工件厚度的母材區域，對于厚度大于8mm的工件，成像區域為焊縫本身及焊縫兩側各10mm的母材區域，母材區域的成像范圍也可以選擇經證實的熱影響區寬度。

全聚焦超聲技術和相控陣超聲技術相比，其對缺陷的取向性不敏感，對于垂直于掃查面的缺陷，需要使用非直射模態進行成像;對于平行于掃查面的缺陷，可以使用直射模態從缺陷頂部進行成像或者在焊接接頭兩側使用兩個陣列探頭實施成像。

使用陣列探頭搭配帶角度楔塊實施檢測，當缺陷位于焊縫下部時，采用至少一個聲束傳播路徑是從探頭直接到缺陷的模態，更容易發現缺陷。當缺陷位于焊縫上部時，采用的全聚焦模態中包含底面反射，更容易發現缺陷。

為保證成像效果，全聚焦成像時需選擇合適的掃查步進，工件厚度不超過6mm的，掃查步進不超過0.5mm，工件厚度大于6mm但不超過10mm的，掃查步進不超過1mm，工件厚度大于10mm不超過150mm的，掃查步進不超過2mm，工件厚度大于150mm的，掃查步進推薦3mm。

為保證檢測效果，成像中的信噪比至少12dB。靈敏度設置時，使用的每一個全聚焦模態都要設置靈敏度?？梢圆皇褂迷噳K，直接采用被檢對象進行靈敏度設置。進行分段掃查時，兩次掃查的重疊區域至少20mm。

全聚焦超聲的數據分析一般采用波幅下降的方法評定缺陷的長度，使用波幅下降或者基于衍射信號的方法來判定缺陷的高度。由于全聚焦超聲技術和相控陣超聲技術存在一定的相似性，可以采用相控陣超聲檢測標準中的相關內容進行驗收評定。

5、全聚焦成像技術在工業檢測中的應用

由于全聚焦超聲技術成像分辨率高、近表面盲區小的特性，隨著今年來隨著計算機硬件A以及圖像處理技術的快速發展，使得多陣元探頭的實時立體成像成為可能，結合強大的數據分析工具，其在工業檢測領域有著廣闊的應用前景。

如圖1所示為200mm厚焊縫的成像示意圖，圖1左側為0-60mm缺陷的成像，圖1右側為50-200mm缺陷的成像。從成像結果可見，焊縫中的所有缺陷都能正常成像，且分辨力較高。

圖2為6mm薄壁焊縫的全聚焦成像結果，焊縫中1mm和2mm深度的缺陷能夠清晰顯示，滿座信噪比的要求，缺陷在工件中的橫向分辨率和縱向分辨率都比較高。

從圖3可見，和基于脈沖反射法的相控陣超聲成像方法類似，使用全聚焦成像方法也能角焊縫的檢測中，且分辨力較高，3個相距約1mm的缺陷能夠順利區分。但是全聚焦成像在使用過程中需選用多種模態成像以防止缺陷的漏檢。

通過使用3D全聚焦檢測方案，相比傳統的脈沖反射法超聲，螺栓中缺陷的顯示更加直觀，更方便和螺紋結構信號區分，有效防止信號的誤判。

通過使用合適的探頭并選擇直射全聚焦成像模態，全聚焦超聲也能用于葉片葉根的成像，缺陷信號顯示直觀，可以和葉根結構信號有效區分。

總結

全聚焦超聲技術作為一種較新的超聲成像技術，可以有效應用于厚壁及薄壁焊縫、角焊縫、以及螺栓、葉根等復雜結構的檢測中。相信隨著成像算法的持續優化、儀器性能的日益強大、軟件功能的逐漸完善以及標準建設的不斷深入，其將工業領域的應用將越來越廣泛。

參考文獻

[1]倫納德·勒·杰恩、塞巴斯蒂安·羅伯特、愛德華多·洛佩茲·維拉韋德。用于超聲無損檢測的平面波成像：對多模態成像的推廣[J].超聲波，2016;64：128-138。

[2]ISO 23864（S），焊縫的無損檢測-超聲波測試-使用自動總聚焦技術（TFM）和相關技術