超聲相控陣技術(shù)的仿真試驗

超聲檢測是應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù)之一。相控陣超聲檢測是近年來發(fā)展起來的新技術(shù),以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)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(dāng)時電子發(fā)展水平不高、超聲陣列換能器制造技術(shù)難以達(dá)到要求和數(shù)字信號處理技術(shù)不成熟等因素的制約,系統(tǒng)復(fù)雜且成本很高。直到20世紀(jì)90年代末,相控陣超聲檢測技術(shù)才被普遍接受和應(yīng)用[2]。

近年來國外對相控陣超聲檢測技術(shù)的研究日趨活躍,例如在核工業(yè)、航空等質(zhì)量要求較高的行業(yè),開始引入超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測[3]。和國外相比,國內(nèi)在相控陣超聲無損檢測方面還處于研究階段。如清華大學(xué)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(shè)計、自適應(yīng)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?；谶@種方法,設(shè)計了一套16陣元的線性相控陣超聲信號發(fā)射、接收和處理試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實現(xiàn)線陣相控陣的發(fā)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(tǒng),可以對試塊中的缺陷進(jìn)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(jìn)行超聲發(fā)射和接收。其基本思想是調(diào)整各個陣元發(fā)射信號的相位,使各陣元到達(dá)焦點的聲束具有相同的相位,以此實現(xiàn)相控聚焦[5]。

圖1 相控陣聚焦合成方法原理圖

發(fā)射電路重復(fù)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(jī)上進(jìn)行存儲。然后設(shè)定一個聚焦點P,根據(jù)各陣元到達(dá)虛擬聚焦點的位置,計算出聲程差,轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)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(fā)射,所有陣元接收的信號根據(jù)虛擬焦點的聲程差聚焦處理,該合成信號即為該發(fā)射陣元單獨在虛擬焦點的總的聲場貢獻(xiàn)。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(tǒng)的建立

圖2 試驗系統(tǒng)框圖

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

3 超聲信號的發(fā)射與接收

在試驗中設(shè)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(zhuǎn)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(fā)射的超聲波。上述所有的晶片形狀都一樣,坐標(biāo)系統(tǒng)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(biāo)原點,即8和9號晶片中間作為坐標(biāo)原點,1～16號晶片的坐標(biāo)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(biāo)為(18.75,90)。對試塊和陣列晶片作了坐標(biāo)標(biāo)定后,就可以進(jìn)行超聲發(fā)射與接收試驗了。

首先1號陣元發(fā)射,17號陣元接收采集并信號存儲;然后2號陣元發(fā)射,17號陣元接收采集存儲;如此依次發(fā)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(fā)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(fā)射的超聲信號聚焦到17號陣元位置(18.75,90)處,根據(jù)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(zhì)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(fā)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?；夭ㄐ盘柕膹姸纫彩?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(fā)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(jù)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(fā)自收的信號后,現(xiàn)在分析8號陣元發(fā)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(jīng)過延時直接累加合成。若以缺陷P(0,40)為聚焦點進(jìn)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?？梢?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(fā)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(jù)聲程差計算出來延時發(fā)現(xiàn),各組信號波形的相位并不與超聲相控陣檢測關(guān)鍵技術(shù)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(luò),圖9(b)是聚焦回波信號的包絡(luò)。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%?？梢?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(qū)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(fā)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(fā)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(jù)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(jié)語

在相控陣聚焦原理的基礎(chǔ)上,搭建了線陣超聲相控陣檢測仿真系統(tǒng)。對陣元晶片進(jìn)行了超聲發(fā)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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