相控陣超聲扇形掃描影響因素分析

祝清華，張會(huì)新，嚴(yán) 帥，郝現(xiàn)偉

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100000)

近年來各種儀器設(shè)備的智能化程度不斷提高，儀器關(guān)鍵零部件的檢測也越來越重要，相控陣超聲檢測技術(shù)在零部件的檢測方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。該技術(shù)通過控制各個(gè)陣元發(fā)射和接收信號(hào)的方式來控制聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變焦點(diǎn)的位置和大小，將被測物的內(nèi)部信息更加直觀地展現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部缺陷的檢測[1]。相控陣超聲扇形掃描涉及到多個(gè)參數(shù)的選擇，且各參數(shù)之間相互影響，只有參數(shù)選擇合理才能提升缺陷檢測的質(zhì)量[2]。

文章在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[3-6]，綜合考慮相控陣超聲換能器的焦距、偏轉(zhuǎn)角度及孔徑對(duì)成像質(zhì)量的影響，采用控制變量法，通過對(duì)比缺陷孔成像直徑的大小，來判斷成像的質(zhì)量以及確定最佳參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以最大程度發(fā)揮相控陣超聲扇形掃描的優(yōu)勢(shì)，提升檢測質(zhì)量。

1 基本原理

1.1 線陣換能器的幾何參數(shù)及指向性

均勻線陣換能器的主要參數(shù)包括中心頻率f、陣元數(shù)N、陣元間距d、陣元寬度a、陣元長度b等。聲束指向性H(θ)是評(píng)價(jià)超聲換能器的重要指標(biāo)，其決定了換能器輻射聲場的特性，對(duì)成像質(zhì)量影響很大。其定義為[7]

(1)

式中:p(r,θ,t)為任意角度θ上的復(fù)聲壓;p(r,θs,t)為偏轉(zhuǎn)角θs上的復(fù)聲壓;r為輻射聲場的半徑;t為延遲時(shí)間。

根據(jù)乘積定理，將式(1)變形為[7]

(2)

式中：λ為超聲波波長。

若線陣換能器參數(shù)選擇不合理，成像結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)旁瓣或者柵瓣效應(yīng)偽像。換能器發(fā)射的聲束同時(shí)包含了主瓣聲束和旁瓣聲束，大部分超聲能量聚集于主瓣聲束內(nèi)，少部分則存在于旁瓣聲束內(nèi)。在進(jìn)行相控陣超聲檢測時(shí)，主瓣聲束和旁瓣聲束同時(shí)作用于被檢對(duì)象(二者的掃查方向并不相同)，但換能器接收到的回波信號(hào)都會(huì)被默認(rèn)為來自主瓣聲束，換能器本身或者成像系統(tǒng)都不能分辨主瓣和旁瓣的回波信號(hào)，這就造成了成像時(shí)的旁瓣效應(yīng)偽像。雖然旁瓣信號(hào)較主瓣信號(hào)小很多，但是其降低了超聲系統(tǒng)對(duì)低回波信號(hào)的分辨率。

柵瓣效應(yīng)偽像的產(chǎn)生原理與旁瓣效應(yīng)偽像的相同，只不過大部分情況下柵瓣含有的能量比較大，有時(shí)甚至比主瓣聲束的能量還大，所以在相控陣系統(tǒng)中必須杜絕柵瓣的出現(xiàn)，以提高成像分辨率。換能器的參數(shù)選擇不合理時(shí)(如陣元間距和掃描角度過大)，檢測圖像容易出現(xiàn)柵瓣效應(yīng)偽像。

1.2 焦距對(duì)成像質(zhì)量的影響

在進(jìn)行相控陣扇形掃描檢測時(shí)，焦點(diǎn)附近的聲場強(qiáng)度最大，聲束主瓣寬度最窄。焦區(qū)深度和焦點(diǎn)寬度決定了檢測系統(tǒng)的空間分辨率。焦區(qū)深度Fe定義為[8]

(3)

式中：F為焦距；D為換能器孔徑；m為常數(shù)。

由式(3)可知，當(dāng)λ與N保持不變時(shí)，F(xiàn)e與F2成正比，增大焦距F會(huì)增加聲束能量的消耗，減少聚焦能量，降低成像質(zhì)量。

焦點(diǎn)寬度W定義為

(4)

由式(4)可知，當(dāng)換能器孔徑D一定時(shí)，焦區(qū)寬度W和焦距F成正比，增大F能得到更大的焦區(qū)寬度，聚焦聲束覆蓋的區(qū)域更大，成像質(zhì)量更高。

聚焦區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)柱形區(qū)域，焦柱直徑φ定義為

(5)

焦柱長度L定義為

(6)

由式(5)，(6)可知，如要增大焦柱長度，則需要增大焦距，減小換能器孔徑，但這樣會(huì)增大焦柱的直徑。

1.3 偏轉(zhuǎn)角度對(duì)成像質(zhì)量的影響

相控陣超聲系統(tǒng)控制每個(gè)陣元的激發(fā)延時(shí)，使各陣元發(fā)射聲束合成的波陣面法線與陣元面形成一個(gè)角度，從而實(shí)現(xiàn)換能器的聲束偏轉(zhuǎn)；通過控制聲束的方向，實(shí)現(xiàn)不同角度范圍的掃描。在不同的偏轉(zhuǎn)方向上，聲束的指向性不同，靈敏度和分辨率也不同。偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)使靈敏度和分辨率降低，也可能使圖像產(chǎn)生柵瓣和偽影。合成聲束只能在一定范圍內(nèi)保持良好的指向性。

相控陣超聲系統(tǒng)聲束的偏轉(zhuǎn)角θs取決于單個(gè)陣元的聲束擴(kuò)散角，即聲束的-6 dB擴(kuò)散角，θs的計(jì)算式為

(7)

對(duì)于均勻線性換能器，在進(jìn)行相控陣超聲檢測時(shí)，聲束偏轉(zhuǎn)角θs應(yīng)盡量滿足[9]

(8)

在進(jìn)行扇形掃描時(shí)，不同的外部條件會(huì)導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)角不同，即使是相同的換能器，不同材料的聲速不同也會(huì)導(dǎo)致最大偏轉(zhuǎn)角的不同。在實(shí)際檢測時(shí)，應(yīng)該根據(jù)被檢對(duì)象確定最大偏轉(zhuǎn)角。

1.4 孔徑對(duì)成像質(zhì)量的影響

當(dāng)換能器孔徑較小時(shí)，主瓣聲束沒有良好的指向性，成像分辨率較低。增大換能器孔徑能有效銳化主瓣，削弱旁瓣，提高聲束的指向性，進(jìn)而提高成像質(zhì)量。當(dāng)孔徑超過一定值后，其對(duì)聲束指向性的改善不再明顯。

對(duì)于檢測中使用的換能器，其中心頻率、陣元尺寸等都已確定，因此只能改變N來控制孔徑的大小。由于換能器陣元間距d和陣元寬度a相差無幾，所以換能器孔徑D可近似為

D=Nd

(9)

主瓣寬度是衡量相控陣換能器聲束指向性的重要指標(biāo)，主瓣寬度q定義為[10]

(10)

將H(θ)=0代入式(10)，經(jīng)過整理，主瓣寬度可近似為

(11)

對(duì)于均勻線性超聲換能器，第一旁瓣寬度M為

(12)

由式(9)得到陣元數(shù)與主瓣寬度的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 陣元數(shù)與主瓣寬度的關(guān)系曲線

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、AOS OEMPA 32/32型相控陣超聲檢測儀、B型相控陣試塊、相控陣系統(tǒng)控制軟件以及64陣元線性相控陣探頭等組成。相控陣探頭的中心頻率為5 MHz，陣元間距為0.1 mm，陣元寬度為0.4 mm，待檢構(gòu)件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 待檢構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.2.1 焦距的影響

對(duì)待檢構(gòu)件的12個(gè)孔進(jìn)行相控陣超聲扇形掃描，以其中的3，5，7號(hào)孔(深度分別為20，30，40 mm，從左至右，孔編號(hào)為112)為主要研究對(duì)象，進(jìn)行3次扇掃試驗(yàn)，焦距分別設(shè)置為20，30，40 mm，孔徑設(shè)置為16 mm，偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置為90°，采用縱波掃描，成像結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同焦距下各缺陷孔的成像結(jié)果

由圖3可以看出，扇掃的成像效果和焦距密切相關(guān)，當(dāng)焦距大小和缺陷深度相同時(shí)，缺陷的成像質(zhì)量明顯提高。當(dāng)焦距為20 mm時(shí)，第3個(gè)孔的成像十分清晰，能夠客觀地反映出待檢缺陷的形狀，同時(shí)能夠分辨出另外3個(gè)在焦距附近的缺陷的形狀，但是成像效果并不理想，剩下的孔則無法分辨；當(dāng)焦距為30 mm時(shí)，深度與焦距相同的5號(hào)孔清晰可辨，在焦距附近的4號(hào)孔和6號(hào)孔的成像質(zhì)量也得到了明顯提高，此時(shí)共能檢測到5個(gè)缺陷，說明成像時(shí)距離焦點(diǎn)越近成像質(zhì)量越高；當(dāng)焦距為40 mm時(shí)，能觀察到最多缺陷孔的形狀，但是聚焦深度過大導(dǎo)致聲波衰減增大，聲波幅值下降，進(jìn)而導(dǎo)致橫向分辨率下降，此時(shí)，深度與焦距對(duì)應(yīng)的孔的成像質(zhì)量并不理想。

不同焦距下各缺陷孔的測量數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，深度與焦距相同的缺陷孔的測量誤差最小，距離焦點(diǎn)越遠(yuǎn)的缺陷孔的測量誤差越大。在實(shí)際檢測過程中，要結(jié)合檢測目的、檢測對(duì)象以及綜合實(shí)際情況來確定焦距。

表1 不同焦距下各缺陷孔的測量數(shù)據(jù)

2.2.2 偏轉(zhuǎn)角度的影響

設(shè)置焦距為20 mm，孔徑為16 mm，扇掃掃查步進(jìn)角度為1°，分別設(shè)置偏轉(zhuǎn)角度為30°，45°，60°進(jìn)行試驗(yàn)。不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的成像結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的成像結(jié)果

不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的測量數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，扇掃偏轉(zhuǎn)角度不同，成像效果也不同。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為30°時(shí)，成像比較清晰，但由于偏轉(zhuǎn)角度過小，成像范圍有限，只能檢測到4個(gè)缺陷孔；當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為45°時(shí)，能夠檢測到90°扇形區(qū)域內(nèi)最多數(shù)量的缺陷孔，且成像清晰誤差較??；當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為60°時(shí)，扇形區(qū)域內(nèi)缺陷孔的成像效果無明顯變差的趨勢(shì)，但由于偏轉(zhuǎn)角度過大，聲束聚焦效果差，距離焦距越遠(yuǎn)的地方變形越嚴(yán)重。

表2 不同偏轉(zhuǎn)角度下各缺陷孔的測量數(shù)據(jù)

2.2.3 孔徑的影響

設(shè)置焦距為30 mm，掃描角度為90°，通過改變陣元數(shù)N來控制孔徑大小，研究孔徑對(duì)成像結(jié)果的影響。不同孔徑(D)下的缺陷孔的成像結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同孔徑(D)下缺陷孔的成像結(jié)果

根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)陣元數(shù)N過小時(shí)，換能器發(fā)射能量不足，使得被檢缺陷的回波幅值很低甚至無法識(shí)別，所以過小的孔徑在缺陷檢測中無實(shí)際意義。由圖5可知，隨著孔徑的增大，缺陷孔的回波幅值逐漸增大，成像質(zhì)量逐漸提高。因此，增大孔徑可以提高缺陷的檢出率和成像分辨率，改善檢測效果，但孔徑也不是越大越好，當(dāng)孔徑增大到一定范圍后，其對(duì)成像質(zhì)量的改善不再明顯。為驗(yàn)證孔徑對(duì)成像質(zhì)量的影響，對(duì)陣元數(shù)分別為8，16，32，64，128時(shí)的聲場進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同陣元數(shù)時(shí)的聲場仿真結(jié)果

在孔徑為20 mm的情況下，分別設(shè)置焦距為28 mm而無時(shí)間補(bǔ)償、焦距為28 mm且時(shí)間增益補(bǔ)償為4(無量綱)的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 焦距為28 mm時(shí)有無時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)某上窠Y(jié)果對(duì)比

由圖7可知，圖7(a)相對(duì)于圖5(c)的成像質(zhì)量略有提升，圖7(b)相對(duì)于(a)成像質(zhì)量又有較大提升，獲得了更好的缺陷成像效果(清晰度和分辨率都更佳)。這說明，進(jìn)行扇掃參數(shù)設(shè)置時(shí)，不能單一地調(diào)節(jié)焦距、孔徑等參數(shù)來改變成像質(zhì)量，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況綜合調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)以達(dá)到最好的成像效果。

3 結(jié)論

(1) 焦距不同，成像質(zhì)量不同。焦距過小，雖在焦距范圍內(nèi)聚焦效果好，成像質(zhì)量高，但聲束隨距離增大發(fā)散嚴(yán)重，整體檢測效果不佳。焦距增大，一定程度上能改善換能器聲束的指向性，缺陷孔的檢出率和清晰度得到提高，但當(dāng)焦距超過一定范圍，不僅對(duì)聲束指向性的改善不明顯，還會(huì)因?yàn)槁暿鴱?qiáng)度隨著距離增加而減小，成像質(zhì)量下降。

(2) 偏轉(zhuǎn)角度會(huì)影響缺陷的成像質(zhì)量。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度過小時(shí)，檢測效果雖較好，但檢測范圍有限；偏轉(zhuǎn)角度過大時(shí)，聲束強(qiáng)度衰減導(dǎo)致成像質(zhì)量變差。只有適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)角度才能獲得良好的成像質(zhì)量。在進(jìn)行實(shí)際檢測時(shí)，應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象估計(jì)檢測范圍，預(yù)先設(shè)定偏轉(zhuǎn)角度。

(3) 焦距一定時(shí)，隨著換能器孔徑增大，扇掃成像質(zhì)量顯著提高。換能器孔徑增大，缺陷孔的檢出率增加，被檢目標(biāo)的尺寸更接近實(shí)際尺寸，且成像更加清晰，缺陷孔成像的變形得到抑制，空間分辨率提高，但孔徑也不是越大越好，當(dāng)孔徑增大到一定范圍后，對(duì)成像質(zhì)量的改善不明顯。

(4) 良好的成像質(zhì)量是由多個(gè)參數(shù)共同決定的。在實(shí)際的缺陷檢測過程中，應(yīng)該在滿足各參數(shù)的基本要求下，再根據(jù)被檢對(duì)象的要求選擇最優(yōu)的參數(shù)。只有采用最優(yōu)參數(shù)才能得到最佳的成像質(zhì)量，充分利用試驗(yàn)儀器的性能。