多信息超声相控阵缺陷检测

杨天雪

(福建省特种设备检验研究院, 福州 350001)

多信息超声相控阵缺陷检测

杨天雪

(福建省特种设备检验研究院, 福州 350001)

通过设计虚拟聚焦试验，验证了超声相控阵检测对各个阵元信号进行合成后的A扫信号具有更高的信噪比，从而在使用A扫信号进行成像时，可以提高图像的分辨率，使得缺陷的成像质量更高；更进一步地说明了阵元越多，能够得到试件的信息越多，利用信息形成的图像质量也就越高，检测结果就会更加接近缺陷的真实情况。

超声相控阵；A扫信号；多信息；成像

超声相控阵通过调整阵列换能器中各个阵元发射信号的波形、幅度、相位延迟等，使得各阵元发射的声波在传播空间叠加合成，生成可控的声束指向和聚焦深度，实现复杂几何形状结构件和盲区位置缺陷的精确检测。笔者通过设计虚拟聚焦试验，验证了超声相控阵检测对各个阵元信号进行合成后的A扫信号具有更高的信噪比，从而在使用A扫信号进行成像时，可以提高图像的分辨率，使得缺陷的成像质量更高；更进一步地说明了阵元越多，能够得到的试件的信息就越多，利用信息形成的图像质量也就越高，检测结果就会更加接近缺陷的真实情况。

1 试验方案设计

在超声相控阵检测系统中，可同时激发阵元的最大数量即为发射、接收信号的通道数。检测时，程序根据聚焦点位置计算出信号之间的延时，利用数字电路产生多个精确延时的数字信号，经各个通道进行A/D转换后加载到阵元上进行发射，发射的多个超声波在焦点处叠加，即为发射聚焦；然后根据聚焦深度将每个阵元接收到的反射信号延时后再叠加，完成接收聚焦，整个聚焦过程结束。根据超声相控阵检测系统的工作原理，利用单路发射、接收来实现发射、接收聚焦。单路发射接收实现聚焦的设计方法如表1所示。以1号阵元为接收阵元获得的8个回波信号为例进行说明，首先根据聚焦点的位置，计算出8个阵元之间的延时量，然后根据延时量对这8个回波信号进行延时处理，最后进行求和就得到了1个信号，用 A1表示。同样，采用该方法对2，3，4，5，6，7，8号阵元收到的回波信号做同样的处理，就得到了A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7和A8总共8个信号，这1～8个信号代表了所有阵元按照给定的延时量延时后，所发射的信号在某处聚焦并被反射后，8个阵元所接收的回波信号，实现了发射聚 焦[1]。由互异性原理，接收聚焦也可以采用同样的方法。1号阵元作为发射单元，1～8号阵元接收，以分别接收到的8个回波信号来说明。8个回波信号按照发射聚焦时给出的延时量，先进行延时处理，然后求和，就得到1个接收聚焦的信号，即为B1，实现了接收聚焦。超声相控阵检测仪进行检测时，既有发射聚焦也有接收聚焦，也就是对发射聚焦后每个阵元所接收的回波信号Ai(i=1,2,3,4,5,6,7,8)再做一次接收聚焦，最后合成一个信号，完成一次A扫过程。

表1 单路发射接收实现聚焦的设计方法

根据设计方法，试验系统框图如图1所示，主要由相控阵换能器、脉冲收发仪、多路开关、示波器、计算机和试块等组成。选用R/D Tech公司生产的超声相控阵换能器。试块为山东济宁模具厂制造，符合标准GB/T 18852-2002《无损检测 超声检验 测量接触探头声束特性的参考试块和方法》的无损检测用试块，材料为碳素钢，超声波在该介质中的传播速度为6 000 m·s-1。换能器与试块表面采用甲基硅油耦合。标准试块与换能器的位置示意如图2所示。

图1 超声相控阵信号合成试验系统框图

图2 标准试块与换能器位置示意

试验过程中，由脉冲收发仪发射端产生相同的脉冲信号去激发阵元，然后利用多路开关选择1～8号阵元中的一个或两个作为自发自收或一发一收阵元，再利用脉冲收发仪的接收端对接收到的回波信号通过示波器进行存储。如图1所示，当一组开关同时闭合时，就构成了单路发射、接收回路，利用示波器存储一个回波信号Sij，这样经过不同的组合，总共采集到64个回波信号。

2 缺陷a点处聚焦

图3为单独使用换能器第1号阵元自发自收时采集到的信号。这与传统超声检测原理相同，在这个位置，阵元发出的超声信号在时间上依次到达缺陷a点、缺陷b点及底面，然后反射回来，接收到3个回波。如图3所示，从回波信号上只能确定出两个缺陷的存在，但是无法确定缺陷的具体位置。

图3 单阵元的自发自收信号

相控阵的工作原理是通过改变相邻超声换能器阵元的相位差Δφ(通过调整各个阵元发射时间来实现)，来达到在指定位置聚焦的目的。超声相控阵的精确延时发射是超声相控阵系统中的重要环节，其通过对采集信号做移项处理，然后虚拟延时发射接收、定点聚焦，实现相控聚焦。根据信号延迟控制量的计算公式[2]，计算出各个阵元激发和接收时的相对延迟量，组成一个8×8的延迟量矩阵Δτij，与波形矩阵Sij一一对应，经过对回波信号的延迟处理与叠加，就相当于实现了声场在虚拟聚焦点的聚焦发射和接收。通过改变不同的延迟量Δτij，可实现不同点的聚焦。

2.1 发射相控聚焦

图4为将采集到的信号Si1(i=1,2,3,4,5,6,7,8)通过延迟加权求和，使1～8号阵元发射、1号阵元接收到的信号在缺陷a点处聚焦。

图4 阵元1接收，阵元1～8发射信号对缺陷a点 聚焦的合成波形

从图4可以看出，相比单阵元检测信号，缺陷a的回波信号提高了50%左右，而缺陷b点处的信号不但没有增强，还降低了50%左右，底波信号也仅为原来的三分之一。

2.2 发射与接收相控聚焦 对64组数据进行处理，可以得到阵元1～8发射，阵元1～8分别接收的8组合成信号，记为A1～A8，这8组信号是8个阵元发射超声信号在a点聚焦时各自的回波信号，对这8组信号再进行延迟加权求和的计算，将得到8个阵元对a点的聚焦合成信号，64组信号对缺陷a点聚焦的合成波形如图5所示。

图5 64组信号对缺陷a点聚焦的合成波形

从图5可以看出，8个阵元的激发和接收都在点a聚焦时，缺陷a点处的回波信号虽然增强不多，但缺陷点b点处的信号和底面回波相比，单阵元的检测信号降低很多，仅为缺陷a点处信号的四分之一。实际上通过对信号的延迟、加权求和，可使得声场的能量在a点处缺陷处集中；而接收聚焦时，将a点处缺陷处以外的信号抵消减弱，起到了滤除其他信号的功能。这与超声相控阵理论是相符的。

3 缺陷c点处聚焦

该波束合成试验将研究对非缺陷点处的声场发射及接收聚焦对回波信号的影响。选定试块中的点c为聚焦点，通过计算各路信号在c点处聚焦时的延时，对多路采集信号进行延迟，再加权求和，得到合成的回波信号。

3.1 发射相控聚焦

图6为阵元1～8发射，阵元1接收信号在c点处聚焦产生的回波合成信号。由图6可以看出，声场在c点聚焦时，相比单阵元检测回波信号(见图3)，从缺陷a和缺陷b点处反射的回波信号明显降低，不及原来波高的四分之一。

图6 阵元1～8发射，阵元1接收信号在c点处聚焦的 合成波形

3.2 发射与接收相控聚焦

将64组信号通过延时求和，合成为在c点的8路发射聚焦信号A1～A8，再对这8组信号从c点进行接收聚焦，整体合成的回波信号如图7所示。从图7上看到缺陷信号很弱，几乎消失不见。如果设定合适的判伤阈值，可以判定该点没有缺陷。对比图3，证明了在非缺陷点进行相控阵声场发射接收聚焦时，对缺陷的回波信号进行了过滤，有效地检验了该点无缺陷。

图7 64组信号在c点处的聚焦合成波形

4 人工模拟试块的相控阵检测验证

利用奥林巴斯的TOMOSCAN相控阵设备对济宁模具厂生产的30 mm厚对接焊缝人工模拟试块进行检测，分别使用8阵元聚焦和16阵元聚焦，得到的气孔位置如图8所示。8阵元的气孔位置为19.6 mm，16阵元的气孔位置为23.9 mm，该试块的说明书给出的气孔位置为24 mm，说明16阵元聚焦所得到的气孔位置更加准确。

图8 TOMOSCAN相控阵设备对人工试块气孔的 检测图像

5 结论

与单阵元自发自收的回波信号相比，多声束合成后缺陷的回波信号明显增强；进行比较可发现，焦点位置变化时，其对缺陷回波信号电压幅值的影响是不同的。当焦点与缺陷a点处的回波信号相吻合时，回波信号的电压幅值达到最大，而其他位置的回波信号却削弱了。同理，当焦点与缺陷b点处的回波信号重合时，也会得到类似的结论。而且，在没有缺陷的位置进行聚焦，也不会因为聚焦而产生高幅值的回波信号，不会形成伪缺陷。即，相控聚焦在提高缺陷回波信号的同时，不会使噪声的幅值变大。故，在利用A扫进行成像时，可以提高信噪比，从而提高图像的分辨率，使得缺陷的成像更加接近缺陷的实际。

如果只有一个阵元，也就是常规超声检测无法进行聚焦，而只用发射聚焦，也就是8个阵元发射，一个阵元接收，A扫的信噪比相对较差，成像质量也较差。因此，参加发射聚焦和接收聚焦的阵元数越多，也就是参与聚焦的阵元数越多，成像质量越好。这是因为每个阵元信号对缺陷都是一个反映，阵元越多，反映越多，所能得到试件的信息越多，利用信息的成像质量也就越高，从而更加接近缺陷的真实情况，能够更好地对缺陷进行判别。

[1] FREDRIK L. A method of improving overall resolution in ultrasonic phased array imaging using spatio-temporal deconvolution[J]. Ultrasonic, 2004, 42:961-968.

[2] 杨天雪.超声相控阵系统研究[D]. 北京：北京理工大学，2009.

The Defect Inspection Based on Multi-information Using Ultrasonic Phased Array

YANG Tianxue

(Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute, Fuzhou 350001, China)

Based on designing a virtual focusing experiment, it is approved that composite A-scan signal has high S/N ratio, thus the quality of the image of specimen is improved due to high resolution. It is also explained that the more elements the transducer has, the more information about the specimen can be gotten. So the image is closer to the true face of the defect due to high quality.

ultrasonic phased array; A-scan signal; multi-information; imaging

2016-09-24

杨天雪(1978-),男，博士，高级工程师，主要从事承压类特种设备检验工作

杨天雪，191130803@qq.com

10.11973/wsjc201705011

TB553；TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0049-04