超聲相控陣技術(shù)的仿真實驗研究

前言
超聲檢測是應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù)之一, 具有許多優(yōu)點, 但需要耦合劑和換能器接近被檢材料。相控陣超聲無損檢測是近年來超聲無損檢測領(lǐng)域發(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)復雜且成本很高，直到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)、航空工業(yè)等質(zhì)量要求高的行業(yè)，開始引入超聲相控陣技術(shù)進行缺陷檢測[3]。和國外相比，國內(nèi)在相控陣超聲無損檢測方面的研究比較落后，處于剛剛起步的階段，還沒有成熟的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場檢測的超聲相控陣檢測系統(tǒng)。雖然起步較晚，但國內(nèi)對相控陣超聲無損檢測技術(shù)的研究己呈現(xiàn)良好的勢頭。

清華大學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]。本文采用了一種非實時的合成超聲相控陣檢測聚焦方法。基于這種方法，設(shè)計了一套16 陣元的線性相控陣超聲信號發(fā)射、接收和處理實驗系統(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實驗平臺，利用該實驗系統(tǒng)，可以對試塊中的缺陷進行仿真驗證。

1 相控陣聚焦合成的方法
超聲陣列探頭是由許多的壓電晶片（陣元）按照一定的形狀排列組成的，常見的陣列探頭是線性陣列探頭，其各個陣元可以獨立的進行超聲發(fā)射和接收。基本思想是調(diào)整各個陣元發(fā)射信號的相位,使各陣元到達焦點的聲束具有相同的相位,這就實現(xiàn)了相控聚焦[5]。

發(fā)射電路重復激勵1號單元，依次選則所有陣元接收回波信號并傳至PC機上進行存儲。然后設(shè)定一個聚焦點P,根據(jù)各陣元到達虛擬聚焦點的位置，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 點的總的信號強度。

如圖1.1，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。若虛擬焦點為缺陷，則合成信號的幅值增強，若虛擬焦點不是缺陷，則合成信號的幅值相對于其它點的缺陷信號減小。

2 仿真實驗系統(tǒng)的建立

仿真實驗系統(tǒng)的組成如圖2.1所示，主要有：標注金屬試塊、16陣元相控陣換能器、超聲激發(fā)電路、超聲信號采集電路、PC計算機。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400V,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傳到上位計算機，對信號做進一步處理。

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，為了驗證相控陣的聲束的聚焦偏轉(zhuǎn)特性，制作16陣元的換能器陣列，如圖3.1所示，試塊厚度為90mm，超聲在鋁塊中的傳播速度為6320m/s。

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，并且在試塊的下表面粘了一個條形晶片17#，用于接收1#-16#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原點，即8#和9#晶片中間作為坐標原點，則1#-16#晶片的坐標分別為：1#晶片(-18.75,0)，2#晶片(-16.25,0)，……，7#晶片(-3.75,0)，8#晶片(-1.25,0)，9#晶片(1.25,0)，……，15#晶片(16.25,0)，16#晶片(18.75,0)，17#陣元晶片的坐標為(18.75,90)。對試塊和陣列晶片作了坐標標定后，就可以進行超聲發(fā)射與接收實驗了。

首先1#陣元發(fā)射，17#陣元接收采集并信號存儲，然后2#陣元發(fā)射，17#陣元接收采集存儲，依次將1#-16#陣元晶片都發(fā)射，17#陣元接收采集。由于試塊的尺寸并不是很大，可見信號的接受效果還是不錯的，如圖3.2所示。在圖3.2(a)中可見，1#-16#陣元發(fā)射17#接收到的信號幅值越來越大，并接收到的時間也越早。因為16#陣元距離17#陣元最近，所以傳播的時間也最小，因而最早被接收到，各相應(yīng)接收到的信號在時間軸上的位置也依次靠前。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。

由于17#晶片與1#-16#晶片之間的聲程差，所以接收到的信號相位也不一致，若將所有陣元發(fā)射的超聲信號聚焦到17#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，使所有的信號在時間軸上達到一致。圖3.2(b)為以17#位置為聚焦點延時后各組信號圖，各組信號的相位都一致，這樣疊加合成后就可以得到較高的合成信號。
根據(jù)1#-16#陣元到17#陣元位置點(18.25,90)的聲程差得到的各通道延時時間如表1。

將圖3.2(b)中經(jīng)過延時后的各組信號進行疊加得到疊加信號，并與單個陣元接收到的信號比較，如圖3.3所示，接收信號延遲疊加后得到的信號比單個信號的幅值增加了近10倍，可見疊加效果顯著。可以看出，相控陣發(fā)射與接收明顯地提高超聲信號的幅值，這將對一些小而深的缺陷檢測可以大大提高信噪比。

4 缺陷仿真試驗
缺陷試塊是一個不銹鋼試塊，如圖4.1所示，在試塊深度為40mm的位置有一個Ф2mm的鉆孔缺陷，超聲在鋼中的傳播速度為5940m/s。

圖4.2為1#-16#位置晶片自發(fā)自收的回波信號，從圖中波形信號的分布情況，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。由于兩邊的陣元距離缺陷點的距離越來越遠，它們接收的回波時間也越晚。

在圖4.2中，回波信號的強度也是8號陣元回波最強，依次減弱，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，缺陷相對其他陣元來說，缺陷在陣元的旁瓣位置，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要弱。

單獨分析8號陣元的回波情況，其時域信號如圖4.3，根據(jù)超聲回波的時間t=14.5us，計算缺陷的深度為：(5930m/s×14.5us)/2=42.9mm，實際缺陷的位置為40mm，與理論值還是符合比較好，其相對誤差為3.75%。同時注意到其波峰值為65mv，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)在以8#位置陣元發(fā)射其它位置接收的情況，其信號接收圖如圖4.4(a)，圖4.4(a)中顯示了缺陷回波信號。由于缺陷在8#陣元的正下方，所以陣元接收過程中，超聲回波最早發(fā)射到8#陣元，即8#陣元最早接收到回波信號，正如圖中所示，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。說明由于各陣元距離缺陷焦點的距離不一樣，陣元接收到的信號在時間上存在時間差。圖4.4(b)是原始信號沒有經(jīng)過延時后直接累加合成。若以缺陷P點坐標為(0,40mm)為聚焦點進行延時，則延遲后各個信號在相位上保持了一致，圖4.4(c)所示。圖4.4(d)波形為延時后疊加和，比較圖4.4(b)和圖4.4(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。可見，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。接下來我們以另一點P'為虛擬聚焦點,來分析以該點為聚焦點信號合成的情況。圖4.5 表示P'點坐標為(20,40)為聚焦點的情形。

圖4.5所示為8#陣元發(fā)射超聲波所有陣元接收回波信號，以P'為虛擬聚焦點為聚焦后的信號波形情況，以P'為聚焦點，根據(jù)聲程差計算出來的時間延時后，各組信號波形的相位并未超聲相控陣檢測關(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，如圖4.5(d)與圖4.5(d)相比，合成信號幅值明顯減弱。
如圖4.6(a)是不聚焦的回波信號包絡(luò)，圖4.6(b)是聚焦回波信號的包絡(luò)，圖中橫坐標為超聲傳播時間，縱坐標為回波的幅值比

從圖4.6(a)中可以看出不聚焦時，40mm處缺陷的回波最大值約為25%；而圖4.6(b)中可以看出，40mm缺陷處的回波最大值約為80%，可見聚焦后，焦點處的回波信號得到了明顯增強。通過聚焦后，信號增強了20log(80%/25%)=10.1dB，提高了缺陷檢測的對比分辨力。此外，聚焦后聲場不僅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，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 小結(jié)
本文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)。對陣元晶片進行了超聲發(fā)射接收實驗，通過分析比較陣元延時接收與未延時接收信號，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。通過對試塊的缺陷檢測的仿真實驗，對比聚焦與不聚焦的實驗效果，證明相控陣聚焦可以提高缺陷檢測能力。


參考文獻
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前輩你好，其中有一點不明白想請教一下。
“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。”
前文有說聚焦在虛擬點時，原來的點（0，40）的回波信號會合成減弱。紅字部分是不是應(yīng)該這么理解：聚焦點與缺陷在不同位置，和紅字前一句對應(yīng)，回波合成信號會減弱？

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