超聲相控陣技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)研究

前言
超聲檢測(cè)是應(yīng)用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一, 具有許多優(yōu)點(diǎn), 但需要耦合劑和換能器接近被檢材料。相控陣超聲無(wú)損檢測(cè)是近年來(lái)超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的新技術(shù), 以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來(lái)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(shí)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(hào)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90年代末相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)才被普遍接受和應(yīng)用[2]。

近年來(lái)國(guó)外對(duì)相控陣超聲檢測(cè)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(jìn)行缺陷檢測(cè)[3]。和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在相控陣超聲無(wú)損檢測(cè)方面的研究比較落后，處于剛剛起步的階段，還沒(méi)有成熟的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)。雖然起步較晚，但國(guó)內(nèi)對(duì)相控陣超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究己呈現(xiàn)良好的勢(shì)頭。

清華大學(xué)無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室施克仁教授和他的博士對(duì)相控陣超聲聲場(chǎng)、陣列探頭設(shè)計(jì)、自適應(yīng)聚焦、提高檢測(cè)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(shí)時(shí)的合成超聲相控陣檢測(cè)聚焦方法。基于這種方法，設(shè)計(jì)了一套16 陣元的線性相控陣超聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以對(duì)試塊中的缺陷進(jìn)行仿真驗(yàn)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(gè)陣元可以獨(dú)立的進(jìn)行超聲發(fā)射和接收。基本思想是調(diào)整各個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的相位,使各陣元到達(dá)焦點(diǎn)的聲束具有相同的相位,這就實(shí)現(xiàn)了相控聚焦[5]。

發(fā)射電路重復(fù)激勵(lì)1號(hào)單元，依次選則所有陣元接收回波信號(hào)并傳至PC機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)。然后設(shè)定一個(gè)聚焦點(diǎn)P,根據(jù)各陣元到達(dá)虛擬聚焦點(diǎn)的位置，計(jì)算出聲程差，轉(zhuǎn)換為時(shí)間差。把不同通道接收的信號(hào)按照時(shí)間差平移，然后疊加可以得到一個(gè)聚焦合成信號(hào)；同理，將2號(hào)陣元發(fā)射，所有陣元接收的信號(hào)，同樣也按P點(diǎn)為聚焦點(diǎn)，得到另一個(gè)聚焦合成信號(hào)；其它陣元也同樣依次發(fā)射，所有陣元接收，可得到N個(gè)聚焦合成信號(hào)，最后將這N個(gè)合成信號(hào)按P點(diǎn)聚焦合成，得到P 點(diǎn)的總的信號(hào)強(qiáng)度。

如圖1.1，將單個(gè)陣元發(fā)射所有陣元接收的信號(hào)根據(jù)虛擬焦點(diǎn)的聲程差聚焦處理，該合成信號(hào)即為該發(fā)射陣元單獨(dú)在虛擬焦點(diǎn)的總的聲場(chǎng)貢獻(xiàn)。若虛擬焦點(diǎn)為缺陷，則合成信號(hào)的幅值增強(qiáng)，若虛擬焦點(diǎn)不是缺陷，則合成信號(hào)的幅值相對(duì)于其它點(diǎn)的缺陷信號(hào)減小。

2 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成如圖2.1所示，主要有：標(biāo)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(hào)采集電路、PC計(jì)算機(jī)。FPGA產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)超聲激發(fā)電路產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，激勵(lì)電壓為400V,使換能器產(chǎn)生超聲，回波信號(hào)通過(guò)限幅、放大濾波后經(jīng)過(guò)采樣器，采集超聲回波信號(hào)并將信號(hào)傳到上位計(jì)算機(jī)，對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理。

3 超聲信號(hào)的發(fā)射與接收
在試驗(yàn)中設(shè)計(jì)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(yàn)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(gè)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(biāo)系統(tǒng)以水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閦 軸，16個(gè)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(diǎn)，即8#和9#晶片中間作為坐標(biāo)原點(diǎn)，則1#-16#晶片的坐標(biāo)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(biāo)為(18.75,90)。對(duì)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)射與接收實(shí)驗(yàn)了。

首先1#陣元發(fā)射，17#陣元接收采集并信號(hào)存儲(chǔ)，然后2#陣元發(fā)射，17#陣元接收采集存儲(chǔ)，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(hào)的接受效果還是不錯(cuò)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(hào)幅值越來(lái)越大，并接收到的時(shí)間也越早。因?yàn)?6#陣元距離17#陣元最近，所以傳播的時(shí)間也最小，因而最早被接收到，各相應(yīng)接收到的信號(hào)在時(shí)間軸上的位置也依次靠前。同時(shí)超聲信號(hào)的衰減也越小，幅值也越大，這與超聲聲場(chǎng)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(hào)相位也不一致，若將所有陣元發(fā)射的超聲信號(hào)聚焦到17#陣元位置(18.75,90)處，根據(jù)聚焦原理計(jì)算得到各延遲時(shí)間，然后對(duì)各組信號(hào)延時(shí)，使所有的信號(hào)在時(shí)間軸上達(dá)到一致。圖3.2(b)為以17#位置為聚焦點(diǎn)延時(shí)后各組信號(hào)圖，各組信號(hào)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(hào)。
根據(jù)1#-16#陣元到17#陣元位置點(diǎn)(18.25,90)的聲程差得到的各通道延時(shí)時(shí)間如表1。

將圖3.2(b)中經(jīng)過(guò)延時(shí)后的各組信號(hào)進(jìn)行疊加得到疊加信號(hào)，并與單個(gè)陣元接收到的信號(hào)比較，如圖3.3所示，接收信號(hào)延遲疊加后得到的信號(hào)比單個(gè)信號(hào)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(hào)的幅值，這將對(duì)一些小而深的缺陷檢測(cè)可以大大提高信噪比。

4 缺陷仿真試驗(yàn)
缺陷試塊是一個(gè)不銹鋼試塊，如圖4.1所示，在試塊深度為40mm的位置有一個(gè)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(hào)，從圖中波形信號(hào)的分布情況，可以看出存在一個(gè)缺陷，由于8號(hào)陣元接收到的回波在時(shí)間軸上最早，可見該缺陷大致在8號(hào)陣元的正下方。由于兩邊的陣元距離缺陷點(diǎn)的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，它們接收的回波時(shí)間也越晚。

在圖4.2中，回波信號(hào)的強(qiáng)度也是8號(hào)陣元回波最強(qiáng)，依次減弱，缺陷距離8號(hào)陣元最近，且缺陷在8號(hào)陣元的主瓣聲束位置，缺陷相對(duì)其他陣元來(lái)說(shuō)，缺陷在陣元的旁瓣位置，這些陣元在缺陷點(diǎn)的位置處的聲場(chǎng)本來(lái)就比較小，所以他們的回波也就要弱。

單獨(dú)分析8號(hào)陣元的回波情況，其時(shí)域信號(hào)如圖4.3，根據(jù)超聲回波的時(shí)間t=14.5us，計(jì)算缺陷的深度為：(5930m/s×14.5us)/2=42.9mm，實(shí)際缺陷的位置為40mm，與理論值還是符合比較好，其相對(duì)誤差為3.75%。同時(shí)注意到其波峰值為65mv，可見單個(gè)晶片的超聲信號(hào)幅值較小。

分析了單個(gè)位置晶片自發(fā)自收的信號(hào)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(hào)接收?qǐng)D如圖4.4(a)，圖4.4(a)中顯示了缺陷回波信號(hào)。由于缺陷在8#陣元的正下方，所以陣元接收過(guò)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(hào)，正如圖中所示，其他陣元接收到的信號(hào)在時(shí)間上依次增加，且信號(hào)幅值也依次減小。說(shuō)明由于各陣元距離缺陷焦點(diǎn)的距離不一樣，陣元接收到的信號(hào)在時(shí)間上存在時(shí)間差。圖4.4(b)是原始信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)延時(shí)后直接累加合成。若以缺陷P點(diǎn)坐標(biāo)為(0,40mm)為聚焦點(diǎn)進(jìn)行延時(shí)，則延遲后各個(gè)信號(hào)在相位上保持了一致，圖4.4(c)所示。圖4.4(d)波形為延時(shí)后疊加和，比較圖4.4(b)和圖4.4(d)可以看出延時(shí)后的累加和比沒(méi)有延時(shí)后的累加和聲壓強(qiáng)增強(qiáng)。可見，采用這種方式聚焦合成也是可行的。

由于 P點(diǎn)是缺陷點(diǎn)，若以P點(diǎn)為聚焦點(diǎn)所有陣元接收信號(hào)相位延時(shí)后得到的信號(hào)合成波形得到了增強(qiáng)。接下來(lái)我們以另一點(diǎn)P'為虛擬聚焦點(diǎn),來(lái)分析以該點(diǎn)為聚焦點(diǎn)信號(hào)合成的情況。圖4.5 表示P'點(diǎn)坐標(biāo)為(20,40)為聚焦點(diǎn)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(hào)，以P'為虛擬聚焦點(diǎn)為聚焦后的信號(hào)波形情況，以P'為聚焦點(diǎn)，根據(jù)聲程差計(jì)算出來(lái)的時(shí)間延時(shí)后，各組信號(hào)波形的相位并未超聲相控陣檢測(cè)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(shí)信號(hào)相加后，合成信號(hào)得到了減
弱，如圖4.5(d)與圖4.5(d)相比，合成信號(hào)幅值明顯減弱。
如圖4.6(a)是不聚焦的回波信號(hào)包絡(luò)，圖4.6(b)是聚焦回波信號(hào)的包絡(luò)，圖中橫坐標(biāo)為超聲傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)為回波的幅值比

從圖4.6(a)中可以看出不聚焦時(shí)，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(diǎn)處的回波信號(hào)得到了明顯增強(qiáng)。通過(guò)聚焦后，信號(hào)增強(qiáng)了20log(80%/25%)=10.1dB，提高了缺陷檢測(cè)的對(duì)比分辨力。此外，聚焦后聲場(chǎng)不僅僅在聚焦點(diǎn)位置得到明顯增強(qiáng)，同時(shí)焦點(diǎn)附近區(qū)域的聲場(chǎng)也會(huì)得到了明顯增強(qiáng)。
通過(guò)以上信號(hào)的分析可知，一個(gè)陣元發(fā)射所有陣元接收的信號(hào)，通過(guò)某一點(diǎn)為聚焦點(diǎn)延時(shí)合成后可以得到一個(gè)合成信號(hào)。如果將其它陣元也都單獨(dú)發(fā)射所有陣元接收后延時(shí)合成，這樣總共可以得到16個(gè)合成信號(hào)，然后再將這16個(gè)合成信號(hào)同樣根據(jù)相同聚焦點(diǎn)延時(shí)合成，得到最終的合成信號(hào)。若聚焦點(diǎn)為缺陷位置，則使得缺陷點(diǎn)的回波信號(hào)大大加強(qiáng)；若聚焦點(diǎn)沒(méi)有缺陷，則各組回波信號(hào)相互抵消，合成信號(hào)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(cè)仿真系統(tǒng)。對(duì)陣元晶片進(jìn)行了超聲發(fā)射接收實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析比較陣元延時(shí)接收與未延時(shí)接收信號(hào)，可以看出聚焦接收遲后可以使疊加信號(hào)得到明顯增強(qiáng)，同時(shí)驗(yàn)證了信號(hào)延時(shí)聚焦合成方式的可行性。通過(guò)對(duì)試塊的缺陷檢測(cè)的仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比聚焦與不聚焦的實(shí)驗(yàn)效果，證明相控陣聚焦可以提高缺陷檢測(cè)能力。


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“若聚焦點(diǎn)為缺陷位置，則使得缺陷點(diǎn)的回波信號(hào)大大加強(qiáng)；若聚焦點(diǎn)沒(méi)有缺陷，則各組回波信號(hào)相互抵消，合成信號(hào)也大大減弱。”
前文有說(shuō)聚焦在虛擬點(diǎn)時(shí)，原來(lái)的點(diǎn)（0，40）的回波信號(hào)會(huì)合成減弱。紅字部分是不是應(yīng)該這么理解：聚焦點(diǎn)與缺陷在不同位置，和紅字前一句對(duì)應(yīng)，回波合成信號(hào)會(huì)減弱？

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