超声相控阵技术的仿真试验

超声检测是应用最广泛的无损检测技术之一。相控阵超声检测是近年来发展起来的新技术,以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视[1]。虽然相控阵超声成像的概念很早就提出了,但由于当时电子发展水平不高、超声阵列换能器制造技术难以达到要求和数字信号处理技术不成熟等因素的制约,系统复杂且成本很高。直到20世纪90年代末,相控阵超声检测技术才被普遍接受和应用[2]。

近年来国外对相控阵超声检测技术的研究日趋活跃,例如在核工业、航空等质量要求较高的行业,开始引入超声相控阵技术进行缺陷检测[3]。和国外相比,国内在相控阵超声无损检测方面还处于研究阶段。如清华大学无损检测实验室施克仁教授和他的博士对相控阵超声声场、阵列探头设计、自适应聚焦、提高检测分辨率、柔性阵列相控阵等方面作了深入的研究[4]。笔者采用了一种非实时的合成超声相控阵检测聚焦方法。基于这种方法,设计了一套16阵元的线性相控阵超声信号发射、接收和处理试验系统。系统可以实现线阵相控阵的发射与接收,从而为相控阵的研究提供了良好的试验平台,利用该试验系统,可以对试块中的缺陷进行仿真验证。

1 相控阵聚焦合成的方法

相控阵聚焦合成方法原理如图1所示。超声阵列探头由许多的压电晶片(阵元)按照一定的形状排列组成,常见的阵列探头是线性阵列探头,其各个阵元可以独立地进行超声发射和接收。其基本思想是调整各个阵元发射信号的相位,使各阵元到达焦点的声束具有相同的相位,以此实现相控聚焦[5]。

图1 相控阵聚焦合成方法原理图

发射电路重复激励1号单元,依次选择所有阵元接收回波信号并传至PC机上进行存储。然后设定一个聚焦点P,根据各阵元到达虚拟聚焦点的位置,计算出声程差,转换为时间差。把不同通道接收的信号按照时间差平移,然后叠加可以得到一个聚焦合成信号;同理,将2号阵元发射,所有阵元接收的信号,同样也按P点为聚焦点,得到另一个聚焦合成信号;其它阵元也同样依次发射,所有阵元接收,可得到N个聚焦合成信号,最后将这N个合成信号按P点聚焦合成,得到P点总的信号强度。

将单个阵元发射,所有阵元接收的信号根据虚拟焦点的声程差聚焦处理,该合成信号即为该发射阵元单独在虚拟焦点的总的声场贡献。若虚拟焦点为缺陷,则合成信号的幅值增强;若不是,则合成信号的幅值相对于其它点的缺陷信号减小。

2 仿真试验系统的建立

图2 试验系统框图

仿真试验系统的组成如图2所示,主要有标准金属试块、16阵元相控阵换能器、超声激发电路、超声信号采集电路和PC计算机。FPGA产生触发信号,触发超声激发电路产生高压脉冲信号,激励电压为400 V,使换能器产生超声;回波信号通过限幅、放大滤波后经过采样器,采集超声回波信号并将信号送到上位计算机,对信号作进一步处理。

3 超声信号的发射与接收

在试验中设计的阵列换能器是直接将压电晶片粘贴在铝制试块表面,为了验证相控阵声束的聚焦偏转特性,制作了16阵元的换能器阵列,如图3所示。试块厚度为90 mm,超声在铝制试块中的传播速度为6 320 m/s。

图3 晶片阵元阵列与试块

试块的上表面是16阵元的压电晶片,压电晶片的尺寸为18mm×2mm×0.8mm,相邻晶片的中心距为2.5mm。在试块的下表面粘了一个条形晶片17号,用于接收1～16号阵元晶片组成的阵列晶片发射的超声波。上述所有的晶片形状都一样,坐标系统以水平方向为x轴,垂直方向为z轴,16个PZT晶片沿着x轴方向排列。PZT晶片阵列中心作为坐标原点,即8和9号晶片中间作为坐标原点,1～16号晶片的坐标分别为：1号晶片(-18.75,0),2号晶片(-16.25,0),……,8号晶片(-1.25,0),9号晶片(1.25,0),……,15号晶片(16.25,0),16号晶片(18.75,0);17号阵元晶片的坐标为(18.75,90)。对试块和阵列晶片作了坐标标定后,就可以进行超声发射与接收试验了。

首先1号阵元发射,17号阵元接收采集并信号存储;然后2号阵元发射,17号阵元接收采集存储;如此依次发射1～16号阵元晶片,17号阵元接收采集。由于试块的尺寸并不是很大,信号的接收效果良好,如图4(a)所示。可见,1～16号阵元发射17号,接收到的信号幅值越来越大,并接收到的时间也越早,同时超声信号的衰减也越小,幅值也越大,这与超声声场理论是相符的。

将所有阵元发射的超声信号聚焦到17号阵元位置(18.75,90)处,根据聚焦原理计算得到各延迟时间,然后对各组信号延时,得到各组延时后的信号,如图4(b)所示。这样叠加合成后就可以得到幅值较高的合成信号,这对一些小而深的缺陷可大大提高信噪比。

4 缺陷仿真试验

缺陷试块材质为不锈钢,在试块深度为40mm的位置有一个φ2 mm的钻孔缺陷,超声在钢中的传播速度为5 940 m/s。

图5为1～16号位置晶片自发自收的回波信号。从图中波形分布可以看出存在一个缺陷,由于8号阵元接收到的回波在时间轴上最早,可见该缺陷大致在8号阵元的正下方。回波信号的强度也是8号阵元最强,依次减弱,说明缺陷距离8号阵元最近,且缺陷在8号阵元的主瓣声束位置;对其他阵元来说,缺陷在其旁瓣位置,这些阵元在缺陷点的位置处的声场本来就比较小,所以他们的回波也就较弱。

图6 8号阵元自发自收回波时域图

单独分析8号阵元的回波情况,其时域信号如图6,根据超声回波的时间t=14.5μs,计算缺陷的深度为(5 930 m/s×14.5μs)/2=42.9 mm。实际缺陷的位置为40 mm,与理论值符合较好,相对误差为3.75%。同时注意到其波峰值为65 mV,可见单个晶片的超声信号幅值较小。

分析了单个位置晶片自发自收的信号后,现在分析8号阵元发射其它位置接收的情况,其信号接收如图7(a),图中显示了缺陷回波信号。由于缺陷在8号阵元的正下方,所以8号阵元最早接收到回波信号,其他阵元接收到的信号在时间上依次增加,且信号幅值也依次减小。图7(b)是原始信号没有经过延时直接累加合成。若以缺陷P(0,40)为聚焦点进行延时,则延迟后各个信号在相位上保持了一致,如图7(c)所示。图7(d)波形为延时后叠加和。比较图7(b)和(d)可以看出,延时后的累加和比没有延时后的累加和声压强增强。可见,采用这种方式聚焦合成也是可行的。

由于P点是缺陷点,若以P点为聚焦点,所有阵元接收信号相位延时后得到的信号合成波形得到了增强。接下来对虚拟聚焦点P′来分析在该处的聚焦点信号合成的情况。图8表示P′(20,40)为聚焦点的情形。

图8所示为以P′为虚拟聚焦点,8号阵元发射超声波,所有阵元接收回波信号的聚焦后的信号波形。以P′为聚焦点,根据声程差计算出来延时发现,各组信号波形的相位并不与超声相控阵检测关键技术的研究一致,而是存在相位差。正是由于存在相位差,所以各组延时信号相加后,合成信号得到了减弱,由图7(d)与图8(d)相比,合成信号幅值明显减弱。

图9(a)是不聚焦的回波信号包络,图9(b)是聚焦回波信号的包络。图9(a)中可以看出,不聚焦时,40 mm处缺陷回波的最大值约为25%;而图9(b)中可以看出,40 mm处缺陷回波的最大值约为80%。可见,聚焦后焦点处的回波信号得到了明显增强。通过聚焦,信号增强了20log(80%/25%)=10.1 dB,提高了缺陷检测的对比分辨力。此外,聚焦后声场不仅在聚焦点位置得到明显增强,同时焦点附近区域的声场也会得到了明显增强。

通过以上信号的分析可知,一个阵元发射,所有阵元接收的信号,通过某一点为聚焦点延时合成后可以得到一个合成信号。如果将其它阵元也都单独发射,所有阵元接收后延时合成,这样总共可以得到16个合成信号。然后再将这16个合成信号,同样根据相同聚焦点延时合成,可得到最终的合成信号。若聚焦点为缺陷位置,则使得缺陷点的回波信号大大加强;若聚焦点没有缺陷,则各组回波信号相互抵消,合成信号也大大减弱。

5 结语

在相控阵聚焦原理的基础上,搭建了线阵超声相控阵检测仿真系统。对阵元晶片进行了超声发射接收试验,通过分析比较阵元延时接收与未延时接收时的信号,可以看出聚焦接收迟后可以使叠加信号得到明显增强,同时验证了信号延时聚焦合成方式的可行性。通过对试块缺陷检测的仿真试验,对比聚焦与不聚焦的试验效果,证明相控阵聚焦可以提高缺陷检测能力。

[1]单宝华,喻言,欧进萍,等.超声相控阵检测技术及其应用[J].无损检测,2004,26(5)：235-238.

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