相控阵超声检测聚焦法则对噪声影响的测试及分析

魏同锋

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）



相控阵超声检测聚焦法则对噪声影响的测试及分析

魏同锋

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

摘要：相控阵的声场噪声要远远复杂于常规探头的噪声，为了合理的控制噪声，提高信噪比及检测灵敏度，就聚焦法则中接收和发射晶片的起始位置、分辨率值、折射角以及动态聚焦4个方面对检测噪声的影响进行了测试及分析。结果表明：接收和发射晶片的起始位置、折射角是影响噪声的主要因素；分辨率值不影响噪声的分布和水平，只影响图像的清晰度；动态聚焦不影响楔块或耦合产生的噪声水平或分布。

关键词：聚焦法则；噪声；相控阵

相控阵系统结合了超声学和电子学等方面的多项技术，且系统界面比较复杂。在操作软件TomoView中，涉及的参数数量多，除固定参数外，仅可调整的参数就多达几十项，且各参数之间相互影响复杂，数据量大，给试验带来很大困难。对超声相控阵技术的研究，目前在国

1　试验材料与方法

1.1试验材料

本试验包含计算机、TomoScan FOCUS LT 128通道超声相控阵检测仪、RD/TEC 5.0L60相控阵探头、33.7°斜楔、相控阵系统控制软件、DB-H1标准试块等，如图1所示。标准试块及探头的基本尺寸和几何位置如图2所示（在扇扫视图中，深度分别为10、30、50 mm处的Φ4横通孔可见）。

图1　试验系统实物图

图2　探头及试块几何参数示意图

1.2试验方法

采用RD/TEC 5.0L60相控阵线阵列斜探头、33.7°斜楔。扫查方法为利用楔块实现角度形式的电子线形扫查，通过改变聚焦法则中分辨率、折射角的取值，观察分辨率、折射角变化对检测噪声的影响。扫查方法为扇形扫查状态下，在聚焦法则中将接收晶片组和发射晶片组的起始位置设置成不同的数值，从而改变接收晶片组和发射晶片组的相对位置，相对位置的不同会改变检测噪声和灵敏度。同时就动态聚焦功能对检测噪声的影响进行测试及分析。

2　试验结果及讨论

2.1接收和发射晶片的起始位置对噪声的影响

通过改变接收晶片和发射晶片的起始位置可得到如下规律：

第一，在发射晶片和接收晶片起始位置相同的情况下，随着起始位置的改变，扇扫的噪声水平和分布同时改变。设置的起始位置晶片数值较小时，采集信号中的噪声较多；设置的起始位置晶片数值较大时，噪声较少，分布区域也变小，噪声分布向小角度区域偏移。

第二，颠倒发射晶片和接收晶片的起始位置，产生的噪声水平和分布基本不变。发射晶片组和接收晶片组的起始晶片不同时，噪声水平和分布多数情况下优于二者起始晶片相同时的情况。当把发射晶片组的起始晶片和接收晶片组的起始晶片颠倒时，前后比较，二者产生的噪声水平和分布基本相同。也就是说，如果确定了晶片组的大小、发射晶片组和接收晶片组的起始晶片位置，改变发射和接收顺序不会改变楔块产生的噪声。

第三，发射晶片和接收晶片的起始位置晶片数值越靠近探头后部，产生的噪声越大。探头产生的噪声主要与楔块以及声波在楔块内的行走路径有关。在靠近探头后部时，声波在楔块中产生的杂波较多，杂乱反射严重，不能很好地被楔块阻尼块吸收，而是被接收晶片所接收，形成噪声较大。在晶片接近探头前部时，产生的杂乱声波能够被探头前端的阻尼块很好地吸收，或因为延迟的原因采集不到。因此，在使用楔块进行扇形扫查中为了得到好的信噪比，在设置聚焦法则时，如果检测工艺允许，并且检测灵敏度能够满足检测要求，发射晶片组和接收晶片组的起始晶片的数值应尽可能的同时设置成较大值。

第四，发射晶片组和接收晶片组的起始晶片不同时，噪声水平和分布多数情况优于二者起始晶片相同的情况。

2.2聚焦法则中分辨率值对噪声的影响

测试聚焦深度为30 mm、折射角50°、发射接收同为1、补偿50 dB、晶片数20时不同分辨率下的噪声，试验结果如图3所示。

图3　不同分辨率下的噪声

通过试验结果可以看出，聚焦法则分辨率的取值对噪声的分布和水平没有任何影响，只影响视图的影像清晰度。为得到好的影像清晰度，应选择较小的分辨率值。

2.3聚焦法则中折射角对噪声的影响

测试聚焦深度为30 mm、发射接收同为1、补偿50 dB、晶片数20、分辨率1时不同折射角下的噪声，试验结果如图4所示。

由图4可以看出，在固定角度的电子线形扫查中，一个探头在不同角度时噪声水平和分布有差异。所谓的不同角度，不是探头真正改变了声波的折射角，而是发射延迟和接收延迟的改变，每个晶片声波的传播不会改变，其单个晶片产生的噪声也不会因为角度的不同而不同，因为延迟产生的相位差，使声波产生干涉，影响噪声。接收的延迟不同，采集的声场区域不同，噪声也将不同，即使是同一原因产生的噪声在不同的接收延迟采集的图像也将不同。还有楔块、探头与楔块耦合等原因也将影响噪声水平。因此在检测前一定要依照检测要求选择噪声水平和分布较理想的聚焦法则设置，以便得到较理想的信噪比。

图4　不同折射角下的噪声

2.4动态聚焦功能对噪声的影响

动态聚焦功能只是改变探头在局部深度范围内的接收延迟方式，理论上分析其不会改变楔块、耦合等产生的噪声。本测试在折射角40～70°、发射接收同为1、增益50 dB、聚焦深度20 mm、分辨率2，通过关闭、开启动态聚焦得到对比性试验结果，如图5所示。

图5　动态聚焦关闭、开启状态下的噪声

试验结果表明，使用动态聚焦功能将不会影响楔块或耦合产生的噪声水平或分布。

3　结论

使用TomoScan FOCUS LT 128通道超声相控阵检测仪和RD/TEC 5.0L60相控阵探头对33.7°斜楔进行电子线形扫查和扇形扫查，研究了聚焦法则中接收和发射晶片的起始位置、分辨率值、折射角以及动态聚焦对检测噪声的影响，得出了接收和发射晶片的起始位置、折射角是影响噪声的主要因素；分辨率值不影响噪声的分布和水平，只影响图像的清晰度；动态聚焦不影响楔块或耦合产生的噪声水平或分布。综上，对噪声的充分认识将有益于相控阵的使用和研究。

参考文献：

［1］李衍.焊缝超声检测相控阵参数与缺陷显示的相关性［J］.无损探伤，2010（3）:1-4.

［2］施克仁，郭寓岷.相控阵超声成像检测［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［3］黄晶，阙沛文，金建华.线形超声相控阵换能器的阵列设计［J］.传感器技术，2004（1）:9-11.

［4］郭伟灿，钱盛杰，凌张伟.换热器管板角焊缝相控阵自动超声检测技术研究［J］.压力容器，2015（8）:69-74.

［责任编辑：刘月］

中图分类号：TB553

文献标识码：A

文章编号：2095-5928（2016）03-46-04

DOI:10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2016.03.014

收稿日期：2016-01-25

作者简介：魏同锋（1982-），男，山东临沂人，讲师，硕士，研究方向：焊接及焊接质量检测技术。内尚处于起步阶段，研究重点多集中在对探头基本参量的分析上，已有的研究成果对于可调整参数的分析参考意义不大，给试验分析带来很大挑战。相控阵探头的形式决定相控阵的声场噪声比常规探头的噪声要复杂，由于晶片多而且尺寸较小，每次激发的晶片不同，使得噪声分布非常复杂，聚焦法则的设置直接影响噪声。本文通过对聚焦法则中接收和发射晶片的起始位置、分辨率、折射角以及动态聚焦对检测噪声的影响大小进行分析，得出控制相控阵声场噪声比的有效措施。

Test and Analysis of the Influence of the Phased Array Ultrasonic Testing Focal Law on the Noise

WEI Tongfeng
（Bohai Shipbuilding Vocational College，Xingcheng 125105，China）

Abstract:The phased array acoustic field noise is more complex than the conventional probe noise.In order to reasonably control the noise，improve the SNR and the detection sensitivity，the researcher tests and analyzes the influence of the four aspects，including the initial position of receiving and transmitting chip in the focal law，resolution value，refraction angle，and dynamic focusing，on noise testing.The results show that the initial position of receiving and transmitting chip and the refraction angle are the main factors affecting noise；resolution value does not affect the distribution and the level of noise，but affects only the image clarity；dynamic focusing does not affect the wedge block or coupling noise level and distribution.

Key words:focal law；noise；phased array