相控阵超声扇形扫描影响因素分析

祝清华，张会新，严 帅，郝现伟

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100000)

近年来各种仪器设备的智能化程度不断提高，仪器关键零部件的检测也越来越重要，相控阵超声检测技术在零部件的检测方面也发挥着越来越重要的作用。该技术通过控制各个阵元发射和接收信号的方式来控制声束的聚焦和偏转，进而改变焦点的位置和大小，将被测物的内部信息更加直观地展现出来，实现对物体内部缺陷的检测[1]。相控阵超声扇形扫描涉及到多个参数的选择，且各参数之间相互影响，只有参数选择合理才能提升缺陷检测的质量[2]。

文章在现有研究的基础上[3-6]，综合考虑相控阵超声换能器的焦距、偏转角度及孔径对成像质量的影响，采用控制变量法，通过对比缺陷孔成像直径的大小，来判断成像的质量以及确定最佳参数。根据试验结果对参数进行优化，可以最大程度发挥相控阵超声扇形扫描的优势，提升检测质量。

1 基本原理

1.1 线阵换能器的几何参数及指向性

均匀线阵换能器的主要参数包括中心频率f、阵元数N、阵元间距d、阵元宽度a、阵元长度b等。声束指向性H(θ)是评价超声换能器的重要指标，其决定了换能器辐射声场的特性，对成像质量影响很大。其定义为[7]

(1)

式中:p(r,θ,t)为任意角度θ上的复声压;p(r,θs,t)为偏转角θs上的复声压;r为辐射声场的半径;t为延迟时间。

根据乘积定理，将式(1)变形为[7]

(2)

式中：λ为超声波波长。

若线阵换能器参数选择不合理，成像结果可能会出现旁瓣或者栅瓣效应伪像。换能器发射的声束同时包含了主瓣声束和旁瓣声束，大部分超声能量聚集于主瓣声束内，少部分则存在于旁瓣声束内。在进行相控阵超声检测时，主瓣声束和旁瓣声束同时作用于被检对象(二者的扫查方向并不相同)，但换能器接收到的回波信号都会被默认为来自主瓣声束，换能器本身或者成像系统都不能分辨主瓣和旁瓣的回波信号，这就造成了成像时的旁瓣效应伪像。虽然旁瓣信号较主瓣信号小很多，但是其降低了超声系统对低回波信号的分辨率。

栅瓣效应伪像的产生原理与旁瓣效应伪像的相同，只不过大部分情况下栅瓣含有的能量比较大，有时甚至比主瓣声束的能量还大，所以在相控阵系统中必须杜绝栅瓣的出现，以提高成像分辨率。换能器的参数选择不合理时(如阵元间距和扫描角度过大)，检测图像容易出现栅瓣效应伪像。

1.2 焦距对成像质量的影响

在进行相控阵扇形扫描检测时，焦点附近的声场强度最大，声束主瓣宽度最窄。焦区深度和焦点宽度决定了检测系统的空间分辨率。焦区深度Fe定义为[8]

(3)

式中：F为焦距；D为换能器孔径；m为常数。

由式(3)可知，当λ与N保持不变时，Fe与F2成正比，增大焦距F会增加声束能量的消耗，减少聚焦能量，降低成像质量。

焦点宽度W定义为

(4)

由式(4)可知，当换能器孔径D一定时，焦区宽度W和焦距F成正比，增大F能得到更大的焦区宽度，聚焦声束覆盖的区域更大，成像质量更高。

聚焦区域为一个柱形区域，焦柱直径φ定义为

(5)

焦柱长度L定义为

(6)

由式(5)，(6)可知，如要增大焦柱长度，则需要增大焦距，减小换能器孔径，但这样会增大焦柱的直径。

1.3 偏转角度对成像质量的影响

相控阵超声系统控制每个阵元的激发延时，使各阵元发射声束合成的波阵面法线与阵元面形成一个角度，从而实现换能器的声束偏转；通过控制声束的方向，实现不同角度范围的扫描。在不同的偏转方向上，声束的指向性不同，灵敏度和分辨率也不同。偏转角度设置不当，可能会使灵敏度和分辨率降低，也可能使图像产生栅瓣和伪影。合成声束只能在一定范围内保持良好的指向性。

相控阵超声系统声束的偏转角θs取决于单个阵元的声束扩散角，即声束的-6 dB扩散角，θs的计算式为

(7)

对于均匀线性换能器，在进行相控阵超声检测时，声束偏转角θs应尽量满足[9]

(8)

在进行扇形扫描时，不同的外部条件会导致偏转角不同，即使是相同的换能器，不同材料的声速不同也会导致最大偏转角的不同。在实际检测时，应该根据被检对象确定最大偏转角。

1.4 孔径对成像质量的影响

当换能器孔径较小时，主瓣声束没有良好的指向性，成像分辨率较低。增大换能器孔径能有效锐化主瓣，削弱旁瓣，提高声束的指向性，进而提高成像质量。当孔径超过一定值后，其对声束指向性的改善不再明显。

对于检测中使用的换能器，其中心频率、阵元尺寸等都已确定，因此只能改变N来控制孔径的大小。由于换能器阵元间距d和阵元宽度a相差无几，所以换能器孔径D可近似为

D=Nd

(9)

主瓣宽度是衡量相控阵换能器声束指向性的重要指标，主瓣宽度q定义为[10]

(10)

将H(θ)=0代入式(10)，经过整理，主瓣宽度可近似为

(11)

对于均匀线性超声换能器，第一旁瓣宽度M为

(12)

由式(9)得到阵元数与主瓣宽度的关系曲线如图1所示。

图1 阵元数与主瓣宽度的关系曲线

2 试验过程

2.1 试验系统组成

试验系统由计算机、AOS OEMPA 32/32型相控阵超声检测仪、B型相控阵试块、相控阵系统控制软件以及64阵元线性相控阵探头等组成。相控阵探头的中心频率为5 MHz，阵元间距为0.1 mm，阵元宽度为0.4 mm，待检构件结构如图2所示。

图2 待检构件结构示意

2.2 试验数据与分析

2.2.1 焦距的影响

对待检构件的12个孔进行相控阵超声扇形扫描，以其中的3，5，7号孔(深度分别为20，30，40 mm，从左至右，孔编号为112)为主要研究对象，进行3次扇扫试验，焦距分别设置为20，30，40 mm，孔径设置为16 mm，偏转角度设置为90°，采用纵波扫描，成像结果如图3所示。

图3 不同焦距下各缺陷孔的成像结果

由图3可以看出，扇扫的成像效果和焦距密切相关，当焦距大小和缺陷深度相同时，缺陷的成像质量明显提高。当焦距为20 mm时，第3个孔的成像十分清晰，能够客观地反映出待检缺陷的形状，同时能够分辨出另外3个在焦距附近的缺陷的形状，但是成像效果并不理想，剩下的孔则无法分辨；当焦距为30 mm时，深度与焦距相同的5号孔清晰可辨，在焦距附近的4号孔和6号孔的成像质量也得到了明显提高，此时共能检测到5个缺陷，说明成像时距离焦点越近成像质量越高；当焦距为40 mm时，能观察到最多缺陷孔的形状，但是聚焦深度过大导致声波衰减增大，声波幅值下降，进而导致横向分辨率下降，此时，深度与焦距对应的孔的成像质量并不理想。

不同焦距下各缺陷孔的测量数据如表1所示。由表1可知，深度与焦距相同的缺陷孔的测量误差最小，距离焦点越远的缺陷孔的测量误差越大。在实际检测过程中，要结合检测目的、检测对象以及综合实际情况来确定焦距。

表1 不同焦距下各缺陷孔的测量数据

2.2.2 偏转角度的影响

设置焦距为20 mm，孔径为16 mm，扇扫扫查步进角度为1°，分别设置偏转角度为30°，45°，60°进行试验。不同偏转角度下各缺陷孔的成像结果如图4所示。

图4 不同偏转角度下各缺陷孔的成像结果

不同偏转角度下各缺陷孔的测量数据如表2所示。由表2可知，扇扫偏转角度不同，成像效果也不同。当偏转角度为30°时，成像比较清晰，但由于偏转角度过小，成像范围有限，只能检测到4个缺陷孔；当偏转角度为45°时，能够检测到90°扇形区域内最多数量的缺陷孔，且成像清晰误差较小；当偏转角度为60°时，扇形区域内缺陷孔的成像效果无明显变差的趋势，但由于偏转角度过大，声束聚焦效果差，距离焦距越远的地方变形越严重。

表2 不同偏转角度下各缺陷孔的测量数据

2.2.3 孔径的影响

设置焦距为30 mm，扫描角度为90°，通过改变阵元数N来控制孔径大小，研究孔径对成像结果的影响。不同孔径(D)下的缺陷孔的成像结果如图5所示。

图5 不同孔径(D)下缺陷孔的成像结果

根据多次试验结果可知，当阵元数N过小时，换能器发射能量不足，使得被检缺陷的回波幅值很低甚至无法识别，所以过小的孔径在缺陷检测中无实际意义。由图5可知，随着孔径的增大，缺陷孔的回波幅值逐渐增大，成像质量逐渐提高。因此，增大孔径可以提高缺陷的检出率和成像分辨率，改善检测效果，但孔径也不是越大越好，当孔径增大到一定范围后，其对成像质量的改善不再明显。为验证孔径对成像质量的影响，对阵元数分别为8，16，32，64，128时的声场进行仿真，仿真结果如图6所示。

图6 不同阵元数时的声场仿真结果

在孔径为20 mm的情况下，分别设置焦距为28 mm而无时间补偿、焦距为28 mm且时间增益补偿为4(无量纲)的对比试验，结果如图7所示。

图7 焦距为28 mm时有无时间增益补偿的成像结果对比

由图7可知，图7(a)相对于图5(c)的成像质量略有提升，图7(b)相对于(a)成像质量又有较大提升，获得了更好的缺陷成像效果(清晰度和分辨率都更佳)。这说明，进行扇扫参数设置时，不能单一地调节焦距、孔径等参数来改变成像质量，应该根据实际情况综合调节各个参数以达到最好的成像效果。

3 结论

(1) 焦距不同，成像质量不同。焦距过小，虽在焦距范围内聚焦效果好，成像质量高，但声束随距离增大发散严重，整体检测效果不佳。焦距增大，一定程度上能改善换能器声束的指向性，缺陷孔的检出率和清晰度得到提高，但当焦距超过一定范围，不仅对声束指向性的改善不明显，还会因为声束强度随着距离增加而减小，成像质量下降。

(2) 偏转角度会影响缺陷的成像质量。当偏转角度过小时，检测效果虽较好，但检测范围有限；偏转角度过大时，声束强度衰减导致成像质量变差。只有适当的偏转角度才能获得良好的成像质量。在进行实际检测时，应根据被检对象估计检测范围，预先设定偏转角度。

(3) 焦距一定时，随着换能器孔径增大，扇扫成像质量显著提高。换能器孔径增大，缺陷孔的检出率增加，被检目标的尺寸更接近实际尺寸，且成像更加清晰，缺陷孔成像的变形得到抑制，空间分辨率提高，但孔径也不是越大越好，当孔径增大到一定范围后，对成像质量的改善不明显。

(4) 良好的成像质量是由多个参数共同决定的。在实际的缺陷检测过程中，应该在满足各参数的基本要求下，再根据被检对象的要求选择最优的参数。只有采用最优参数才能得到最佳的成像质量，充分利用试验仪器的性能。