基于CIVA软件的全聚焦相控阵声场特性仿真

2022-07-05钱盛杰强天鹏杨贵德杜南开陈建华张国强龚成刚

无损检测 2022年6期

钱盛杰，强天鹏，杨贵德，杜南开，陈建华，张国强，龚成刚

(1.宁波市特种设备检验研究院，宁波 315048；2.江苏中特创业设备检测有限公司,南京 225003；3.广东汕头超声电子股份有限公司，汕头 515041)

全聚焦相控阵检测技术的检测灵敏度高，声场覆盖范围广，图像信噪比高，缺陷形状畸变小[1]。近年来，全聚焦相控阵技术已逐渐成为超声无损检测领域的研究热点，广泛应用于石油化工、机械制造和核电等重大基础行业的关键部位检测中[2]。目前，大多数研究工作主要集中在全聚焦算法方面的理论研究以及高性能仪器系统的开发和试验，故上全聚焦相控阵检测的成像质量和数据处理速度得到了较大的提高[3-5]。全聚焦相控阵技术之所以有上述多种技术优势，是因其声场特性与常规超声技术和常规相控阵技术的声场有较大的差异。常规超声声场分布主要集中在一个确定方向上，偏离主声束方向的声压迅速减少。常规相控阵的声场是根据延时法则施加于相控阵阵元，并由各个阵元激发的超声波进行干涉和叠加所形成的，其声能主要集中在焦点附近的一个特定区域，偏离聚焦区域的声场声压则迅速减少。全聚焦相控阵的声场是通过对目标区的每一个像素点进行聚焦计算和叠加平均处理的结果，因此其声场具有独特性。全聚焦成像算法是基于接收信号后处理的思想，对检测回波数据进行离线分析成像，是一种非实时的检测方法，具有比当前常规相控阵超声检测技术更高的缺陷成像能力[6]。然而，目前对于全聚焦相控阵声场特性的研究，主要来源于理论推导以及在检测试验和工程应用中的经验总结。全聚焦相控阵声场特性的仿真研究报道较少。而通过仿真计算，可以对全聚焦相控阵探头在特定工件或试块中进行声场进行可视化观测，从而指导检测工艺，为特定参数的全聚焦相控阵探头的研发设计提供重要的参考。

文章首先分析了全聚焦相控阵的声场特性；接着，利用CIVA软件仿真了常规超声和全聚焦相控阵声场，分别比较了这两种声场的特点；然后，采用含φ2 mm×40 mm(直径×长度)横通孔的试块进行缺陷响应仿真，验证了全聚焦相控阵技术对横通孔试块的检测能力；最后，对全聚焦相控阵的声场特性进行总结与展望。

1 全聚焦相控阵声场特性分析

常规超声(UT)和全聚焦(TFM)相控阵激发声场的差异主要可以从以下三个方面来描述：① 从信号发射阶段考虑，常规超声仅进行一次激发，全聚焦相控阵内部晶片逐个激发，与常规大晶片超声探头相比，小晶片发射超声波的扩散角大，使声能充斥于整个检测目标区；② 从信号接收阶段考虑，全聚焦相控阵接收回波信号的次数为常规超声的n倍(n为相控阵阵元数)，因此，窗口开放时间和接收到的总能量远大于常规超声的；③ 从信号处理阶段考虑，全聚焦相控阵一个信号周期内接收到n×n个A扫描回波信号。其目标区包含若干像素点，对每一个像素点进行聚焦计算和叠加平均处理，使全聚焦相控阵声场具备如下3个特征：① 小晶片发射以及信号叠加平均处理，使全聚焦声场声压分布十分平缓；② 多次信号叠加平均处理，能得到较高的信噪比；③多次小信号声能累加和长时间窗口接收方式，使目标区域内的任何微小信号变化均可识别。

笔者前期已对全聚焦声场特性已进行了研究，通过试验发现全聚焦声场是一种不同于常规超声的全新声场[1,7]。针对试验测试得到的全聚焦相控阵的声场数据进行分析，大胆猜测了全聚焦相控阵声场特征。但是，受探头、试块和仪器等试验的局限性影响，实际检测数据不够全面，检测效果并不是很理想，对完整的全聚焦声场特性的猜想不够严谨。因此，需要借助仿真工具对前期研究工作进行验证和补充。

全聚焦相控阵声场的仿真研究工作具有以下意义：① 全聚焦相控阵的声场仿真能对声场进行可视化观测，以此可确定声场的整体分布，获得声场对工件的覆盖情况，并能测量出声场覆盖范围中任意一点位置的声压幅值。若采用实际检测试验来研究全聚焦声场情况，则无法直接得到声场的整体分布，需要进行多次测量，实施过程较为繁琐，试验难度较大；② 全聚焦相控阵的缺陷响应仿真可以针对任意工件进行建模，并根据工件的结构设计满足检测要求的探头，可基本代替实际检测试验，节省了探头开发以及大量的试块制作成本，避免了因探头和试块的设计参数不合理而导致的检测问题。

基于上述分析，笔者提出在相同条件下(相同探头孔径和激励参数)对上述两种声场进行仿真对比。常规超声探头采用尺寸为24 mm×24 mm(长×宽，下同)的矩形晶片，全聚焦相控阵探头采用8×8-3 mm×3 mm(8行×8列，相邻阵元间距为3 mm)的面阵探头。设计试验分析比对这两组探头在相同孔径、波形、频率和楔块等条件下的声场分布情况以及缺陷检测能力。

2 常规超声声场仿真

采用常规超声斜入射横波声场进行声场特性研究。选取的探头参数如下：频率为5 MHz；孔径为24 mm×24 mm(长×宽)；折射角为55°；入射点至波源的距离为20 mm(有机玻璃楔块厚度)。常规超声斜探头横波斜入射声场仿真结果如图1所示。

图1 常规超声横波斜入射超声声场仿真结果

笔者采用24 mm×24 mm的矩形晶片加楔块后激发的横波声场进行检测，可由图1中测量得到钢中近场区长度N为220 mm(也可通过计算获得)。由图1可见，常规超声声场的声束很窄，在1.6倍近场区内的声束宽度近似于探头的孔径。超过1.6倍近场区深度之后，声束有一定程度的扩散。为了分析声场声压分布情况，在深度方向选取3个位置记录相对声压幅值情况，即N=220 mm，2N=440 mm，3N=660 mm。在声束截面方向偏离声束中心10，20，30，40 mm选取4个位置记录相对声压幅值情况。常规超声横波斜入射相对声压如表1所示，表中计算式xN-y代表声束轴线方向x倍近场区深度位置水平偏移ymm处的相对声压。

表1 常规超声横波斜入射相对声压 dB

由表1可得，超声波能量主要集中在声束轴线上。随着水平偏移量y的增加，声压值快速下降。超过一倍近场区深度之后，声束有一定程度的扩散。

3 全聚焦相控阵声场仿真

为了比对两种方法的声场特性，采用相同的激发参数和孔径的全聚焦相控阵探头进行CIVA仿真。选取8×8-3×3mm的面阵探头和有机玻璃楔块，探头孔径为24 mm×24 mm(长×宽)、频率为5 MHz、折射角为55°；选取入射点至波源的距离为20 mm的横波声场进行比对。全聚焦相控阵横波斜入射声场仿真结果如图2所示。

图2 全聚焦相控阵横波斜入射声场仿真结果

由图2可得，全聚焦相控阵没有钢中近场区，全聚焦声场基本覆盖了尺寸为100 mm×700 mm(宽×深)的整个计算区域(图2中的左上角和右上角除外)。沿声束轴线方向，声压按一定规律不断递减。值得注意的是，垂直声束轴线方向，声压虽然往两边不断递减，但递减量很小，特别是在远场区内。由此可见，全聚焦相控阵在声束截面上的声压分布非常平缓。

8×8-3 mm×3 mm的面阵探头是由64个间距为3 mm阵元组成的阵列，且这些阵列依次轮流发射，全聚焦相控阵的声场是由多个阵元激发的声波叠加形成的。因此，全聚焦相控阵的近场区等于单个3 mm×3 mm阵元形成的近场区。全聚焦相控阵加楔块后产生横波声场，其近场区控制在楔块内，钢中不存在近场区。为了和常规超声横波斜入射声场进行比对，在深度方向选取相同的3个位置(F=220 mm，2F=440 mm，3F=660 mm)记录相对的声压幅值。在声束截面方向偏离声束中心10，20，30，40 mm处选取4个位置记录相对声压幅值情况。全聚焦横波斜入射相对声压值对比结果如表2所示，表2中计算式xF-y代表声束轴线方向x倍近场区深度位置水平偏移ymm处的相对声压。

表2 全聚焦横波斜入射相对声压对比结果 dB

为了更加直观地描述全聚焦声场在声束截面方向声压分布情况，并与常规超声进行比对，分别选取表1和表2中的第一列数据进行制图，即得到UT(常规超声)和TFM(全聚焦相控阵)在深度为N/F处的声束截面方向声压分布(见图3)。

图3 UT和TFM 在深度为N/F处的声束截面方向声压分布

根据图2中的全聚焦声场，图3中的声压分布和表2中的相对声压幅值分析可得，全聚焦相控阵的声场在沿着出射声束传播方向按规律衰减，在声束截面方向的声压分布非常平缓，且在传播方向越远的区域其声束截面方向的声压分布越平缓。此外，由图2和表2可得，全聚焦相控阵在深度为2F和3F处的声束截面方向声压分布比在深度为F处更加平缓，这里不再重复作图表述。

(2)新建一个项目，使用上述转换过的数据，在Time Slicing[6]中设置为2007-2017，Years Per Slice设置为“1”，Term Source选定为标题、作者、摘要、关键字等，Links选项中将Strength选定为”Cosine”。

综上所述，常规超声斜探头横波声场有近场区,全聚焦相控阵斜探头横波声场加楔块后没有钢中近场区。在声束截面上,全聚焦相控阵声场的声压分布明显比常规超声的均匀，声压变化比较平缓。全聚焦相控阵横波声场没有钢中近场区，是由于全聚焦相控阵采用的小晶片近场区本身很小，加楔块后近场区则控制在楔块内。全聚焦相控阵在声束截面上的声压变化平缓是由于全聚焦相控阵声场能量的注入是通过小晶片发射，多次小信号发射累加，以及对接收和显示的信号进行叠加平均处理的结果。

4 波束声压边界角仿真

为了更加直观地显示斜探头横波声场的覆盖范围，文章引入波束声压边界角来进行描述。波束声压边界角范围越大，则在该上、下边界角覆盖范围内的声压变化越平缓。笔者采用5 MHz常规超声探头(24 mm×24 mm矩形探头)和全聚焦相控阵探头(8×8-3 mm×3 mm面阵探头)进行波束声压边界角仿真，分别用-6 dB和-12 dB的等声压线分布进行比对。此外，针对相同的出射声束角度，增加纵波声场仿真，比较两种不同波型下的波束声压边界角差异，仿真结果如图4～7所示。

图4 常规超声横波波束声压边界角仿真结果

图5 常规超声纵波波束声压边界角仿真结果

图6 全聚焦相控阵横波波束声压边界角仿真结果

图7 全聚焦相控阵纵波波束声压边界角仿真结果

由上述仿真结果可得，波束声压边界角与晶片尺寸和波型有以下关系。

(1) 晶片尺寸越小，波束声压边界角越大。常规超声的晶片孔径大，扩散角小，波束声压边界角小。全聚焦相控阵内部单个晶片的尺寸小，波束声压边界角大。因此，在相同声压降的情况下，全聚焦相控阵的波束覆盖范围大。

(2) 相同频率下，纵波波长大于横波波长，扩散因子较小，波束声压边界角较大。说明在相同条件下，纵波声场的覆盖范围更大。

(3) 上边界角与折射角的夹角大于下边界角与折射角的夹角。全聚焦相控阵的两个夹角差值明显大于常规超声的，说明靠近上表面的盲区减小量要大于深度方向的盲区减小量，因此全聚焦相控阵的近表面检测盲区很小。

5 缺陷响应研究

为了进一步得到上述两种方法在实际工件中的检测情况，笔者进行了缺陷响应研究。采用常规超声和全聚焦相控阵两种技术进行缺陷响应比对，测试声压分布的横通孔试块结构以及9个φ2 mm×40 mm(直径×长度)横通孔的位置如图8所示。分析两种方法下的声场声压分布特点，并比对横通孔回波信号的差异。常规超声采用频率为2.5 MHz，晶片尺寸为24 mm×24 mm，折射角为55°的横波探头；全聚焦相控阵超声采用8×8-3 mm×3 mm(等效孔径为24 mm×24 mm)的面阵探头。

5.1 常规超声仿真

主声束对准深度为30 mm横孔情况下的常规超声横波斜入射缺陷响应仿真结果如图9所示。为了便于观察，将探头水平移动一段距离，形成如图9(a)所示的声场图，但实际检测过程中不会出现该图像。从图9(b)的A 扫图中，从左到右可以看到4个回波信号，分别为：① 30 mm横通孔回波信号；② 30 mm横通孔绕射波信号；③ 40 mm横通孔回波信号；④ 40 mm横通孔绕射波信号。将①和③进行比较，两者相差了19.0 dB。由声束轴线(30 mm横孔处)到深度方向离开轴线10 mm (40 mm横孔处)的声压幅值下降了19.0 dB，说明声压变化剧烈，陡降十分明显。

图9 主声束对准深度为30 mm横通孔情况下的常规超声横波斜入射缺陷响应仿真结果

5.2 全聚焦相控阵超声仿真

图10 横波斜入射全聚焦相控阵缺陷响应仿真结果

综上所述，全聚焦相控阵横波斜入射任意两横孔的声压幅值差不超过6 dB，可认为在深度为20～50 mm范围内，全聚焦相控阵的声压变化平缓。

在不改变探头、楔块和频率的情况下，采用纵波斜入射法对该试块进行检测。面阵8×8-3×3 mm探头在试块相同位置处(出射点距横孔水平距离50 mm)的全聚焦纵波斜入射缺陷响应仿真结果如图11所示，声场图中可以分辨出20～80 mm位置处的7个横通孔，对于深度为5 mm和10 mm处的2个横通孔，仅能发现回波信号却无法分辨。与全聚焦横波斜入射法相比，纵波检测法的覆盖范围明显大于横波的。虽然横波的覆盖范围小于纵波的，但从成像质量方面来看，横波检测法的分辨力更佳。

图11 纵波斜入射全聚焦相控阵缺陷响应仿真结果

将两项超声检测技术的仿真结果进行比对，结果发现：常规超声声束对准某一深度孔时，该主声束方向的横孔回波高，深度方向上相邻10 mm横孔回波很低，回波声压差高达19.0 dB。由此可见，常规超声的波束很窄，扩散角小，声束能量集中。全聚焦相控阵在一个合适的位置处，不使用增益补偿的情况下，能同时分辨4/7(横波/纵波)个孔回波信号，且波幅相差较小。由此可见，其波束扩散角很大，波束覆盖了相当宽的深度范围。由此可以证明，全聚焦声场声压分布与常规超声声场声压分布不同，前者声场中不同位置的声压变化比后者声场的声压变化平缓得多。