全聚焦相控陣技術(shù)4-場測量相關(guān)理論知識與聲場特性研

概述以往各種超聲方法應(yīng)用的技術(shù)路線都是基于A掃信號的，人們習慣通過A掃認知檢測過程中的各種情況和處理相關(guān)問題，包括：①

描述檢測過程狀態(tài)，例如確定工件中超聲傳輸路徑和相應(yīng)的到達時間，辨識各個信號；②

進行系統(tǒng)的各種設(shè)置，包括增益設(shè)置、掃查范圍設(shè)置、聲程增益校準、角度增益校準等；③

獲取缺陷的信息，即測量缺陷的位置、波幅、尺寸，并判斷其性質(zhì)；④

制訂工藝和標準，即提出檢測的各項參數(shù)，并規(guī)定其數(shù)值。但在全聚焦相控陣技術(shù)應(yīng)用時遇到了問題：儀器系統(tǒng)(使用的儀器是國產(chǎn)全聚焦相控陣3D實時成像系統(tǒng)，配用的探頭是8×8面陣探頭，單個陣元邊長為3mm，文中引用的數(shù)據(jù)和圖像如果沒有特別說明，均是來自該儀器系統(tǒng))沒有A掃顯示。沒有A掃顯示的原因是：全聚焦儀器系統(tǒng)探頭接收到的A掃信號是海量的，一個64陣元探頭在一個固定位置接收的A掃數(shù)量達4096條，其中任何一條A掃都無法表征檢測的整體情況，所以單個A掃顯示是沒有意義的。針對此情況，在研究全聚焦相控陣的聲場特性和信號特性后，認為可以用新的概念和技術(shù)路線——建立在“場”概念基礎(chǔ)上的“場測量”和“場校準”技術(shù)路線，解決沒有A掃信號顯示帶來的一系列問題，建立起新的焊縫檢測工藝規(guī)則。理論知識常規(guī)超聲場聲壓分布1圖1是描述常規(guī)超聲場的幾幅圖(圖中P為聲壓，P0為波源的起始聲壓；PN為理想球面波聲壓；N為近場長度)。圖1常規(guī)超聲場的描述圖

全聚焦相控陣基本原理2全聚焦相控陣包括兩個過程：全矩陣信號采集(FMC)過程和全聚焦成像(TFM)過程。關(guān)于聲場的幾個定義3聲場的定義：有限空間內(nèi)聲能量的分布。全聚焦聲場的定義：全聚焦超聲系統(tǒng)通過FMC-TFM過程施加于和探測到某一體積(目標區(qū))的超聲能量分布。目標區(qū)的定義：為研究FMC-TFM聲場和進行全聚焦相控陣檢測而人為設(shè)置的體積。暫穩(wěn)態(tài)聲場和穩(wěn)態(tài)聲場：探頭不動時目標區(qū)聲場稱為穩(wěn)態(tài)聲場；探頭緩慢移動時稱暫穩(wěn)態(tài)聲場，暫穩(wěn)態(tài)聲場的數(shù)據(jù)采集過程中聲場能量有微小變化，這個變化可以忽略。關(guān)于超聲波束的正確理解4常規(guī)超聲檢測中，關(guān)于超聲波束，在很多論文和教科書中都采用如圖2(a)所示的畫法，圖中波束構(gòu)成元素為聲束軸線、邊界角(擴散角)、邊界線。這樣的畫法很簡明，但是容易引起誤解，比如存在以下誤解：①波束有邊界；②邊界線以外沒有超聲能量；③在波束邊界內(nèi)的缺陷才能被發(fā)現(xiàn)。實際上所謂波束邊界是不存在的，如果一定要用線條來描述波束形狀，需引入等聲壓概念，用等聲壓線或等聲壓面表示，如圖2(b)所示，圖中給出了-6，-12，-20dB等3條等聲壓面。圖2超聲波束邊界線示意應(yīng)該按照圖2(c)所示來正確理解超聲波束：圖中灰度大小代表能量(聲壓)高低；灰度在圖中的工件內(nèi)處處存在，表明能量遍布于工件內(nèi)；能量集中可能形成束，但不存在可見的波束邊界。理論上的等聲壓線或等聲壓面概念可以成立，但是實際上它們是看不見摸不著的。文章下面的討論凡涉及波束邊界的地方都采用等聲壓線/面來描述；關(guān)于場測量概念則需通過灰度/色度圖去理解。

全聚焦相控陣聲場特性研究從4個方面研究全聚焦相控陣聲場特性：小晶片多次發(fā)射的影響，大窗口長時接收的影響，目標區(qū)細分和聚焦的影響，信號疊加平均處理的影響。全聚焦相控陣獨特發(fā)射方式的影響1探頭陣元的單個晶片尺寸很小(邊長3mm)，一個信號周期內(nèi)，所有晶片激發(fā)一次，要激發(fā)很多次(64次)，這是全聚焦相控陣超聲發(fā)射的特點，這會給超聲場帶來影響，有關(guān)討論如下。01小晶片發(fā)射的超聲波束邊界角比較邊長為24mm的方晶片(常規(guī)脈沖反射法超聲)與邊長為3mm的方晶片(全聚焦相控陣探頭陣元)的波束邊界角，進而討論其對聲場的影響。不同形狀尺寸：不同波型的聲束邊界角可用式(1),(2)計算：sin

γ1/c1

=sinγ2/c2

(1)sinγ=Fλ/D

(2)式中：γ為折射角(此處為55°)；c為聲速(工件中縱波聲速cL＝5.95mm/μs，橫波聲速cS＝3.23mm/μs；聚苯乙烯楔塊中縱波聲速cP＝2.4mm/μs；λ為介質(zhì)中的波長；D為圓晶片直徑；F為擴散因子。因為擴散因子數(shù)據(jù)是關(guān)于圓晶片的，而陣列探頭陣元是方晶片，需要用式(3)進行換算：D=2α/π1/2

(3)式中：α為方晶片的邊長。邊長為3mm方晶片，頻率為5MHz，折射角為55°的橫波和縱波斜探頭，以及晶片邊長為24mm，頻率為5MHz，折射角為55°的縱波斜探頭，在鋼中等聲壓線為-6，-12，-20dB時的邊界角計算結(jié)果如表2所示，繪制的探頭超聲波束擴展情況如圖3所示。圖3不同晶片尺寸探頭、不同波型時的波束聲壓邊界角根據(jù)計算結(jié)果討論晶片尺寸和波型對波束邊界角的影響，得到以下結(jié)論：(1)晶片尺寸越小，波束邊界角越大，波束覆蓋范圍也越大。全聚焦相控陣單個陣元晶片尺寸很小，所以波束邊界角和波束覆蓋范圍比常規(guī)脈沖反射法的大很多。(2)由于縱波聲速比橫波聲速大，波長長，所以縱波的波束邊界角比橫波的要大很多，波束覆蓋范圍也大很多。這也意味著縱波聲場的聲壓分布比橫波聲場的更均勻。(3)縱波比橫波更有利于上表面附近區(qū)域的檢測。3mm晶片縱波、-12dB聲壓的波束上邊界角超過90°，相比之下，3mm晶片、橫波-20dB波束上邊界角也沒有達到90°，說明采用縱波比橫波更有利于擴大聲束覆蓋范圍，減小上表面盲區(qū)，檢出上表面缺陷。02

小信號多次發(fā)射的影響在一個信號周期內(nèi)，全聚焦相控陣系統(tǒng)對陣列探頭的每一個陣元逐個激發(fā)，共發(fā)出64個脈沖。這種小晶片多次發(fā)射與孔徑相等的大晶片一次發(fā)射的差異，以及對聲場的影響可以從兩個方面考慮：一是向聲場注入的能量大小；二是與聲場持續(xù)作用時間的長短。(1)探頭向聲場注入能量的定量計算涉及多個環(huán)節(jié)，其中不確定因素較多，例如施加于晶片的電脈沖能量、激發(fā)晶片消耗的能量、小晶片和大晶片的電聲轉(zhuǎn)換效率差異等。定性判斷則比較簡單：輸入多個電脈沖的能量之和肯定大于一個脈沖的；多次激發(fā)晶片施加的能量之和應(yīng)該不小于一次激發(fā)的；受激小晶片的電聲轉(zhuǎn)換效率應(yīng)該高于大晶片的，因此前者向聲場注入的能量比后者注入的應(yīng)該更多一些。(2)對于多次發(fā)射小信號所建立的聲場與一次發(fā)射一個大信號所建立的聲場，筆者認為應(yīng)該有所不同，前者是瞬時過程，后者是持續(xù)過程。另外，全聚焦相控陣采用有序小位移的發(fā)射方式，以小時間/位移差依次發(fā)射小聲脈沖持續(xù)作用于聲場，應(yīng)該有利于反映目標區(qū)的細節(jié)，為檢測提供更多信息。大窗口長時接收信號的影響2探頭從聲場接收的能量與探頭晶片面積(窗口面積)和接收信號的持續(xù)時間有關(guān)。一個信號周期內(nèi)全聚焦相控陣探頭整個晶元陣列(64個陣元)同時打開接收回波信號，每個晶片依次接收64次，共接收4096個A掃信號，對比常規(guī)探頭的整個晶片只接收一個A掃信號，前者接收的能量或信息遠遠超過后者接收的。目標區(qū)細分和聚焦的影響3全聚焦相控陣將目標區(qū)劃分成65536個微小空間，每一個微小空間對應(yīng)于一個3D圖像中的一個像素點。通過計算機的聚焦計算截取所有4096個A掃信號中與某一個像素點相關(guān)的部分，進行疊加平均處理，得到該點的信號幅值(色度)。直至65536個像素點全部處理完畢，才完成一個信號全聚焦過程。該過程具有兩個優(yōu)點，一是目標區(qū)細分保證了所有微小空間中的能量細微變化都能探測得到；二是聚焦有利于減小噪聲，尤其全聚焦相控陣所采用的獨特的有序小位移發(fā)射方式和回波信號聚焦處理方式，有利于降低結(jié)構(gòu)噪聲。信號疊加平均處理的影響4疊加平均處理是數(shù)字信號處理中最常用的手段，通過疊加平均能有效降低噪聲，提高信噪比。該過程實際上是一個能量/質(zhì)量轉(zhuǎn)換過程。全聚焦系統(tǒng)接收的能量比以往各種超聲方法接收的能量大得多，這就為轉(zhuǎn)換提供了條件。疊加平均信號處理的原理如圖4所示，將探頭在固定位置采集的N個A掃信號疊加再除以N，由于有效信號的到達時間是固定不變的，而噪聲信號(主要是電噪聲)是隨機的，所以處理后有效信號幅度不變，噪聲信號幅度降低。信號疊加平均處理后，信噪比計算式如式(4)所示：SNRa=N1/2

SNRs

(4)式中：SNRa為平均處理后的信噪比；SNRs為平均處理前的信噪比；N為疊加次數(shù)。圖4信號疊加平均處理的原理示意全聚焦相控陣系統(tǒng)的信號疊加平均次數(shù)是海量的，所以輸出信號的信噪比非常高。以64陣元探頭為例，探頭在一個位置上接收的A掃信號有4096條，也就是說要進行4096次疊加平均處理。按照公式計算，全聚焦相控陣信號的信噪比是常規(guī)脈沖反射法超聲信號的64倍，換算成分貝數(shù)為36dB。小結(jié)(1)

接收能量大。由于小晶片多次發(fā)射和大窗口長時間接收，全聚焦相控陣探頭接收的能量遠大于常規(guī)超聲探頭接收的。接收能量大意味著靈敏度高，能探測到更大區(qū)域的更多微小信號，并且為后續(xù)的信號疊加平均處理創(chuàng)造了條件。(2)

聲場聲壓變化平緩。小晶片發(fā)射的寬波束和海量信號的疊加平均改變了全聚焦相控陣聲場的聲壓分布，其不同位置上的聲壓變化比常規(guī)脈沖反射法的超聲聲場平緩，且近場區(qū)影響小。兩種聲場的聲壓分布差異如圖5所示：圖中黑色曲線為脈沖反射法活塞波聲場的聲壓曲線，紅色曲線為全聚焦相控陣聲場的聲壓曲線。聲壓變化平緩意味著全聚焦相控陣系統(tǒng)信號記錄和顯示范圍更大，檢測有效范圍也更大。圖5聲束軸線上聲壓分布和聲束橫截面上聲壓分布差異(3)

目標區(qū)中所有點的能量狀態(tài)都能被探測到。小晶片多次發(fā)射使超聲能量充斥于整個目標區(qū)體積中；目標區(qū)細分和聚焦使探