相控陣超聲虛擬探頭的聲壓均勻性分析

相控陣超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域。近年來，工業(yè)領(lǐng)域的相控陣超聲檢測技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用范圍也越來越廣。相控陣探頭由一定數(shù)量的幾何和物理參數(shù)相同的陣元以矩陣的方式排列組成，實際應(yīng)用中通過組合排列一定數(shù)量的陣元，在多通道的延遲激發(fā)下，形成虛擬探頭聲軸線陣列或動態(tài)深度聚焦掃描，實際應(yīng)用中以線性掃描或扇形掃描最為常見，相較于常規(guī)超聲檢測，相控陣超聲檢測具有檢測靈敏度高、檢測速度快、適用范圍廣、可實現(xiàn)不同的探頭掃查模式、缺陷成像直觀、可實現(xiàn)三維成像等優(yōu)點，在工業(yè)檢測和產(chǎn)品質(zhì)量控制中占據(jù)了重要地位。文章以相控陣超聲一維陣列探頭與直楔塊組合為基礎(chǔ)，在一定的試驗條件下，通過測量探頭各陣元的增益值，分析了探頭陣元聲壓的離散性，同時測量不同陣元數(shù)虛擬探頭在固定聚焦深度下，固定深度的底面回波增益值，分析了其回波增益值的變化規(guī)律。相控陣超聲檢測試驗01試驗儀器試驗中所用儀器為多普樂Phascan32:64型相控陣超聲檢測儀，采用32陣元探頭（D2系列4L32-0.5-10）和直楔塊（型號SD2-NOL，高度20mm，主偏移23.25

mm，次偏移15

mm）進(jìn)行檢測，RB-1型超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)。試驗過程按照相關(guān)要求將楔塊和探頭用固定螺栓組裝完成，將其置于涂有耦合劑的RB-1試塊的中部，同時應(yīng)避免標(biāo)準(zhǔn)試塊上的橫通孔對底面回波的影響。耦合劑采用機油，試驗開始前利用探頭楔塊組合將機油均勻涂抹在標(biāo)準(zhǔn)試塊上，并不斷按壓，保證探頭楔塊組合與標(biāo)準(zhǔn)試塊的良好耦合，后將探頭楔塊組合固定于標(biāo)準(zhǔn)試塊上，并保證壓力恒定直至試驗完畢，單陣元激發(fā)試驗原理示意如圖1所示，多陣元虛擬探頭測試驗原理示意如圖2所示。圖1單陣元激發(fā)試驗原理示意圖2多陣元虛擬探頭試驗原理示意1單陣元激發(fā)試驗選定探頭和楔塊類型，設(shè)置聚焦法則中掃查模式為線性掃描，虛擬探頭中，起始和末陣元設(shè)置為1，陣元步進(jìn)值固定為1不變，后將檢測儀屏幕調(diào)整為A掃描的工作界面，設(shè)置合理的閘門起始位置、寬度和閾值，使其框住25mm處的底面回波，回到聚焦法則界面，依次增加起始陣元的順序號，如圖1所示。記錄各陣元單獨激發(fā)情況下，底面回波高度達(dá)到滿屏高度80%時的增益值。僅依靠各陣元的增益值，無法準(zhǔn)確反映其離散性，為此對各陣元的增益值取均值和標(biāo)準(zhǔn)方差，然后分析數(shù)據(jù)的離散情況。相控陣超聲檢測試驗數(shù)據(jù)如表1所示。表1相控陣超聲檢測試驗數(shù)據(jù)2多陣元虛擬探頭檢測試驗調(diào)整相控陣超聲檢測儀，設(shè)置聚焦法則中掃面模式為線性掃描，設(shè)置聚焦深度為40mm，虛擬探頭（孔徑）中，分別將起始陣元設(shè)置為1，末陣元設(shè)置為32和陣元步進(jìn)值設(shè)置為1固定不變，后將檢測儀屏幕調(diào)整為A掃描的工作界面，設(shè)置合理的閘門起始位置、寬度和閾值，使其框住25mm處的底面回波，回到聚焦法則界面，將虛擬探頭的陣元數(shù)設(shè)置為1，檢測界面下，記錄32組虛擬探頭底面回波高度達(dá)到滿屏幕高度80%時的增益值；后將陣元數(shù)設(shè)置為2，步進(jìn)值不變，記錄所有31組虛擬的探頭的增益值；依次增加組成虛擬探頭的陣元數(shù)，重復(fù)以上的步驟，可以得到不同陣元數(shù)情況下，探頭可組成的所有虛擬探頭的增益值。需要注意的是，如圖2所示不同陣元數(shù)設(shè)置所能組合出的虛擬探頭的數(shù)量是不同的。由于試驗數(shù)據(jù)量較大，筆者僅列出與分析方向相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)數(shù)學(xué)處理后的數(shù)據(jù)，即不同陣元數(shù)情況下，32陣元探頭所能組合的所有虛擬探頭在底面回波高度達(dá)到滿屏幕高度80%時的增益值均值和方差均值（見表1）當(dāng)虛擬探頭陣元數(shù)為32時，虛擬探頭個數(shù)為1，為了分析的連貫性，對單一增益值也做形式上的均值和方差。試驗數(shù)據(jù)分析02單陣元增益值離散性相控陣超聲檢測中，虛擬探頭是由一定數(shù)量的陣元按照一定規(guī)則組合而成的，其檢測靈敏度是依靠各個單陣元激發(fā)的聲場來決定，所以相控陣探頭各陣元所激發(fā)聲場的均勻性對虛擬探頭的檢測靈敏度具有主要作用，從試驗所得到各陣元單獨激發(fā)下增益值可以表征其均勻性，為了更能體現(xiàn)各陣元激發(fā)聲壓的離散性，筆者建立單陣元順序號與其增益值方差的坐標(biāo)系，分析各陣元單獨激發(fā)下的增益值離散性，單陣元的增益值方差分布曲線如圖3所示。圖3單陣元的增益值方差分布曲線從圖3中可以觀察到，探頭各陣元激發(fā)聲場的聲壓相較于均值具有離散性，在一定試驗條件下，各陣元激發(fā)的聲場能量并不相同，而是存在一定的波動性。相同的底面回波條件下，第3、4、29和30號陣元的離散性較其他陣元的大。可以推測，組成虛擬探頭的各陣元中若存在聲場離散性較大的陣元，勢必影響該虛擬探頭的聲場分布，進(jìn)而影響其聲軸線的位置和靈敏度，實際檢測應(yīng)用中，就需要利用軟件的方式對各虛擬探頭聲軸線的聲壓加以補償修正，以使各聲軸線的聲壓對同一缺陷具有相同的靈敏度，但當(dāng)組成虛擬探頭的各陣元聲壓波動較大時，則會引起軟件的過度增益補償或修正，這勢必會影響各虛擬探頭之間的協(xié)調(diào)性，從而影響檢出缺陷定位和定量的準(zhǔn)確性。試驗數(shù)據(jù)分析表明，相控陣探頭各陣元所激發(fā)的聲壓存在一定的波動性，而直接影響到一定數(shù)量陣元組成的虛擬探頭的聲壓穩(wěn)定性，故對于實際檢測應(yīng)用來說，探頭陣元聲壓波動性應(yīng)越小越好。虛擬探頭增益值的數(shù)據(jù)分析根據(jù)表1所記錄的試驗數(shù)據(jù)，筆者對不同陣元數(shù)所能組合的所有虛擬探頭的增益值進(jìn)行方差均值計算，當(dāng)虛擬探頭陣元數(shù)為1時，可以組合出32個虛擬探頭，則對32組虛擬探頭的增益值數(shù)據(jù)進(jìn)行方差計算，并計算32組方差的平均值；當(dāng)虛擬探頭陣元數(shù)為2時，可以組合出31個虛擬探頭，則對31組虛擬探頭的增益值進(jìn)行方差計算，并計算這31組方差的平均值，依次類推得到不同陣元數(shù)虛擬探頭的增益值方差均值，然后分析虛擬探頭陣元數(shù)量與其方差均值之間的關(guān)系，得到的關(guān)系曲線如圖4所示。圖4虛擬探頭陣元數(shù)與其增益值方差均值的關(guān)系曲線從圖4可以看出，虛擬探頭的陣元數(shù)由1變?yōu)?時，虛擬探頭的方差均值陡然下降，然后隨著虛擬探頭陣元數(shù)的增加，其整體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，且呈現(xiàn)出一定的波動性。首先，相較于單陣元，組成虛擬探頭的兩陣元所激發(fā)的聲場會發(fā)生疊加，增強了該虛擬探頭的聲壓，且兩陣元為相鄰陣元，其聲場幾乎可認(rèn)為是各單陣元的中心聲壓（聲軸線聲壓）的疊加，當(dāng)虛擬探頭的聲軸線聲壓增強時，將25mm底面回波幅度調(diào)整至滿屏幕高度80%時，增益值陡然下降，兩陣元之間的聲場互補，該情況下組合成的虛擬探頭數(shù)量較多，虛擬探頭增益值方差均值陡然下降；其次，其所表現(xiàn)的下降趨勢，主要是因為隨著陣元數(shù)的增加，組成虛擬探頭的各個陣元所激發(fā)的聲場對該虛擬探頭聲軸線聲壓均有貢獻(xiàn)，聲軸線聲壓是多個陣元聲場疊加的結(jié)果；再者，其所表現(xiàn)的緩慢下降，主要是因為隨著陣元數(shù)的增加，雖然虛擬探頭的總聲壓越來越大，但虛擬探頭邊緣的陣元距其聲軸線越來越遠(yuǎn)，虛擬探頭邊緣陣元所激發(fā)的聲場對其聲軸線的聲壓貢獻(xiàn)越來越小。由圖4中還可以看出，當(dāng)陣元數(shù)增加到一定數(shù)量時，方差均值變?yōu)?，即各虛擬探頭所接收到的回波聲壓趨于穩(wěn)定，也就是說，虛擬探頭陣元數(shù)的增加均衡了各陣元單獨激發(fā)聲場的強弱。因此，組成虛擬探頭的陣元數(shù)越多，其聲軸線上的聲壓越穩(wěn)定，可以避免因個別陣元激發(fā)聲場的離散性帶來的不利影響，但其缺點是會減少相控陣超聲探頭所能組合出的虛擬探頭數(shù)量，減少了聲軸線的數(shù)量，進(jìn)而影響檢測工藝方法中的聲場寬度，降低了掃描時聲場工件檢測區(qū)域的覆蓋寬度，也就降低了檢測效率。圖4中亦可見，當(dāng)虛擬探頭陣元數(shù)為26時，方差均值突然增加，有悖于整體的變化趨勢，這主要是因為當(dāng)虛擬探頭陣元數(shù)為26時，在探頭所能組合出的7個虛擬探頭中，有4個虛擬探頭都用到了第29、30號陣元，結(jié)合圖3中探頭各陣元的聲場離散性，29和30號陣元激發(fā)聲場的離散性相較于其他陣元的大，導(dǎo)致其所參與組成的虛擬探頭的聲軸線聲壓陡然變化。可見，相控陣超聲檢測工藝參數(shù)的選擇和確定時，若組成虛擬探頭陣元數(shù)較少，則可以組成較多的虛擬探頭，增加檢測中探頭聲場的寬度，提高檢測效率，但其缺點是虛擬探頭聲軸線總聲壓較小，即靈敏度較低，即使可通過提高基礎(chǔ)靈敏度的方式加以改變，也會導(dǎo)致信噪比的降低，不利于缺陷的檢出和判別，難以發(fā)揮相控陣檢測的優(yōu)越性；當(dāng)虛擬探頭的陣元數(shù)過多時，雖可以均衡各陣元激發(fā)聲場的強弱而減小離散性，但其缺點是檢測效率低；同時還應(yīng)該注意，組成虛擬探頭的陣元應(yīng)盡量避開聲場離散性較大的陣元。除此之外，虛擬探頭的陣元數(shù)量也并不是越多越好。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，由不同陣元數(shù)下，探頭所能組合出的所有虛擬探頭底面回波的增益值平均值，分析虛擬探頭的聲壓變化規(guī)律，虛擬探頭陣元數(shù)與其增益平均值的關(guān)系曲線如圖5所示。圖5虛擬探頭陣元數(shù)與其增益平均值的關(guān)系曲線圖5中縱坐標(biāo)代表陣元數(shù)一定時，步進(jìn)值為1的情況下，可組合出的所有虛擬探頭增益值的平均值。由圖5所示的變化趨勢可見，隨著虛擬探頭陣元數(shù)的增加，其增益值逐漸下降，值得關(guān)注的是當(dāng)虛擬探頭的陣元數(shù)增加到一定數(shù)量時，增益值出現(xiàn)拐點，轉(zhuǎn)化為反向上升趨勢，虛擬探頭激發(fā)的聲壓出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象，即此時不但不能提高虛擬探頭的靈敏度，反而會降低靈敏度，不僅會造成探頭陣元數(shù)的無效運用，而且無效陣元激發(fā)的聲場會引入雜波，影響缺陷影像的判別和分析。綜上所述，在相控陣超聲檢測中，為了避免單陣元聲場的離散性，虛擬探頭的陣元數(shù)量應(yīng)根據(jù)實際檢測情況確定一個最