APP下载

超声成像检测研究进展

2022-12-02张碧星阎守国

关键词:导波纵波换能器

张碧星,张 萍,阎守国,黄 娟

(1 中国科学院 声学研究所 声场声信息国家重点实验室,北京 100190;2 中国科学院大学, 北京 100190)

超声成像检测是一种利用超声波在介质内的传播特性并以反射或透射声波作为信息载体的可视化图像检测方法。近年来,超声成像检测技术取得了长足的发展,与其他成像方法相比,例如:电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、红外热成像(infrared thermal imaging,ITI)等,超声成像检测具有安全性高、速度快、成本低等优势,因此被广泛应用于工业无损检测(nondestructive testing,NDT)[1-2]和医学诊断[3]等领域。

在工业无损检测中,对于各种设备材料,其内部经常存在多种缺陷,有的缺陷在使用前就已经存在,有的缺陷是在材料服役过程中由于周围环境的影响和作用(如腐蚀和疲劳)而产生。这些缺陷对设备材料的安全使用至关重要,不同类型的缺陷对材料的危害程度也有所不同[4],故对设备材料及结构进行无损检测和安全评估是一项非常重要的工作[5]。然而,由于缺陷往往存在于材料内部,无法通过视觉方式直接观察,必须利用特殊方法进行检测[6],超声成像检测是一种重要的无损检测方法。随着科学技术的不断发展,人们对超声成像检测的要求越来越高,希望观察到更加细微的缺陷及其结构。本文针对工业无损检测领域,对几种重要的超声成像检测方法及其发展现状进行回顾和总结,在此基础上,对超声多波成像检测方法的研究和发展趋势进行分析和展望。

1 基于自适应和动态聚焦的成像检测

本节主要分析声波时间反转、超声相控阵、合成孔径和全聚焦等成像检测方法的发展现状。声波时间反转法是一种自适应聚焦的成像方法,超声相控阵、合成孔径和全聚焦方法则属于动态聚焦的成像检测方法。

1.1 时间反转成像

声波时间反转(time reverse, TR)是一种自适应聚焦技术,它不需要介质和换能器阵列性质和结构的先验知识就可以实现声波自适应聚焦。该方法是法国科学家Fink最早将光学中连续波的相位共轭法引入到声学领域并推广到脉冲波的时间反转法,实现了声波的自适应聚焦与成像检测,在超声无损检测等领域得到了快速发展和应用。

在没有耗散的声传播介质中,波动方程具有时间反演不变性,如果声波位移场u(r,t)是波动方程的解,那么u(r,-t)也是波动方程的解,u(r, -t)就是时间反转声场。在实际情况中,要构建完整的时间反转声场是很困难的,也是不可能的,大多都是采用时间反转镜(time reversal mirror, TRM)进行近似处理。假如一个声源S向外发射声波并在介质中传播,在不同位置用换能器或阵列进行接收,不同阵元接收到的波形具有不同的到时和波形结构。将换能器各阵元记录到的信号按时间先后进行反序处理,将反序后的信号重新加载到对应的各阵元上进行激励,这时各阵元发出的声波经过介质后将自动地在原声源位置处实现聚焦。这时,每一个换能器阵元就是一个时间反转镜,类似于光学中的平面镜,使声波按原路返回。但由于换能器阵元的个数有限,不能在空间每一点上进行采样,且每一阵元记录声波的时间点数也有限,因而时间反转声场在原声源处存在空间和时间上的旁瓣。阵元数越多,各阵元记录的时间点越多,则时间反转声场的空间和时间旁瓣就越小。

Fink研究组在声波时间反转研究上做出了杰出的工作,取得了大量研究成果,不仅在原理和方法上对时间反转自适应聚焦进行了研究和论证[7-11],而且还针对固体介质[12]、分层介质[13]、波导介质[14]、非均匀介质[15]等开展了大量的时间反转理论和实验研究,并将时间反转法应用到航空航天用钛合金材料检测[16]和医学上肾结石及胆结石粉碎[17]研究中。这些研究表明,时间反转法在各种复杂介质和结构中都能实现自适应聚焦,在不规则界面和强噪声介质中具有独特的技术优势。之后,Fink研究组还发展了TR循环迭代方法[18],可选择具体目标信号进行TR循环迭代处理,使目标信号不断聚焦和加强,而其他信号相对减弱,该方法在弱信号检测中特别有效。并在此基础上提出了DORT方法[19-20],通过TR算子本征值和本征矢量,得到了与每个本征值对应的目标信号,将DORT方法和TR循环迭代相结合,就可对所有目标信号进行识别和检测,实现了多目标的检测与区分。

TR是自适应的聚焦方法,能使来自不同路径的波[21-22]以及不同类型的波[14, 23]实现同时聚焦。声波时间反转法是声学互易原理的结果,其自适应聚焦特性具有重要的科学意义。时间反转法虽然能自适应地实现声波聚焦,但时间反转法本身不能对缺陷实现定位,必须借助其他方法或者介质的先验知识等才能对缺陷实现定位。早期的时间反转法不能用于定位,后来采用虚拟TR过程并结合介质先验知识形成了虚拟时间反转法[24],实现了目标的检测和定位。

近年来,人们对TR法进行了不断改进,如TR-MUSIC法[25],该方法是基于多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)的TR算法,可得到散射体的超分辨率图像,还可应用于对点散射体密度和相关参数的有效估计[26]。研究表明,TR-MUSIC方法能分辨出距离瑞利极限更近的横向目标,实现超分辨成像,还可在强噪声情况下,抑制伪影并得到稳定的图像[27]。另一个典型的改进是ACU-TR法[28],该方法是结合了空气耦合超声(air-coupled ultrasound)的TR算法,它可以补偿衍射效应,从而进行复合材料板材的无损检测,极大提高了空气耦合超声无损检测图像的横向分辨率。另外,将TR与逆时偏移相结合可区分界面和界面附近的缺陷目标[29]。虽然近年关于TR研究的文献较多,但大多都是将TR应用于具体介质和目标对象的自适应聚焦与成像研究。

TR聚焦方法不适用于非线性和耗散介质,但经过适当改进后也能在非线性和耗散介质中较好地实现聚焦和成像检测[30-31]。例如:Dauson等[32]采用时间反转非线性弹性波谱法可以将声能聚焦到材料中所需位置,可以检测到实验室井筒的早期损坏迹象。

1.2 超声相控阵成像

超声相控阵技术是源于电磁波相控阵雷达技术的原理,超声相控阵初期主要在医学诊断和医学治疗[33]上使用,现在被广泛应用于工业无损检测中。

超声相控阵由多个独立的阵元组成换能器阵列,通过电子系统控制每个阵元发射信号的延时和幅度形成相控阵聚焦声束,通过不断控制和改变聚焦声束的形状和方向,在不需要移动或少移动相控阵换能器探头位置情况下,实现较大范围的扫描与成像检测。随着声束偏转方向和焦点位置的不断变化,声束对介质区域实现全方位的扫查,这是聚焦发射过程。随后对换能器各阵元接收到的信号根据焦点位置不同施加相应的时间延迟进行虚拟聚焦,以实现对相应声束扫描区域的成像,这是聚焦接收过程。相对于传统的单探头换能器成像方法,超声相控阵利用各阵元的灵活性对信号的聚焦发射和聚焦接收两个过程均进行动态聚焦,从而可提高回波信号的信噪比和成像分辨率,并达到实时成像的效果。

随着计算机技术的快速发展和换能器阵列制作工艺的不断提高,超声相控阵检测作为一种新型超声成像检测技术,最近二三十年来在工业无损检测领域得到了飞速发展。1992 年,美国通用电气公司成功研制了数字式超声相控阵实时成像系统;之后,Hatfield等[34]提出了高集成度超声相控阵系统,实现了手持式操作,加拿大R/D Tech公司较早地推出了便携式相控阵成像设备,以及相关的相控阵产品[35],在超声相控阵产业化应用方面占据领先地位。随后,国内外许多研究机构和公司在超声相控阵研究上也取得了很大进步,相继推出了越来越成熟的商业仪器和设备[36-37]。

对于外形复杂、具有不规则界面的被检对象,传统的超声检测非常困难,常常在遇到复杂界面时,需要改变探头的位置和方向,检测效果差。而超声相控阵检测技术具有声束灵活可控、覆盖面积大、检测精度高等优势,因而在各种复杂情况下都取得了成功的应用,例如:在汽轮机叶片和涡轮圆盘检测[38-40]、管道焊缝检测[41]、火车轮轴检测[42]、核电站[43]和航空材料检测[44]、大型锻造钢件检测[45]、复合材料检测[46]、井壁成像检测[47-48]等应用领域,超声相控阵技术发挥了极为重要的作用。

相对超声相控阵的成功应用,超声相控阵换能器辐射声场的研究与分析相对较晚。陈启敏等[49]对相控阵超声换能器声场进行了实验分析;Wooh等[50]较为系统地研究了一维线性相控阵声场的聚焦特性,详细分析了相控阵换能器参数对旁瓣和栅瓣的影响。对于环形相控阵声场,Dupenloup等[51]和Zhang等[52]研究了超声聚焦特性及其与阵列参数的关系。对于柱面凹形相控阵声场,Fleury等[53]和Zhang等[54]分析了超声聚焦过程并对套管井壁进行了成像研究,董晗[55]将柱面凹形相控阵探头应用于井壁成像检测系统,克服了常规技术中探头旋转带来的困难。对于柱面凹形相控阵,王文龙等[56]、张碧星等[57]和Wang等[58]深入研究了聚焦声场特性及栅瓣控制方法。对于二维相控阵列,Mckee等[59]对水浸状态下具有双曲面轮廓的试件进行三维成像研究,龙绒蓉等[60]发现二维圆形阵列比二维矩形阵列具有更窄的主瓣宽度和更低的第一级旁瓣。对于柔性相控阵,Jocelyn等[61]和Casula等[62]研究了在不规则表面检测时的声聚焦过程,这些研究为复杂条件下超声相控阵列探头的设计提供了可靠的技术参数。

此外,在超声相控阵声场仿真分析中,高斯声束法[63-64]可以快速有效地模拟相控阵辐射声场,相比于波动方程的精确求解能降低几个数量级的计算量。Newberry等[65]将高斯函数展开法应用于圆形活塞声源辐射声场的计算;Spies等[66-67]利用多元高斯声束模型计算了非均匀多层介质内的超声传播;Huang等[68-69]将多元高斯声束模型扩展到各向异性奥氏体不锈钢介质中;赵新玉等[70]利用多高斯声束模型进一步模拟计算了超声相控阵声场的聚焦特性;Ye等[71]提出了一种基于相控阵的线性相位多高斯波束模型,成功预测了异种金属焊缝中的相控阵聚焦声场。高斯声束法为相控阵声场仿真提供了较好的计算基础。

常规超声相控阵成像检测技术基于信号延时和幅度来控制声束的聚焦和偏转,可以实现不同角度的实时扫描成像。但是为了确保成像实时性,超声相控阵列发射声束的数量和聚焦点数相对受限,导致检测精度和分辨率相对一般,这使得成像精度更高的超声相控阵后处理成像研究得到了越来越多的重视。

1.3 合成孔径成像

20世纪60年代,Flaherty等[72]在超声成像领域提出了合成孔径的概念。此后,合成孔径聚焦技术(synthetic aperture focusing technique, SAFT)广泛地应用于超声检测领域。相比于传统聚焦技术,SAFT作为一种超声后处理方法,能够将小孔径换能器阵列合成为一个大孔径阵列,以提高纵向检测深度和图像分辨率,在使用同样换能器阵列探头的情况下,可得到更高分辨率的重建图像,为缺陷的成像和定性分析提供更好的技术基础。

SAFT成像方法采用孔径较小的换能器阵列(单阵元或阵元数较少的阵列)在某位置发射并接收来自反射体的回波信号,之后该阵列移动到另一位置再发射并接收回波信号,以后以相同的扫描步距依次在不同位置处发射并接收反射回波信号[73];最后,将不同位置处该阵列接收到的回波信号按照特定的时间延时和幅度规则进行叠加形成波束形成算法[74],从而得到目标点的聚焦和成像信号。此过程相当于把小孔径在不同位置的信号看为一个位置固定不动的大孔径中不同阵元接收到的信号,是将一个小孔径合成为大孔径的过程。

合成孔径效果主要是由波束合成和成像方法所决定,国内外工作者开展了大量的研究。近年来,国外学者主要对SAFT成像算法进行了多种改进,Chang等[75]提出用平面波代替球面波的合成孔径聚焦方法以减小超声衍射扩展效应的影响,其横向辐射波束宽度小于传统SAFT的波束宽度;Skjelvareid等[76]提出了圆柱形扫描的SAFT算法,对于宽波束换能器可产生更低的旁瓣和更高的分辨率;针对超声成像的具体对象,将SAFT和其他方法相结合会取得更好的效果。Skjelvareid等[77]将合成孔径聚焦与虚拟源相结合扩大了换能器的扫描范围,可应用于管道表面的腐蚀检测并获得较高的横向分辨率。针对工业大型锻件中小缺陷的检测问题,Fendt等[78]将SAFT和迭代反演方法相结合,可对多种小缺陷进行检测和定位;Castano等[79]研制出适用于SAFT检测的水射流耦合系统,可应用于钢轨的在线SAFT成像检测;Lin等[80]进一步将SAFT应用到多层混凝土的检测与成像,提高了混凝土成像检测的准确性。

国内对超声合成孔径的研究相对落后。孙宝申等[81-83]较早研究了合成孔径超声成像及相关算法。近年来,国内针对SAFT的研究也逐渐增多,但大多是跟踪国外的研究并稍做拓展。朱新杰等[84]研制出合成孔径超声SH导波成像检测系统,并应用于钢板的合成孔径SH导波成像检测。王东亚等[85]将FPGA应用于合成孔径均匀采样的波束合成算法,可实现SAFT的实时成像。杜英华等[86]发现多阵元非聚焦的声场更适合于合成孔径聚焦超声成像,并根据这个原则进行了成像实验,结果表明多阵元合成孔径聚焦超声成像可以获得比单阵元合成孔径聚焦成像更高的成像质量和分辨能力。谢雪等[87]将SAFT应用于超声衍射时差(time of fight diffraction, TOFD)检测,有效降低了干扰衍射信号的影响。周正干等[88]将频域合成孔径聚焦技术和半波高法结合进行缺陷定量评价,该方法可提高缺陷检测精度且受检测深度的影响不明显。富志凯等[89]提出基于幅度补偿的超声SAFT成像方法,与传统SAFT相比其具有更高的信噪比和成像分辨率。为实现双层介质的快速超声成像,陈尧等[90]等将虚拟源与频域SAFT相结合得到了合成孔径检测图像,可直观显示非规则界面形状及内部缺陷位置。张棣等[91]采用超声合成孔径技术,将轮廓线转换为云数据,并根据探头移动方向与轮廓线的位置关系可以对物体实现三维成像。

1.4 全聚焦成像

2005年,Holmes等[92]首次提出了超声全聚焦算法(total focusing method, TFM)的概念,该方法采用超声相控阵换能器上的所有阵元对成像区域内的每个拟定焦点进行聚焦[93]。首先,利用超声换能器阵列进行全矩阵数据采集,具体方法是第一个阵元发射激励信号所有阵元接收反射回波;然后,第二个阵元发射激励信号所有阵元接收回波;以此类推,所有阵元依次发射激励信号然后所有阵元接收回波信号。对于特定的焦点,计算换能器所有阵元关于该点的时间延迟,再将全矩阵回波数据按照这个延时规则进行叠加得到关于该焦点的聚焦及成像信号,当这个特定焦点遍布扫描区域时,就得到了整个扫描区域的图像。

与常规相控阵超声成像方法相比,TFM可以使各阵元声束在检测范围内的每一个虚拟焦点处聚焦,具有很高的检测精度和信噪比。但是,TFM要求每个阵元依次发射所有阵元接收,存在巨大的数据处理和运算,对实时成像提出了巨大挑战。近年来,国内外研究者在硬件和软件上开展了大量研究工作,使TFM成像越来越成熟,越来越实用。Wilcox和Holmes等[94-95]在TFM基础上提出了向量全聚焦成像算法(vector total focusing method, VTFM),实现了对缺陷类型和几何特征的区分。考虑到固体中的波型转换,Zhang等[96]和Budyn等[97]提出了对同一区域进行多方位多视图的全聚焦方法(multi-view total focusing method, MTFM),MTFM可对缺陷进行分类,能区分波长尺度的体积型缺陷和裂缝型缺陷。Saini等[98]研究和测试了纵波传播模式下TFM对表面裂纹的表征能力,通过数值计算确定了该方法测量裂纹的尺寸范围,优化了成像算法的可控参数。Villaverde等[99-100]将TFM与时间反转及空间编码相结合,提高了TFM在复合材料和粗晶等强噪声材料中的检测效果,较大程度地提高了信噪比。对于焊缝检测,Sumana等[101]提出了可增加特定方向传输能量的角波束虚拟全聚焦方法(angle beam virtual source full matrix capture-total focusing method, ABVSFMC-TFM),该方法在镍基合金锻件检测中取得了良好的应用效果。

国内研究者也对TFM成像方法展开了深入研究。周正干等[102]对TFM在楔块中的能量衰减进行了校准,改善了TFM图像中的能量均匀性,降低了缺陷的漏检率和检测误差。胡宏伟等[103]研究了两层介质全聚焦成像时的稀疏矩阵算法,提高了传统TFM的计算效率。李文涛等[104]提出了基于环形超声阵列换能器的全聚焦方法,实现了钛合金试样中平底孔和横孔缺陷的高精度检测。张昊等[105]研究了断层扫描的TFM三维成像检测方法,得到了缺陷的三维图像及缺陷分布情况。焦敬品等[106]采用相位特征参数对TFM成像进行幅值加权处理,发现相位加权的TFM成像效果明显优于常规TFM,在裂纹方向识别和长度测量上更加准确。杨敬等[107]提出了一种各向异性焊缝检测的TFM,可明显降低奥氏体钢焊缝区域内缺陷定位的误差。吴斌等[108]将多模式TFM成功应用于奥氏体钢小径管的焊缝检测,提高了信噪比,实现了小径管的多模式TFM检测。

超声相控阵、合成孔径和全聚焦都是关于超声阵列的成像方法,能实现声束可调,将各阵元信号按照一定的延时和幅度规则进行叠加处理。近年来,人们又将超声相控阵成像与合成孔径及全聚焦方法结合起来,在提高图像分辨率等方面取得长足进展。Sinclair等[109]利用合成孔径算法改善了超声相控阵超声检测图像分辨率;施克仁等[110]在提高超声相控阵三维成像分辨率方面提出了相位畸变修正方法;Quaegebeur等[111]使用一种基于相关性的全聚焦方法,实现了超声相控阵发射接收检测数据的成像。这些研究对超声成像技术的发展起到了推进作用,随着电子硬件和软件技术的发展,超声阵列成像将朝着三维实时成像方向发展。

2 基于频散导波和多波聚焦的成像检测

本节主要分析宽带频散导波和多波的聚焦与成像。宽带导波具有频散效应,而多波是指介质中存在纵波、横波和导波等多种波型的传播。宽带频散导波成像和多波成像具有独特的技术优势,目前的研究还处在理论和实验研究阶段,有待进一步发展。

2.1 宽带导波的聚焦与成像

宽带导波聚焦是一个富有挑战性的研究课题。目前,超声导波的聚焦与成像在超声检测中越来越重要,已有不少的理论与应用研究报道,但基本都局限于常速度或窄带导波的聚焦与检测,将导波的传播速度作为常数来处理。然而,导波的频散效应在实际检测中不可避免,研究宽带频散导波的聚焦与成像具有重要的意义。

导波具有多模和频散特性。针对导波多模的复杂性,通常策略是有选择性地激发单一模式,然而不同模式适用的目标不同,因此单一模式的选择与缺陷的识别存在矛盾。单一模式导波的选择与控制,通常需要采用准单频激发信号,而不是脉冲信号,还需要考虑分辨率与所需模式的特征等[112-118]。

为了避免导波的频散效应,一般选择具有常速度或准常速度的模式来进行检测[119],已有大量工作将超声相控阵技术应用于常速度的导波进行检测[112, 115-116,118,120]。然而将导波控制在常速度范围内并不容易,为克服导波的频散特性,可通过先验频散曲线进行补偿来消除导波的频散效应[121],实现频散导波的聚焦与成像[122-123]。

近年来,本课题组一直致力于宽带导波的聚焦与成像检测研究。张碧星等[124]提出了宽带导波相控阵的聚焦方法,实现了宽带导波的聚焦与成像。首先,假定在介质参数已知的前提下,对导波的激励信号进行预处理,达到导波在预设焦点处聚焦的目的。在直角坐标系下,假设导波沿x方向传播,声源位于坐标系原点,则

(1)

其中:u(x,t)和u(x,ω)分别为导波在时间域和频率域的位移分量;F(ω)是激励声源的频谱函数;ω是角频率。如果导波在所考虑的频段范围内具有N个模式,则

(2)

其中:Aj(ω)和kj分别为第j个模式的幅度和波数,kj=ω/cj,cj为第j个模式的相速度,是频率的函数。

对于给定的介质参数,不难得到各导波模式的频散曲线及相速度。由式(1)可知,对于不同的声源激励函数,可得到不同的导波位移;并且式(2)表明不同模式不同频率分量的导波具有不同的相位,从而造成散焦。对于给定的介质参数和目标位置x,可以设计出一种声源激励函数,使得不同模式不同频率分量的导波都同相到达目标点实现聚焦。例如:将原点处的声源频谱函数由F(ω)变为

(3)

则目标点x处的导波位移分量相应地由u(x,t)变为

(4)

由于对u(x,ω)取绝对值,不同模式不同频率分量的导波都将同相到达目标点,从而实现聚焦。

显然,还有多种声源频谱函数都能实现聚焦,下面给出了两种不同频谱函数和目标点导波位移形式:

(5)

(6)

公式(5)给出的就是时间反转法的结果,可见在宽带导波聚焦方法中,时间反转法是有效方法之一。事实上,时间反转法是一种自适应聚焦法,对于非导波情况都能实现聚焦。

以上方法表明,通过设计新的声源激励函数就能实现宽带导波聚焦,不同声源激励函数聚焦的效果稍有不同。文献[125]对这些方法进行了详细研究和分析,结果表明由公式(3)和(4)给出的聚焦效果最好;时间反转法虽然是一种很好的自适应聚焦方法,但对宽带导波聚焦,在时间上的压缩效果不如公式(3)。本课题组[126]还针对含低速夹层的3层半空间介质模型,采用16阵元的超声换能器阵列,得到半空间自由表面上的声场分布,如图1所示。在焦点处,各种频率的导波同时到达,在时间上高度压缩实现聚焦;而其他位置处,不同频率的导波到达时刻不同,波形在时序上延展较长。

图1 宽带导波在分层半空间表面上聚焦声场的瞬态分布

聚焦的导波信号遇到缺陷后会发生散射,导波散射后仍然会因为频散效应造成散焦,因此在宽带导波的聚焦接收与成像过程中需要对频散效应进行补偿。对于多模式的宽带导波,本课题组提出了一种基于频散补偿的缺陷定位成像算法[127-128],通过对兰姆波回波信号进行聚焦接收处理实现了板中缺陷的检测与成像。

频散导波的聚焦与成像需要针对每个焦点计算每一阵元的发射信号,与普通超声相控阵相比,计算量稍大;与声波时间反转成像的计算时间基本相同。

2.2 超声多波成像检测

近年来,融合多种成像方式和多波型成像是国内外声学成像领域的重要发展趋势,具有代表性的成像方法有多模式全聚焦成像[93]、多波聚焦与成像[129]、多波多分量勘探[130]等。Zhang等[93]提出了多模式全聚焦方法(multi-mode total focusing method, MTFM),利用多种模式转换的声波对目标散射系数矩阵进行分析与预测,和常规全聚焦方法相比,可以显著提高成像分辨率。Zhang等[129]提出了多波聚焦与成像方法,将固体介质中的纵波、横波和导波等多种波型同时进行聚焦与成像,和单一波型成像方法相比,不仅提高了回波信噪比,而且还增大了声波的扫描与成像范围。多波多分量勘探法主要应用于地球物理勘探中,是一种聚焦接收处理方法。

本课题组针对固体中的纵波和横波特点提出了多波聚焦的双脉冲法[131]。目前的超声相控阵只考虑了一种波型,因而换能器各阵元只发射一个脉冲信号,通过控制各阵元信号的时延和幅度来实现聚焦。在固体介质中,由于存在纵波和横波两种波型,如果换能器各阵元发射2个脉冲信号,使第1个脉冲产生的横波和第2个脉冲产生的纵波同时到达目标,那么就使纵波和横波在焦点处实现了同时聚焦,即双脉冲法的思路。当然第1个脉冲产生的横波和第2个脉冲产生的纵波将会在焦点周围形成旁瓣。

双脉冲法可以控制焦点处声场的偏振方向。第1个脉冲产生的横波S和第2个脉冲产生的纵波P同时到达焦点处(图2),它们的振动方向相互垂直,合成新的质点偏振方向M。焦点处的横波幅度受第1个脉冲信号幅度影响较大,而纵波幅度受第2个脉冲影响较大。因而,可以通过控制双脉冲法中两个脉冲信号的幅度比使焦点处的质点偏振方向沿任意方向。

图2 声场偏振方向示意图

在接收聚焦中,也可实现多波聚焦。针对双脉冲法,对换能器各阵元接收到的信号先按纵波时延进行叠加得到信号1,然后再按横波时延进行叠加得到信号2,最后将这两个信号1和2扣除纵波和横波的时延差进行相加,使信号1和2中的目标信号同相相加,得到多波聚焦的成像信号。在实际操作中,不断改变焦点位置并进行多波的聚焦发射和聚焦接收,直到焦点覆盖整个扫描区域,就完成了整个区域的多波聚焦与成像检测。

采用表1所示的换能器参数以及将含有缺陷的试块(图3)作为被检对象,试块内均匀地分布着13个直径为2 mm的圆形通孔缺陷,分别采用纵波聚焦、横波聚焦和多波聚焦得到了该试块的成像结果[132],见图4。

表1 实验所用相控阵换能器参数

图3 标准试块结构示意图

图4 不同聚焦方法的扇扫成像图

通过对比3种方法的成像结果可知,相比于单纵波扇扫成像多波扇扫聚焦成像结合了纵波和横波各自的激发与传播特性,有效提高了成像分辨率及扫描范围。

双脉冲法适用于介质中只存在纵波和横波的情况,在含有纵波、横波和导波的情况下,可采用时间反转法来实现多波聚焦。对于给定的焦点P,假设在焦点处放置一个给定的假想声源激励声场,并计算得到换能器第i个阵元接收到的信号Ai(t),将这个计算得到的信号时间反转后(时间序列上反序)并加载到换能器对应阵元上进行激励,按照时间反转法的原理,这时声场将自动聚焦在焦点位置处,即纵波、横波和导波都在焦点处聚焦,实现了多波聚焦。假想声源是为了使换能器激发的声场能在焦点处聚焦而假设的声源,通过假想声源可以得到换能器各阵元的激励信号Ai(t),在上述过程中,焦点处的假想声源并不存在。

在此基础上,本课题组还提出了一种多波全聚焦的成像方法[133-134],该方法只需各阵元进行一次激励,换能器各阵元接收到含有纵波和横波的缺陷回波信号。将换能器阵元i发射时,阵元j接收到的信号记为Sij(t),首先将所有的Sij(t)按照纵波时延叠加得到时间信号SP(t),然后再按照横波时延叠加得到时间信号SS(t),最后将SP(t)和SS(t)按照时间差(Δt)进行延时叠加,得到总信号,即是焦点P处的成像信号,可以表示为

(7)

利用公式(7)可得到多波全聚焦的成像结果。采用图3的定制试块进行成像检测实验,该试块的材料为20#碳钢,实验所用的换能器参数如表1所示。对实验数据分别进行全聚焦算法成像和多波全聚焦算法成像,结果如图5所示。

图5 两种算法的缺陷检测成像结果

多波全聚焦过程中计算两次时间信号的叠加,成像时间约为单波全聚焦成像时间的2倍。但是,通过对比图5a和图5b可以看出,多波全聚焦成像检测到的缺陷明显优于全聚焦算法成像。当偏转角度较小时,纵波检测起主导作用;随着偏转角度的增大,横波能量逐渐增加,多波全聚焦法得到的结果信噪比增加。多波全聚焦没有发射聚焦过程,效果没有多波聚焦效果好,但比单个波型的全聚焦效果好。由于全聚焦的技术优势,多波全聚焦将会得到进一步的应用。

以上研究和分析表明,融合多种成像方法和结合多种类型信息成像已经成为该领域的重要发展趋势[135],这也为超声相控阵成像检测提供了新的研究思路。

3 结语

超声成像检测技术作为一种常规的检测方法,在无损检测等众多领域中发挥着至关重要的作用。本文对超声成像检测方法在无损检测领域内的发展历程进行了综述,归纳了6种超声成像检测方法的研究进展,对比分析了这些成像检测方法的优缺点及应用场景,讨论了超声成像检测技术的发展趋势,并指出融合多种成像方法和多信息成像将可能是今后超声成像领域的重要发展方向。

猜你喜欢

导波纵波换能器
花岗岩物理参数与纵波波速的关系分析
增材制件内部缺陷埋藏深度的激光超声定量检测
换能器大功率下温升规律初探
利用超声无损检测导波法检测陶瓷涂层的厚度
卷簧缺陷检测的超声导波传感器研制
鼓形超声换能器的设计与仿真分析
两种多谐振宽带纵振换能器设计
超磁致伸缩复合棒换能器研究
变截面阶梯杆中的纵波传播特性实验
复合管道轴对称导波改进半解析有限元建模