超声相控阵成像方法研究

　　超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。近几年,随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术发展尤为迅速。笔者利用动态光弹系统观察超声波在固体中的传播特性,根据几何声程差来反演缺陷形状和大小,以得到所关心区域的B扫描图像。

　　1 动态光弹法研究超声相控阵

　　动态光弹法能够直接观察声波在透明固体内部障碍物的散射行为,有利于理解障碍物的散射特性。因此,根据玻璃与相应金属相似的物理性能,可以用玻璃来模拟超声波在钢、铁和铝等非透明金属材料中的传播规律。在散射体过于复杂,脉冲理论计算滞后于试验的情况下,除数值模拟外,动态光弹法能简单直观地显示散射过程。

　　试验所用晶片频率f=5MHz,阵元宽度d=2mm,阵元间距a=2mm,阵元数N=20,超声波纵波在玻璃块中的声速v=6000m/s,与钢中声速接近,因此,可以很好地说明超声波在钢件中的传播规律。

　　图1为单阵元发射超声脉冲在t=5.0Ls时刻超声波在固体中的传播路径光弹图。从图中可看出,走在最前面的纵波波前最亮,说明纵波波前的能量最大,走在后面的为横波,纵波在固体中的声速比横波大,与理论相符。

　　图2通过控制各个阵元的发射延时,使得20个阵元所发射超声波波前在同一时刻到达同一点,形成一新的合成波阵面,在焦点处相干叠加增强,而在其它区域叠加减弱,甚至抵消。图2可见,只要控制好时间延迟,超声波在所聚焦区域的能量将大大增强。

　　2 试验

　　试验使用IIW试块(即荷兰试块),在试块凹槽正上方贴有22个紧密排列的晶片阵列,晶片尺寸为22mmx1mm,厚度为0.3mm,材质为PZT-5,固有频率为6 MHz,阵元间距a=1mm。凹槽宽度为2mm,虚拟焦点坐标为(11.5mm,15mm)(图3)。用同一信号分别激励各个阵元,将回波信号采集存入计算机[1],采集的超声波回波信号为22x22个。根据各晶片到达虚拟焦点的位置,计算出声程差并转换成时间差,把原本同时发射的信号进行平移,虚拟延时发射,定点聚焦。试验分两步对信号进行聚焦处理。

　　第一步,将单阵元发射所有阵元接收的信号进行声程差聚焦处理,得到的信号为各单阵元在虚拟焦点处相干叠加的总回波信号。

　　图4所示为12号晶片发射超声波,所有晶片接收到的回波信号组图。图4a表示接收到的原始回波信号,由于凹槽在12号晶片的正下方,从图中可以看出第12号信号线走在最前面,图4b为原始回波信号(没有经过移相)的所有22个信号的累加和,可以看出由于各个信号之间存在相位差,叠加后信号的幅值并不大。图4c表示根据声程差对每一条信号线移相后的结果,从图中可以看出,移相后的各个信号在相位上基本保持一致。图4d中I为11号阵元接收到的编号,II为移相后所有信号的累加和,与图4b相比,其信号幅值提高一倍多,如果与图4d中I相比,信号在幅值上增大了6倍。依次类推,得到每一个单晶片发射超声波到达焦点处的叠加信号。第二步,将第一步中所得回波信号根据发射聚焦算法在焦点处聚焦,得到所有22x22个信号在焦点处的贡献。