全聚焦相控阵技术-声场特性原理与思考

由于全聚焦相控阵具有独特的声场特性和信号特性，可以采用一种“场测量”和“场校准”技术路线，不仅可以解决系统没有A扫显示给检测带来的困难，而且在焊缝检测的应用中具有优势

声场特性初探

“基于全矩阵数据采集(Full Matrix Capture，FMC)的全聚焦成像(TFM)相控阵超声检测技术”(以下简称全聚焦相控阵技术)的原理早由英国Bristol大学的HOLMES等于2004年提出。2014年法国研制出可用于工程现场的2D成像检测仪器系统，2017年中国研制出3D实时成像检测仪器系统。

十几年来，全聚焦相控阵技术一直是超声无损检测领域的研究热点，然而大多数研究均偏重理论和仪器系统方面，包括算法研究、数据处理速度、成像精度、三维成像、实时成像等，应用方面的研究则比较少，仅有少量针对具体结构的检测试验报道。

全聚焦相控阵的基本原理

1 全矩阵数据采集原理

图1 全矩阵数据采集原理示意

以阵元数为64的面阵(8×8)探头(试验仪器是国产全聚焦相控阵3D实时成像系统，配用的探头是8×8面阵探头，单个晶片尺寸为3mm，文中引用的数据和图像如果没有专门说明，都是来自该仪器系统)为例来进行说明：首先，激发探头的个阵元发射超声波，所有阵元都接收超声回波信号并保存；然后，依次激发其他阵元发射超声波，所有阵元都接收回波并依次存储，直至后一个阵元激发完，所有阵元接收完，得到一个含64×64=4096个A扫信号的数据集。

2 全聚焦成像过程

图2 全聚焦成像算法和成像原理示意

在探头前方的焊缝中设置一个目标区，目标区包含若干个(例如65536个)像素点，也就是信号聚焦点。将接收到的4096个回波信号(A扫)，对每一个像素点进行聚焦计算和叠加-平均处理。以点(x,z)为例，为了得到该点的超声回波幅值，将全矩阵数据集的所有信号在该点处进行叠加。该点幅值I(x,z)可表示为：

式中：exi,xj[ti,j(x,z)]为i阵元发射、j阵元接收的超声信号叠加到(x,z)位置的幅值；ti,j(x,z)为声波从阵元i发射到聚焦点(x,z)和从该点返回到阵元j所需的延迟时间。

ti,j(x,z)可表示为：

式中：xi,xj分别为发射阵元和接收阵元的横坐标；c为超声波在试块中传播的纵波速度。

当全部像素点处理完成后即形成目标区图像。

全聚焦相控阵声场特性思考

通过以上关于方法原理的描述可知，全聚焦相控阵技术与以往各超声检测技术(脉冲反射法超声、衍射时差法超声、普通相控阵超声等)存在不同，在研究该技术应用时，应该特别注意这一特点带来的影响。

为了开拓思路，先提一个问题：以一个8×8面阵64阵元全聚焦相控阵探头为例，如果该探头晶片面积(孔径)与常规探头晶片面积相同(见图3)，应该考虑两者在检测过程中建立的声场和接收的超声信号是否一样，如果不一样，差异在哪里。

图3 晶片面积相同的常规探头与相控阵探头晶片

01信号发射阶段的差异

一个信号周期中，常规探头整个晶片一次激发，而全聚焦相控阵探头的64个阵元晶片逐个激发(见图4)。由此思考，两者的注入能量、持续时间、声压分布、扩散角等是否存在不同。

图4 常规探头和全聚焦探头发射阶段的不同原理示意

02信号接收阶段的差异

一个信号周期内，常规探头整个晶片只接收一个回波信号，而全聚焦相控阵探头整个晶元阵列(64个阵元)同时打开接收回波信号，依次接收64次，共接收4096个A扫信号。由此思考，两者接收的信号波幅、接收持续时间、接收的总能量、信号的灵敏度、信噪比等是否存在不同。

03

信号处理阶段的差异

常规探头只接收一个回波信号，直接用于观察分析；而全聚焦相控阵探头(8×8面阵)一个信号周期内接收4096个回波信号，通过聚焦计算和叠加-平均处理，终形成一个聚焦点信号。目标区共有65536个(或更多)聚焦点。由此思考，两者的灵敏度、信噪比、图像分辨率等是否存在不同。

很明显，在以上3个阶段，全聚焦相控阵与以往各种超声方法都不相同，因此其在工件中建立的声场，以及从声场中获取的信号也不相同，这些差异能给检测带来怎样的改变。

为了理清思路而声明几个定义，这些定义并不违反有关超声理论和超声检测的应用规则。

(1) 声场的定义：给定有限空间内的声能量分布。

(2) 全聚焦声场的定义：全聚焦超声系统通过FMC-TFM过程施加于某一体积(目标区)的超声能量分布。

(3) 目标区的定义：为了研究FMC-TFM声场和进行全聚焦相控阵检测而人为设置的区域(体积)。对面阵列探头而言，目标区可设定为一个矩形体积，高度z等于焊缝母材厚度，宽度y等于焊接接头宽度(焊缝宽度+两侧热影响区宽度)；长度x(扫查方向)一般不超过探头孔径的1/2(见图5)。

图5 全聚焦相控阵3D目标区

(4) 暂稳态声场和稳态声场：探头不动时目标区声场称为稳态声场；探头缓慢移动时称为暂稳态声场，暂稳态声场的数据采集过程中声场能量有微小变化，这个变化可以忽略，不影响检测能力和可靠性。暂稳态声场测量结果是可重复的。

来源：《无损检测》2020年第1期

作者：强天鹏，杨贵德，杜南开，陈建华，张国强，龚成刚