全聚焦相控阵技术2-声场信号判断与试验验证

全聚焦相控阵超声的有关理论研究已基本完成，其仪器系统的研发也已取得成效，但其应用研究还相对滞后。强天鹏研究员从全聚焦相控阵的声场特性和信号特性入手，指出其与传统脉冲反射法的明显差别。通过理论分析和试验对全聚焦相控阵声场特性进行了初步验证。同时指出，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。

根据理论知识和经验，对全聚焦声场及从声场获取的信号特性做出以下判断。

(1) 一个信号周期内，全聚焦相控阵探头接收的能量远大于常规超声探头接收的。信号发射阶段，全聚焦相控阵的小晶片多次激发是否比常规超声的大晶片一次激发向目标区注入了更多能量，至少可以认为，前者不小于后者；而在信号接收阶段，前者接收的能量肯定远大于后者接收的能量，因为两者的接收窗口一样大，而前者窗口开放时间远大于后者的(以64阵元探头为例，相差64倍)。

(2) 全聚焦相控阵声场的声压分布与常规超声的声场不同。

全聚焦相控阵声场的声压分布比常规超声的均匀，不同位置上的声压变化比较平缓，其声压分布情况见图6，图6中黑色曲线为脉冲反射法活塞波声场的声压曲线，红黑点划线为全聚焦相控阵声场的声压曲线。声压变化平缓是由于全聚焦相控阵声场的能量注入是通过小晶片发射的，是多次小信号发射累加，以及对接收和显示的信号进行叠加平均处理的结果。

图6 全聚焦相控阵声场的声压分布与常规超声声压分布示意

(3) 全聚焦声场中超声能量充斥于整个目标区体积。

全聚焦相控阵目标区被划分成65536个微小空间，其中任何一个微小空间都有超声能量，其状态及变化都能被系统探测到并显示。这是由于小晶片发射的超声信号扩散角大，能覆盖更大范围；又由于多次小信号发射的能量累加和大窗口长时间接收方式使微小信号能被系统探测和接收。

(4) 全聚焦相控阵输出高信噪比信号。

仪器系统对从声场接收的信号进行了能量/质量转换，转换方法就是信号叠加平均处理。全聚焦系统接收的能量比以往各种超声方法接收的能量大得多，这就为转换提供了条件。由于信号叠加的平均次数很多(举例的系统叠加平均4096次)，所以其输出信号的信噪比非常高。

试验验证

对上节的判断(全聚焦相控阵声场的声压分布，全聚焦相控阵信号的信噪比)，通过试验进行了验证。

声场声压分布

试验方法：使用脉冲反射法超声和全聚焦相控阵两种技术测量试块上的横孔，比对回波信号波幅，证明两种声场中声压分布以及各位置上的声压变化存在差异。

试验采用的试块结构示意见图7，脉冲反射法超声测试采用普通数字超声仪，配频率为2.5MHz、晶片面积为13mm×13mm、折射角为45°的横波探头；全聚焦相控阵测试采用CTS-PA22T型仪器，配频率为2.5MHz，面阵8×8-阵元3×3(等效孔径为24mm×24mm)，折射角为55°的横波探头。由于测量的是各自声场中不同位置的声压变化，两种探头晶片面积不同并不影响测量的准确性。

图7 测试声压分布的横孔试块结构示意

01

脉冲反射法超声回波测试

① 探头在试块上移动，找到深度为30mm的横孔波，调节波高到80%时增益为47dB，其波形如图8(a)所示，图中仅有一个回波信号显示，邻近的深度为20mm和40mm的孔均没有显示，说明声束能量集中于深度为30mm的孔，扩散角很小。

图8 声场声压分布试验(脉冲反射法超声回波测试)

② 探头置于深度为30mm横孔的波位置不动，逐步提高增益， 在深度为30mm的横孔后面出现一个信号，如图8(b)所示，经确认该信号为深度为40mm横孔的回波。当增益提高21dB后，深度为40mm横孔的波高为80%，此测试结果表明深度为40mm横孔与深度为30mm横孔的信号波幅相差为21dB。也就是说，在该深度上，由声束轴线(30mm横孔处)到离开轴线10mm(40mm横孔处)声压下降了21dB，说明声压变化剧烈，下降十分明显。

③ 仪器增益恢复到47dB后，移动探头，使声束轴线介于30mm和40mm横孔之间，两孔波高相同，均为20%左右，见图8(c)。据此测试，可认为在深度30～40mm处存在一个直径大致为10mm的圆形声压等高线，从声束轴线到半径5mm处的声压降为12dB，同样说明声压变化剧烈，下降十分明显。

02

全聚焦相控阵超声测试

全聚焦相控阵回波信号如图9所示。探头放在试块上适当位置，在不使用任何增益补偿的情况下，屏幕上同时出现4个孔的图像，其中深度为30mm的孔与相邻的深度为20mm和40mm孔的信号幅度差不超过6dB。为便于比较，借用传统声场中探头声束轴线的概念(此概念并不适用于全聚焦相控阵声场)，假设30mm横孔位于声束轴线上，则在该深度上，由声束轴线(30mm横孔处)到离开轴线10mm (20mm和40mm横孔处)范围，声压下降不超过6dB，说明声压变化平缓。

图9 全聚焦相控阵回波信号

03

结论

对比两项技术的测试结果可知：脉冲反射法超声探头对准某一深度孔时，屏幕上只能看到一个孔回波。其相邻孔回波波幅很低，信号幅度差达21dB，说明其波束很窄，扩散角很小，能量很集中；而全聚焦相控阵在探头不动且不使用增益补偿的情况下，屏幕上同时出现4个孔回波，波幅相差不大，说明其波束扩散角很大，波束覆盖了相当宽的深度范围。由此证明：全聚焦声场声压分布与脉冲反射法声场声压分布不同，前者声场中不同位置的声压变化比后者声场的声压变化平缓得多。

信噪比特性验证

相控阵B型试块检测区示意如图10所示，在试块上设定目标区，分别采用传统相控阵线扫、扇扫和全聚焦相控阵技术进行了信噪比对比试验。

图10 相控阵B型试块检测区示意

信噪比的计算可参考峰值信噪比(PSNR)公式，如式(3)所示。

式中：MSE为均方差误差。

对比试验1：分别采用普通相控阵线扫和扇扫，以及全聚焦相控阵技术对试块上目标区1进行检测成像，并计算图像信噪比。普通相控阵线扫成像结果如图11(a)所示，图像信噪比为19 dB；普通相控阵扇扫成像结果如图11(b)所示，图像信噪比为18dB；全聚焦相控阵扫描结果如图11(c)所示，图像信噪比为38dB。

图11 信噪比对比试验1图谱

对比试验2：分别采用普通相控阵线扫和扇扫，以及全聚焦相控阵技术对目标区2进行检测成像，并计算图像信噪比。普通相控阵线扫成像结果如图12(a)所示，图像信噪比为18dB；普通相控阵扇扫成像结果如图12(b)所示，图像信噪比为23dB；全聚焦相控阵扫描结果如图12(c)所示，图像信噪比为34dB。

图12 信噪比对比试验2图谱

来源：《无损检测》2020年第1期

作者：强天鹏1，杨贵德2，杜南开2，陈建华2，张国强1，龚成刚1