（检测技术与自动化装置专业论文）基于阵列信号处理的超声波探伤研究.pdf

基于阵列信号处理的超声波探伤研究 摘要 超声波无损检测是检测技术的一个重要方向，超声相控阵技术通过对超声阵 列换能器中各阵元进行相位控制，获得灵活可控的合成波束。它具有能进行动态 聚焦、可进行成像检测、可检测复杂形状物体、能提高检测灵敏度、分辨力和信 噪比等多项优点，最重要的是它可以提高检测效率，近年来正成为国际无损检测 界的研究热点，因此本论文就这一方向进行研究。 在本论文的研究中，首先介绍了相控阵的基本原理，并对动态电子聚焦进行 了深入的研究。接着我们通过动态光弹系统研究了超声纵波等在固体中遇到障碍 物的传播特性，并进一步研究了超声相控阵在固体中聚焦特性，从而为后续系统 设计工作奠定了基础。在后面本文介绍了超声相控阵换能器阵列的结构，对相控 阵换能器所用材料进行了选取。分析了各种参数对换能器性能的影响，并由此对 换能器阵列的参数进行了选取。在本文中又独创设计实现了一个完整的1 6 通道 相控阵超声检测实验系统，设计了上、下位机的分布式处理系统，并在下位机( p c i 插卡) 上采用了d s p + f p g a 的信号处理结构，极大地提高了系统的实时信号处理 能力，满足了对多通道、大容量数据流的高速信号处理要求。最后通过实验验证 了本文所研究的系统能有效地进行发射聚焦到指定点，并且能有效突出目标回波、 信号，具有实际的理论应用意义。 关键词：超声波相控阵换能器d s p 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 s t u d yo fi 月f ra s o n i c i n s p e c t i o n b a s e do nar ra ys i g n a lp r o c e ss i n g a bs t r a c t u l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gi sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fd e t e c t i o nt e c h n i q u e u l t r a s o n i cp h a s e da r r a yt e c h n o l o g yo b t a i n sf l e x i b l ea n dc o n t r o l l a b l es y n t h e s i sb e a mb y p h a s ec o n t r o lo fm a t r i xd e m e n t so ft r a n s d u c e ra r r a y i th a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ： d y n a m i c a l l yf o c u s i n g ；i 1 1 1 a 百n gt e s t i n g ；d e t e c t i n gs h a p eo fc o m p l e xo b j e c t s ；i m p r o v i n g d e t e c t i o n s e n s i t i v i t y ，r e s o l u t i o na n ds i g n a l t o - n o i s er a t i oa n ds oo n t h em o s t i m p o r t a n tm e r i ti si m p r o v i n gd e t e c t i o ne f f i c i e n c y ，s oi tb e c o m e st h er e s e a r c hf o c u so f n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t h a ti sw h yt h ep a p e rr e s e a r c ho nt h eb r a n c h i nt h i sp a p e r , f i r s t ，w ei n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l e so fp h a s e da r r a y , a n dr e s e a r c h d y n a m i ce l e c t r o n i cf o c u si n - d e p t h t h e n ，u s i n gd y n a m i cp h o t o e l a s t i cs y s t e mw es t u d y t h ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fu l t r a s o n i cw a v ew h e n 也e ye n c o u n t e ro b s t a c l e si nt h e s o l i d ，a n ds t u d yf u r t h e ri nt h ef o c u sp r o p e r t i e so fu l t r a s o n i cp h a s e da r r a yi nt h es o l i d ，s o a st ol a yf o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w - u ps y s t e md e s i g n i nt h ep a p e r , w ei n t r o d u c et h e s t r u c t u r eo fu l t r a s o u n dp h a s e dt r a n s d u c e ra r r a ya n dc h o o s et h em a t e r i a lt h a tt r a n s d u c e r a r r a yu s e d t h e nw ea n a l y z ep a r a m e t e r sh a v ee f f e c to np e r f o r m a n c eo ft r a n s d u c e r ；s o w es e l e c tt h ep a r a m e t e ro ft r a n s d u c e ra c c o r d i n gt oa b o v ea n a l y s i s i nt h i sp a p e r ，a u n i q u ed e s i g nt oa c h i e v eac o m p l e t e16 一c h a n n e lp h a s e da r r a yu l t r a s o n i cd e t e c t i o n s y s t e mi sd e s i g n e d ，a sw e l la st h ed i s t r i b u t e dp r o c e s s i n gs y s t e mb e t w e e nt h el o w e r m a c h i n ea n dp c ，a n dw eu s e ak i n do fs i g n a lp r o c e s s i n gs t r u c t u r e d s p + f p g ao n t h el o w e rm a c h i n e ( p c ic a r d ) ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h es y s t e m sc a p a b i l i t i e si n r e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n g , a n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h s p e e ds i g n a lp r o c e s s i n g o ft h em u l t i - c h a n n e l ，h i g h - c a p a c i t yd a t as t r e a m f i n a l l y , w ev e r i f i e dt h es y s t e mc a l l l a u n c hf o c u s i n gt os e t p o i n tw i t he x p e r i m e n ta n do u t b r u s te c h os i g n a l s ot h et h r o e y h a sa p p l i c a t i o nm e a n i n g i i i 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 k e y w o r d s ：u l t r a s o n i c ，p h a s e da r r a y , t r a n s d u c c r , d s p l l 2 1 3 超声波理论。4 1 4 本文的主要研究内容5 第二章超声相控阵原理及系统关键技术6 2 1 超声相控阵原理概述6 2 2 动态电子聚焦8 2 2 1 电子聚焦原理8 2 2 2 聚焦声束特性8 2 3 小结9 第三章超声波在固体中散射声场研究l o 3 1 玻璃中圆柱形孔散射的实验观察l o 3 2 超声相控阵光弹实验。l3 3 3 玻璃圆孔检测区域光弹实验1 6 3 4 本章小结l8 第四章超声相控阵换能器设计1 9 4 1 换能器结构说明1 9 4 1 1 压电元件i9 4 1 2 背衬层2 0 4 1 3 匹配层一2 0 4 2 换能器阵列声场辐射理论2 3 4 2 1 单源换能器的辐射声场2 3 4 2 2 换能器阵列的辐射声场2 4 4 3 换能器阵列参数的选取2 6 4 4 小结2 7 第五章相控阵超声检测系统的设计实现2 8 5 1 相控阵超声检测系统总体设计2 8 5 1 1 系统功能设计要求2 8 5 1 2 系统设计原则2 8 5 1 3 系统总体框架2 9 5 2 一维线性超卢换能器阵3 0 5 2 1 超声阵列换能器的设计3 0 5 2 21 6 阵元线性换能器阵的实现3 0 5 3 相控超声发射，接收及数据采集处理卡3l v 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 5 3 1 相控阵超声发射模块3 2 5 3 2 相控阵超声接收与采集模块3 9 5 3 3 相控阵超卢发射接收的d s p 控制核心。4 6 5 3 4 超声发射接收卡p c i 接口模块5 0 5 4 系统主控计算机5 2 5 5 相控阵超声检测系统软件设计 5 2 5 5 1a d s p 软件编程5 3 5 5 2 主控p c 机的软件开发5 4 5 6 本章小结5 5 第六章实验结果5 7 6 1 单阵元发射基本实验5 7 6 2 单阵元发射声场测试6 l 6 3 线性小振幅波卺加原理实验6 2 6 3 1 超声发射的可控性实验6 2 6 3 2 声场叠加原理实验6 4 6 4 相控阵发射实验j 6 6 6 5 相控阵接收实验7 l 6 6 人工模拟缺陷检测实验7 2 6 7 本章小结7 6 总结与展望。7 7 参考文献7 8 致谢8 1 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况说明8 2 独创性声明。8 3 关于论文使用授权的说明8 4 v i 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 论文研究的背景和意义 第一章绪论 超声相控阵技术【l 叫通过对超声阵列换能器中各阵元进行相位控制，获得灵活 可控的合成波束。它具有能进行动态聚焦、可进行成像检测、可检测复杂形状物 体、能提高检测灵敏度、分辨力和信噪比等多项优点，最重要的是它可以提高检 测效率，近年来正成为国际无损检测界的研究热点。国内工业相控阵超声检测的 应用尚处于起步阶段，还有待于发展先进的应用于工业现场检测的超声相控阵检 测系统。近二十年多来，随着超声检测方法的完善，以及压电复合材料、大规模 集成电路、数据处理分析、计算机模拟技术的发展，使得数字化、自动化、专业 化、智能化的超声检测和超声成像系统成为了研究热点。 超声波无损检测是检测技术的一个重要方向，而相控阵检测是其重点，相比 传统的检测它有许多优点，本论文将对这一方向进行研究，相控阵超声检测的一 个重要用途是进行超声成像，这得益于它很好的声束扫描特性，通过电子控制的 方式进行发射声束聚焦、偏转，使超声束覆盖相当范围的空间区域，然后又用相 控接收的方式对回波信号进行聚焦、变孔径等多种处理，就可以得到物体的清晰 均匀的高分辨力声成像。 它的意义，相控阵检测有广泛的应用，在医疗诊断和治疗中的应用，在雷达、 通信、电子对抗中的应用，在工业无损检测中的应用是另一个发展重点，因为所 检测的产品的质量及安全是现代社会所看重的。 相控阵理论根源可以追溯到最早的波场( 机械波、电磁波) 理论，众所周知的 应用是相控阵雷达和医用b 扫描超声。相控阵超声检测技术【7 0 2 】初期主要应用于 医疗领域，医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官扫描成像， 而检测系统的复杂性、材料中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业 无损检测中的应用受限。随着电子技术和计算机技术的快速发展，近年来相控阵 超声检测技术逐渐应用于工业无损检测领域，特别是核工业以及航空工业等领 域。如核电站主泵隔热板的检测；核废料罐电子束焊缝的全自动检测及薄铝板摩 擦焊缝疲劳裂纹的检测；航空工业中钛合金的检测，以及压力容器、输油管道在 线检测等。相控阵超声技术的特点及其在无损检测中的成功应用，使之成为超声 检测的重要方法之一。近年来国外的相控阵技术发展迅速，在医学诊断和工业检 测方面的研究异常活跃。k a n t r o n 、h p 、a i 、l 、a c u s o n 、g e 等公司利用 相控阵技术生产了一系列性能优越的医用超声诊断和治疗产品。此外，一些公司 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 还推出了商品化相控阵超声工业检测系统【1 ；d 7 1 。 目前，国内在超声相控阵技术上的研究应用尚处于起步阶段，主要集中于医 疗领域。深圳麦迪特公司利用相控阵理论制作了很多医用的线圈，可用于人体内 组织结构的成像诊断。但是在相控阵超声工业检测方面还非常落后，主要的设备 都依赖于进口，研究远远落后于应用。 工业用超声波相控阵产品由于性能局限，还不能实现技术突破而完全取代传 统的超声波检测，就仪器设备本身而言，局限性主要体现在两个方面，首先是能 够支持的晶片数量。因为每一个参加声场合成的晶片需要一个完整的通道，如 果没有很高的集成度，系统将变的非常庞大而又不实用。其次是大量数据处理能 力。超声波相控阵技术的主要应用优势之一就是能够实现三维层析成像，在不做 数据压缩处理的条件下，一般检测过程的数据量可以达到几个乃至几十个g b ， 但这需要系统拥有处理和存储大量数据的能力，否则会由于无法正常记录和回放 数据而导致系统崩溃。而随着信息电子技术的进步，以上两个局限是可以突破的。 由于超声相控阵检测技术采用了声束的角度扫描和动态聚焦等技术，使检测效 率和灵敏度得到提高，且可满足复杂结构检测的需求，而且由于探伤图像可视化， 因此具有实时检出和评定缺陷的优点。 目前超声相控阵检测技术的发展重点在于开发便携式设备和专业系统。超声 相控阵检测系统的应用操作虽然简便，但设置检测参数时，需要对结构提出完 整的检测算法，在此基础上进行精密计算才能确定，因此必须对探头声场特性有 深人的理解。超声相控阵检测技术作为一种高速、精确的探伤方法，不仅可用于 焊缝和火车轮轴的检测，还可用于锻件和新型材料等的检测，该技术在压力容器、 航空航天和海洋平台结构等工业无损检测领域具有良好的应用前景。 鉴于超声相控阵技术比传统超声检测技术所具有的巨大优势及其在国际上 研究非常活跃。而国内在此方面的相关研究很薄弱的局面，现阶段开展相控阵超 声检测技术的研究有着非常重大的意义。通过对相控阵技术各部分理论的研究， 可对采用相控阵超声检测结果进行可行性分析，同时为相控阵超声设备的开发及 解决实际检测过程中可能存在的问题提供强有力的理论依据。总之，开展此项研 究有利于跟踪学术前沿，拓宽研究领域、并在航空、核能、石化、铁道等方面创 造巨大的社会效益和经济效益。 1 2 无损检测 无损检测汹- 3 2 j n d t ( n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ) ，是利用物质中固有缺陷 或组织结构上差异的存在而会使其某些物理性质的物理量发生变化的现象，以不 2 青岛科技大学研究生学位论文 使被检查物使用性能及形态受到损伤为前提通过一定的检测手段来检测或测量 显示和评估这些变化，从而了解和评价材料产品设备构件直至生物等的性质状态 或内部结构等等。通过使用n d t ，能发现材料或工件内部和表面所存在的缺欠， 能测量工件的几何特征和尺寸，能测定材料或工件的内部组成、结构、物理性能 和状态等。 n d t 能应用于产品设计、材料选择、加工制造、成品检验、在役检查( 维修 保养) 等多方面，在质量控制与降低成本之间能起最优化作用。n d t 还有助于保 证产品的安全运行和( 或) 有效使用。由于各种n d t 方法，都各有其适用范围 和局限性，因此新的n d t 方法一直在不断地被开发和应用。通常，只要符合n d t 的基本定义，任何一种物理的、化学的或其他可能的技术手段，都可能被开发成 一种n d t 方法。 目前用于无损检测的方法很多。除了5 种常规( 射线、超声、磁粉、渗透和 涡流) 方法外，还有红外、激光、声发射、微波，工业c t 等。下面是一些常见 的无损检测的方法 3 3 - 3 5 1 ： 曹， 1 、射线探伤。利用x 射线或丫射线在穿透被检物各部分时强度衰减的不同， 检测被检物的缺陷。若将受到不同程度吸收的射线投射到x 射线胶片上，经显影 后可得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照片。如用荧光屏代替胶片，可直 接观察被检物体的内部情况。 2 、超声检测。利用物体自身或缺陷的声学特性对超声波传播的影响，来检 测物体的缺陷或某些物理特性。在超声检测中常用的超声频率为o 5 5 兆赫 ( m h z ) 。最常用的超声检测是脉冲探伤。 3 、声发射检测。通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料的性能或结 构完整性。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生应 力波的现象称为声发射。材料在外部因素作用下产生的声发射，被声传感器接收 转换成电信号，经放大后送至信号处理器，从而测量出声发射信号的各种特征参 数。 4 、渗透探伤。利用某些液体对狭窄缝隙的渗透性来探测表面缺陷。常用的 渗透液为含有有色染料或荧光的液体。 5 、磁粉探伤。通过磁粉在物体缺陷附近漏磁场中的堆积来检测物体表面或 近表面处的缺陷，被检测物体必须具有铁磁性。 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 1 3 超声波理论 超声波【3 9 4 2 】是频率高于2 0 0 0 0 赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于 获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、 杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。声波是物体机械振动 状态( 或能量) 的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的 往返运动。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通 常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频 率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。 超声波沿直线传播，有较好的方向性并能反射回来。利用超声波在物体中的 多种传播特性例如反射、折射、衍射与散射以及声速等的变化可以测知许多物体 的尺寸表面与内部缺损组织变化等等。因此利用超声波检测是应用最广泛的一种 重要的无损检测技术。超声波探伤主要是通过测量信号往返于缺损的往返时间来 确定缺损和表面间的距离，也就是通过测量回波信号的幅度及其与发射换能器之 间的位置来确定缺损的大小和方位。 超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术。把从换能器发出的 超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信 息( 如对声波的反射、吸收和散射的能力) ，经声透镜汇聚在压电接收器上，所 得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上 述装置称为超声显微镜。 超声检测作为一种应用比较广泛的无损检测手段，其主要优势表现在：检测 灵敏度高，可以探测细小的裂纹，缺陷检出率高；声束指向性好，具有大的穿透 能力，可以探测厚截面铸件。其主要局限性在于：对于轮廓尺寸复杂和指向性不 好的断开性缺陷的反射波形解释困难；对于不合意的内部结构，例如晶粒大小、 组织结构、多孔性、夹杂含量或细小的分散析出物等，同样妨碍波形解释；另外， 检测时需要参考标准试块。 超声相控阵技术使用不同形状的多阵元换能器来产生和接收超声波波束，通 过控制换能器阵列中各阵元发射( 或接收) 脉冲的时间延迟，改变声波到达( 或来自) 物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方向的变化，然后采用机械扫描和 电子扫描相结合的方法来实现图像成像。与传统超声检测相比，由于声束角度可 控和可动态聚焦，超声相控阵技术具有可检测复杂结构件和盲区位置缺陷和较高 的检测频率等特点，可实现高速、全方位和多角度检测。对于一些规则的被检测 对象，如管形焊缝、板材和管材等，超声相控阵技术可提高检测效率、简化设计、 4 只需将换能 声波的基本 理论。 第二章：本章分析了超声波相控阵的基本原理以及动态电子聚焦的研究。 第三章：通过动态光弹系统研究了超声纵波等在固体中遇到障碍物的传播特 性，并进一步研究了超声相控阵在固体中聚焦特性，从而为后续系统设计工作奠 定了基础。 第四章：介绍了超声相控阵换能器阵列的结构，对相控阵换能器所用材料进 行了选取。分析了各种参数对换能器性能的影响，并由此对换能器阵列的参数进 行了选取。 第五章：独创设计实现了一个完整的1 6 通道相控阵超声检测实验系统，设 计了上、下位机的分布式处理系统，并在下位机( p c i 插卡) 上采用了d s p + f p g a 的信号处理结构，极大地提高了系统的实时信号处理能力，满足了对多通道、大 容量数据流的高速信号处理要求。 第六章：通过实验验证了本文所研究的系统能有效地进行发射聚焦到指定 点，并且能有效突出目标回波信号，具有实际的理论应用意义。 5 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 第二章超声相控阵原理及系统关键技术 2 1 超声相控阵原理概述【4 3 - 4 5 1 将超声波传感器在一条直线或曲线上排列，构成线状阵列，简称线阵；将传 感器在平面或曲面上进行排列则构成面阵列，称为面阵。超声波传感器在阵列中 的位置和方位相对固定，从空间某确定方向传来的波束的同一个波面到达每个传 感器的时间是不同的，但传感器间的时间差却是相对固定的；如果设法使得每个 传感器收到的信号的频率和振幅相同，则信号的相位将包含每个传感器的位置和 来波方位角信息。阵列中每个传感器的位置已知，利用相位信息可以求得波源方 位，故称超声波相控阵。 超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶 片组成，阵列每个晶片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发 各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面：同样在反射 波的接收过程中按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合 成结果以适当形式显示。由其原理可知相控阵换能器最显著的特点是可以灵活便 捷而有效地控制声束形状和声压分布。 与常规超声波检测技术相比超声相控阵检测技术具有如下特点： ( 1 ) 生成可控的声束角度和聚焦深度，实现了复杂结构件和盲区位置缺陷的检 测。 ( 2 ) 通过局部晶片单元组合实现声场控制，可实现高速电子扫描；配置机械夹 具可对试件进行高速、全方位和多角度检测。 ( 3 ) 采用同样的脉冲电压驱动每个阵列单元，聚焦区域的实际声场强度远大于 常规的超声波检测技术，从而对于相同声衰减特性的材料，可以使用较高的检测 频率。 相控阵优点：快速、便于实时成像，应用范围广，可以实现自动化检测，减 少手动检测的不准确性。 相控阵发射：多个换能器阵元按一定形状、尺寸排列，构成超声阵列换能器， 分别调整每个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波 束在空间叠加合成，从而形成发射聚焦和声束偏转等效果。 图2 1 ( a ) 中，阵列换能器各阵元的激励时序是两端阵元先激励，逐渐向中 间阵元加大延迟，使得合成的波阵面指向一个曲率中心，即发射相控聚焦。图2 1 ( b ) 中，阵列换能器各阵元的激励时序是等间隔增加发射延迟，使得合成波阵 面具有一个指向角，就形成了发射声束相控偏转效果。 6 青岛科技大学研究生学位论文 t ”t b ) 图2 - 1 发射相控聚焦与偏转 ( a )相控聚焦；( b ) 相控偏转 f i g2 - 1t r a n s m i s s i o n sp h a s ef o c u s i n ga n d d e f l e c t i o n ( a ) p h a s e df o c u s ；( b ) p h a s e dd e f l e c t i o n 相控阵接收：换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号，其到达各阵元 的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补 偿，然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，而其它方向的回波信号 减弱甚至抵消。同时，通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方法，形成 聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。相控阵接收的原理如图2 2 所示。 图2 - 2 接收相控聚焦与偏转 f i g2 - 2r e c e i v ep h a s e df o c u sa n d d e f l e c t i o n 7 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 2 2 动态电子聚焦 2 2 1 电子聚焦原理 在换能器阵列中，各个阵元按设定延时激发，回波在焦点处同相叠加增强， 在焦点以外异相叠加减弱甚至抵消，合成的波阵面为凹球面，这样合成波束在焦 点产生最强的合成波，从而产生聚焦波束。聚焦距离即为凹球面的曲率半径，此 为发射聚焦。接收聚焦完全是发射聚焦的反过程。在接收端，通过延时电路，对 各接收信号延时求和，使来自焦点的回波信号增强，聚焦区域外的回波信号减弱 甚至抵消，达到聚焦的目的 铂- s 2 1 。 设阵元中心间距为d ，传播媒质中声速恒为v ，根据光学原理，各阵元发射 的声波在焦距为f 的焦点上聚集时，所要求的各阵元( 相对中心阵元) 激励延迟 时间单位t 为： ，f t = 一1 1 ，【 + f o 式中n 为阵元个数，t o 为中心阵元发射声波的时间。 2 2 2 聚焦声束特性 ( 2 1 ) 在聚焦点的声束宽度最小，在焦点附近的有限区域内，聚焦声束宽度小于各 阵元同时激励( 即不聚焦) 时的声束宽度，但在此区域之外，聚焦声束宽度反而扩 散开来，大于不聚焦声束宽度，如图2 3 所示。 图2 3 聚焦深度和焦点直径 f i g 2 - 3f o c u s i n gd 印血a n df o c u sd i a m e t e r 8 聚焦声束 青岛科技大学研究生学位论文 对于强聚焦方式，在聚焦深度内聚焦声束变细，可获得优良的侧向分辨率， 但聚焦深度很短，聚焦区以外的声束比未聚焦时发散得更快。为了使相控声束扫 描的整个声场范围内都能得到均匀清晰的成像，就要对声场中的每一点进行聚焦 发射和接收，以便在各点都有连续一致的侧向分辨率。这就要求相控声束能沿扫 描线跟踪目标，以形成一个滑动的焦点，并同步改变阵列孔径。 在早期的分段动态聚焦系统中，使发射和接收声束分别在近距离、中距离和 远距离聚焦，进行几次成像。在这几幅成像中，都只是在各自的焦点附近能得到 清晰成像，而其它区域由于偏离了焦点使图像模糊。将几幅图像拼合起来，就能 得到从近距离到远距离比较均匀、分辨特性较好的成像。这种分段聚焦方式合成 一幅清晰图像需要转换几次焦点，因而实时性较差。 在改进的实时分段动态聚焦方式中，在1 次声束发射接收过程中，同步地改 变焦点的深度。焦点分段更加细密、平滑，常采用8 、1 6 段等动态聚焦方式。由 于发射波形一般是短脉冲，发射出去就不能控制，因此不能在一次发射过程中改 变焦点；而接收信号具有一定持续时间，可以由浅渐深地改变焦距，即动态地改 变聚焦延迟，使来自各深度的接收声束都处于聚焦状态。 2 3 小结 本章首先对超声波相控阵的原理和这一检测技术的特点进行了介绍，接着详 细阐述了动态电子聚焦的基本原理，为进一步的研究打下了理论基础。 9 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 第三章超声波在固体中散射声场研究 动态光弹能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 碍物的散射特征。因此，玻璃可以用来模拟显示超声脉冲波在钢、铁、铝等非透 明金属材料中的传播规律。在散射体过于复杂、脉冲波理论计算滞后于实验的情 况下，除数值模拟外，动态光弹可能是比较简单地提供散射过程的一种有效实验 方法。 3 1 玻璃中圆柱形孔散射的实验观察 超声波遇到障碍物散射是多年来一直研究的基本问题，也是多方面应用所关 心的问题。对于具有光滑曲面和简单形状的障碍物，像所讨论的圆柱形空腔，曾 经有过大量的理论和分析。但在许多分析方法中，采用波动沿界面绕行，或叫爬 行，以及在爬行中辐射体波的观点，具有直观的物理意义，在许多实验中经证实 是符合实际情况的。 图3 - 1 圃孔散射示意图 f i g 3 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f c i r c l eh o l es c a t t e r i n g 早在上世纪五十年代，电磁学中爬波的观点就被引到声学里来了。逐渐地， 声的爬波得到理论和实验的广泛研究。仍以圆柱形空腔为例，声波在液体中传播， 遇到空腔后，在照射区会产生反射波，在非照射区似乎应当被阻挡，但实际上扰 动却沿着空腔的界面爬行，爬到后面按几何观点应当是“阴影”的范围。同样重 要的是，“爬波 不仅连续地沿着界面爬，还有可能爬回照射区甚至更远，于是， 在阴影区，不仅空腔界面有这种特殊的界面波，在阴影区的体积范围内也存在体 波，而不是波的完全阴影。 通过动态光弹实验我们可以很直观的观察到在某一时刻接收换能器接收到 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 的信号，有助于我们充分理解信号的对应位置。如图3 2 所示，( a ) 为8 8 芦时刻 的光弹图，此时刻b 换能器的l 号阵元得到纵波直达波信号，( b ) 为反射纵波信号 在时刻1 3 0 艘到达l 号阵元的时间，此时，直达波信号已经经过了整个换能器， 还可以看出，直达横波信号此时还没有进入换能器，再过2 5 艘直达横波信号到 达b 换能器l 号阵元( 图c ) ，再经过1 5 艘圆孔反射横波信号到达b 换能器的1 号阵元( 图d ) 。 t = 8 8 , u s t = - 1 3 o i s 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 t = 1 5 5 1 s t = 1 7 o i s 图3 - 2 超声波光弹图 f i g 3 - 2p h o t o e l a s t i of r i n g eo f u l t r a s o n i c a 换能器的l 号阵元发射超声波，b 换能器所有阵元接收超声波信 青岛科技大学研究生学位论文 图3 3l 号阵元发射所有阵元接收信号组图 f i g 3 3g r a p ho f n u m b e r ls e n da l lm a t r i xe l e m e n t s 3 2 超声相控阵光弹实验 现在，我们通过动态光弹来研究超声相控阵。首先，在三角块的玻璃一端用 真空脂贴一块压电晶片( 2 4 r a m x 2 2 m m ) ，将该压电晶片分成宽为2 m m 的小阵元， 组成一个十二阵元的相控阵换能器。通过控制每一个阵元发射的时间，我们来观 察相控阵换能器在固体中的一些特性。如图3 _ 4 所示，为距换能器中心不同距离掣 的聚焦特性，从图中可以看出，只要控制延时，就可以使得各个阵元发射的超声 波在空间区域内聚焦，并在聚焦区形成一新的波阵面，且聚焦区能量大大增强。 同理，接收过程同样如此。 ( a ) h = l m m 1 3 ( b ) h = 5 m m 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 ( c ) h = 1 0 m m ( e ) h = 2 0 m m ( g ) h = 3 0 m m ( d ) h = 1 5 m m ( f ) h = 2 5 m m ( h ) h = 3 5 m m 图3 - 4 焦点距离逐渐增大聚焦特征 f i g 3 - 4c o n f o c a lc h a r a c t e r i s t i c so fi n c r e a s i n go ff o c u sd i s t a n c e 如图3 5 ，观察在一聚焦点处随着阵元增加，聚焦点大小的变化。从图中可 以看出，随着阵元数增加，焦点处能量值逐渐增大。 l 1 4 ( a ) 阵元数n = i( b ) 阵元数n = 2 ( c ) 阵元数n = 3( d ) 阵元数n = 4 ( e ) 阵元数n = 5 ( f ) 阵元数n = 6 ( g ) 阵元数n = 7 1 5 ( h ) 阵元数n = 8 0 。 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 ( i ) 阵元数n = 9 ( j ) 阵元数n = i o 青岛科技大学研究生学位论文 第四章超声相控阵换能器设计 4 1 换能器结构说明 换能器是将一种形式的能量转换成另一种能量的器具。超声换能器能将电能 转变成机械能( 声能) ，也能将机械能( 声能) 转变成电能。现代探伤有几种方法 可产生和检出超声脉冲，最常用的是利用某些材料的压电效应。其它还有电磁声 换能器( e m a t ) 和激光技术。 一维线阵换能器比较常见，容易设计制作，同时又能按各种相控算法进行扫 描聚焦，因而是实验研究阶段的较好选择。木论文设计了一个1 6 阵元线阵换能 器，以此为基础开展相控阵关键技术和电控系统的研究。 如图4 - l ，相控阵主要由以下几个部分组成： 4 1 1 压电元件 匹配层 压电元件阵列层 背衬层 电极引线 图4 - 1 相控阵换能器的基本结构 f i g 禾ls t r u c t u r eo f p h a s ea r r a yt r a l l s d u e g l 某些电介质( 例如晶体、陶瓷) 在其适当的方向上施加作用力时，内部的电极 化状态会发生变化，在电介质的某相对两表面内会出现与外力成正比的符号相反 的束缚电荷，这种由与外力作用使电介质带电的现象叫做压电效应。相反地，若 在电介质上加一个外电场，在电场作用下，电介质内部电极化状态会发生相应的 变化，产生与外加电场强度成正比的应变，这种现象叫做逆压电效应。通常可以 利用压电效应来实现超声波的发射和接收。 压电元件是压电探头中的核心部分。在压电元件上施加一个外电场，在压电 元件的某个方向就会产生振动，这种振动藕合到工件上，压电探头就会在工件中 1 7 基于阵列信号处理的超声波探伤研究 能够激励出某种应力波。压电元件的选取使整个探头研制中非常关键的一部分。 通过基本理沦中的介绍可以知道，压电元件有很多种，如石英单晶体、压电 陶瓷、复合压电材料等。石英晶体性能稳定，机械性能良好，机械损耗小，但是 介电系数较低，谐振时阻抗较高，而且价格比较昂贵。一些复合压电材料，如 p v d f ，目前在电声、水声、超声等领域得到应用，他们一般有如下优点：柔顺 性高、压电常数高、机械品质因数低、性能稳定等，但是机械损耗较大。压电陶 瓷是应用最广泛的一种压电材料，它有如下优点： ( 1 ) 所用原材料价廉而易得； ( 2 ) 具有水溶性，遇潮不易损坏； ( 3 ) 压电性能优越； ( 4 ) 品种繁多，性能各异，满足不同的设计要求； ( 5 ) 机械强度好，易于加工成各种不同的形状和尺寸； ( 6 ) 采用不同的形状和不同的电极化轴，可以得到所需的各种振动模式； ( 7 ) 制作工艺较简单，生产周期较短，价格适中。 基于压电陶瓷的上述优点，本课题采用锆钛酸铅压电陶瓷作为压电材料，锆钛酸 铅压电陶瓷简称p z t ，在较大的温度范围内性能都比较稳定，作为换能材料，其 压电效应非常显著，具有高的机电藕合系数和压电应变常数、弹性常数和压电常 数。 由压电方程可知应变分量与电场强度成正比，而在压电陶瓷上下表面所加电 压不变的条件下，电场强度与压电陶瓷的厚度成反比。因此，如果不考虑其它因 素的影响，要使压电陶瓷有更大的应变，理论上说应使压电陶瓷的厚度足够小。 从压电陶瓷的电容率考虑，它与压电陶瓷的长度和宽度成正比，与压电陶瓷的厚 度成反比，因此从这个因素考虑，也希望压电陶瓷的长度和宽度尽量大，而厚度 方向尺寸尽量小。为保持频率的一致性和减少相互干扰，各个阵元必须由整块的 压电陶瓷完全切割开制成，阵元间不得相连。 4 1 2 背衬层 当电脉冲激励压电元件时，它不但向前方辐射声能，而且还向后方辐射。来 自前方的回波信号中包含着检测工件的信息，是本设计对工件缺陷检测和定位的 依据。但是从后面反射来的一干扰杂波增加了接收信号的复杂性，给实际检测带 来了很大困难，因此这一部分杂波信号需要消除，这也正是需要设计背衬层的作 用之一；此外，如果没有背衬层，压电元件受电激励而振动，当电脉冲停止激励 后，压电元件却不会立即停止振动，而是要持续一段时间后才会停止。这样，脉 青岛科技大学研究生学位论文 冲回波持续时间会很长，从工件中接收到波形也就会很复杂，使探头的分辨力下 降。背衬层的另外一个作用就是使激励脉冲停止后，压电陶瓷能瞬间停振，这样 接收到的脉冲宽度比较小，可以提高探头的轴向分辨力。 为了实现背衬层的两个主要作用，选用合适的材料是非常重要的。在现有的 各种单项材料中，从声学特性和工艺特性综合考虑，几乎没有一种可以直接用能 够做探头背衬，只能专门配制复合材料。本课题中主要采用环氧树脂和钨粉来配 置，背衬的主要成分是环氧树脂，环氧树脂在空气中不能凝固，需要掺加固化剂， 这里使用的是w s r 6 1 0 1 环氧树脂和t 3 1 环氧树脂固化剂。环氧树脂的固化主要 有两种方式；高温固化和常温固化。但是高温固化需要特定的设备，多采用常温 固化方式。根据t 3 1 环氧树脂固化剂的使用说明，在室温下，环氧树脂与固化剂 的比例一般为4 ：1 。钨粉在这里主要作为填料，向后辐射的声波在钨粉颗粒周围 会发生杂乱无章的散射，使部分能量转化为热能耗散。由图4 1 2 可知，背衬材料 中钨粉所占比重越大，就会有越多的声能转化为热能。但是如果钨粉所占比重过 大，势必会影响混合物的流动性，即它的可浇注性。因此实际操作时，逐渐地向 环氧树脂和固化剂的混合物中添加钨粉直到他们的流动性能够便于浇注为止，最 终本课题确定的背衬材料中，环氧树脂、固化剂和钨粉的比例大致为2 0 ：5 ：1 。这 种比例的混合物在室温条件下两个小时左右开始固化，在大致8 小时后达到最大 固化强度。 2 0 4 06 08 01 0 0 钨粉的质量百分比 图4 - 2 钨粉重量百分比与声阻抗的关系