相控陣超聲全聚焦成像算法的有限元仿真研究

池強強，胡明慧

相控陣超聲全聚焦成像算法的有限元仿真研究

池強強，胡明慧

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室，上海 200237)

基于超聲相控陣基本理論和全聚焦成像算法(Total Focus Method, TFM)，以30 mm厚的Q235鋼板中的孔缺陷檢測為研究對象，使用ABAQUS有限元軟件，建立了相控陣TFM有限元檢測模型。根據(jù)模擬結(jié)果，在MATLAB軟件中編寫了相控陣TFM成像算法。同時，采用超聲多通道實驗平臺，對構(gòu)建的TFM有限元檢測模型和編寫的相控陣TFM算法進(jìn)行實驗驗證。實驗結(jié)果與有限元模擬結(jié)果有較好的一致性。

超聲相控陣；全聚焦成像算法；缺陷識別；有限元；ABAQUS有限元軟件

0 引言

超聲相控陣檢測技術(shù)使用相控陣列探頭來產(chǎn)生和接收超聲波，相控陣列探頭的每個晶片稱為一個陣元，各陣元具有獨立的發(fā)射和接收電路，通過控制各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的時間，進(jìn)而改變合成波束的聚焦點位置和偏轉(zhuǎn)角度，然后運用機械掃描或者電子掃描來實現(xiàn)超聲成像[1-2]。超聲相控陣測試具有靈敏度高，對復(fù)雜元件的適應(yīng)性好等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)備的無損檢測[3]。文獻(xiàn)[4-7]中提出了全矩陣數(shù)據(jù)采集(Full Matrix Capture, FMC)的概念，并建立使用了基于FMC的全聚焦算法(Total Focusing Method, TFM)。與傳統(tǒng)超聲相控陣檢測相比，TFM可以通過對換能器陣列的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理來實現(xiàn)測量區(qū)域內(nèi)任意點的聚焦[8]。因此，該方法已越來越多地應(yīng)用于航空，核電，復(fù)合材料等領(lǐng)域。

由于計算機計算能力的飛速發(fā)展，原先在超聲導(dǎo)波檢測研究中應(yīng)用較多的有限元法開始出現(xiàn)在相控陣檢測研究中[9]。陳漢新等[10]對含有缺陷的焊縫試塊的相控陣檢測過程進(jìn)行有限元仿真，其模擬與實驗結(jié)果相似度較高。陳振華等[11]通過分析相控陣超聲檢測的聲場，對有限元模型中的采樣率、載荷子步等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。馬立印等[12-13]通過對發(fā)動機葉片的相控陣超聲檢測建模，制訂了合理的發(fā)動機檢測方案，并對換能器和楔塊的設(shè)計理論機型進(jìn)行了可行性驗證。目前，有限元法應(yīng)用于相控陣全聚焦檢測的研究還不多見[14]。一套相控陣設(shè)備的價格還較高，使用有限元法對相控陣超聲檢測進(jìn)行研究，一方面對研究物的檢測較為靈活，另一方面成本更低。

本文基于全矩陣數(shù)據(jù)采集，對相控陣超聲全聚焦算法進(jìn)行研究，以ABAQUS軟件為研究工具，建立了32陣元的全聚焦成像算法模型，通過計算得到不同時刻的聲波傳播聲場圖、不同陣元的A掃描信號圖以及TFM缺陷成像圖。

1 全聚焦成像原理

1.1 全矩陣數(shù)據(jù)采集

圖1 檢測缺陷時的聲波發(fā)射及接收示意圖

圖2 采集到的全矩陣數(shù)據(jù)

1.2 全聚焦成像算法

式中，為陣元i激勵、陣元j接收的回波信號中表征點P的幅值函數(shù)。而則是聲波發(fā)出到點P后，其回波被陣元接收整個過程的時間，定義為

2 有限元仿真

各向同性固體中的聲場基本方程為[16]

3 相控陣全聚焦成像建模

本文以ABAQUS軟件對全聚焦成像過程進(jìn)行模擬。由于相控陣反射的超聲頻率較高，使得計算量過大，因此以板的二維截面為研究對象，進(jìn)行有限元全聚焦模擬。板的材料參數(shù)如表1所示。

式中：是激勵信號頻率，是超聲波在固體中的傳播速度，是被檢件的長度，min()是介質(zhì)中沿不同方向傳播的最小波速。

表1 材料參數(shù)

圖5為4個周期的漢寧窗激勵信號波形圖。

圖4 仿真模型(圈出部分為陣元晶片的局部放大圖)

圖5 模擬超聲激勵信號的波形圖

圖6 有限元模擬的網(wǎng)格劃分

當(dāng)陣元1激發(fā)時，不同時刻板件內(nèi)聲波從激發(fā)到遇缺陷反射回波的傳播過程如圖7所示。圖7(a)表示陣元1在=2×10-6s時刻激發(fā)時，聲波中的縱波和橫波都向四周傳播，陣元間上邊界的能量較其他方向小很多，從而減少了成像干擾。圖 7(b)為=5×10-6s時傳播速度較快的縱波遇到缺陷，產(chǎn)生了以缺陷為中心的反射波。圖7(c)為=10×10-6s時刻縱波遇到下底邊界反射時，反射聲波能量較低。圖7(d)為=15×10-6s時刻各陣元已經(jīng)接收到下底部的反射回波。圖7中Mise表示等效應(yīng)力，單位為Pa。

首先激發(fā)陣元1，其它陣元接收，共得到32組時域信號；接著依次激發(fā)其它31個陣元，共獲得32×32組時域信號。32個陣元接收的回波信號如圖8所示。陣元1激發(fā)，32個陣元接收的時域回波信號如圖8(a)所示，陣元1的激勵波明顯強于其余未激勵的陣元。由于設(shè)置了邊界條件，各陣元間相互干擾很小，回波接收過程有兩個明顯的波包，8×10-6s附近處的波包為缺陷回波，11×10-6s處的波包為底部的反射回波。由于各陣元中心的距離不同，各陣元接收到的回波時間不同，1、32號陣元接收到缺陷回波時間最長，中間陣元時間最短。缺陷回波處的放大信號如8(b)所示，可以明顯看到，回波信號的相位不同。

圖7 陣元1激發(fā)時，聲波在板件中不同時刻的傳播狀態(tài)

圖8 陣元1激發(fā)時32個陣元接收的回波信號

4 全聚焦成像模擬分析及實驗驗證

4.1 全聚焦成像模擬分析

成像區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)時，根據(jù)網(wǎng)格劃分精度對每組A掃描信號進(jìn)行分段，從而提升成像精度，對每一小段波包提取后再進(jìn)行疊加，取最大值作為網(wǎng)格像素處的信號幅值。網(wǎng)格像素尺寸為0.5 mm× 0.5 mm，經(jīng)過改進(jìn)處理后的全聚焦成像如圖10(a)所示，其缺陷的分辨率較圖9(a)、9(b)有明顯提升，與預(yù)設(shè)的圓孔形狀和尺寸一致。插值細(xì)化后的成像如圖10(b)所示，缺陷中心坐標(biāo)為(0.25, 20.28)；-6 dB法處理后的成像結(jié)果如圖10(c)所示，提高了缺陷成像效果。圖10中的模擬結(jié)果表明，改進(jìn)后的TFM成像算法對網(wǎng)格像素的尺寸不太敏感，因此對于成像區(qū)域的網(wǎng)格適當(dāng)劃大后對結(jié)果進(jìn)行插值細(xì)化，可以有效地提高計算速度。

改變陣元的數(shù)目，其它參數(shù)不變，分別以16、32、64陣元進(jìn)行了三組全聚焦模擬對比研究。由于陣元成像的數(shù)目影響信號強度，采用-6 dB法對全聚焦成像結(jié)果進(jìn)行歸一化處理的結(jié)果如圖11所示。對比圖11(a)～11(c)，發(fā)現(xiàn)圖11(a)缺陷的成像面積最大，而圖11(c)缺陷處周圍的散射能量較強，圖11(b)的成像效果最好。在此模擬條件下，32陣元的全聚焦成像效果最好。

圖9 激勵時間修正前后的全聚焦成像

圖10 網(wǎng)格重構(gòu)改進(jìn)后的全聚焦成像

圖11 不同陣元歸一化處理后的模擬全聚焦成像

4.2 全聚焦成像實驗分析

為驗證本文全聚焦成像算法的可靠性，采用美國Versonics公司的vantage 128超聲多通道儀器進(jìn)行相關(guān)的驗證實驗，分別以16、32、64陣元為激勵陣元，進(jìn)行三組實驗，該實驗設(shè)備系統(tǒng)自帶TFM成像算法。實驗材料選擇與模擬中設(shè)定參數(shù)相同的Q235鋼，孔缺陷的深度為20 mm，探頭中心頻率為5 MHz，采樣頻率為20 MHz，探頭各陣元的位置與模擬的陣元位置相同。

基于不同陣元的A掃描信號實驗數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行全聚焦成像處理，結(jié)果如圖12所示。其中，圖12(d)、12(e)、12(f)分別為圖11(a)、11(b)、11(c)使用-6 dB[18]法處理后的成像結(jié)果。實驗儀器自帶算法的不同陣元全聚焦成像結(jié)果如圖13所示。

如圖12(a)～12(c)所示，32陣元全聚焦成像效果接近實際的開口缺陷尺寸；16陣元對應(yīng)的成像效果較差。對比分析圖12(a)和12(d)，由于陣元數(shù)量較少，缺陷處的信號強度遠(yuǎn)低于近場區(qū)的信號強度，經(jīng)歸一化處理后，缺陷反而不太突出；64陣元對應(yīng)的缺陷周圍散射能量最強；這與圖11的模擬成像結(jié)果一致。

(c) 64陣元

圖12 基于實驗數(shù)據(jù)的不同陣元全聚焦成像

圖13 Versonics公司的實驗儀器得出的不同陣元成像

圖13中的不同陣元全聚焦成像結(jié)果表明，成像區(qū)域中的干擾信號強度隨著陣元數(shù)量的增加而加強；與圖12(a)～12(c)相比，圖13中近場區(qū)的信號強度較低，圖12(c)的缺陷面積接近實際缺陷，圖13(c)的缺陷成像面積比圖12(c)小。由于近場區(qū)的干擾信號無法避免而且能量集中，圖12的上半部圖像區(qū)域有著明顯的能量集中，對待測物進(jìn)行雙面檢測，可避免近場區(qū)缺陷漏檢。

5 結(jié)論

本文采用ABAQUS有限元軟件模擬了全聚焦成像的超聲相控陣檢測方法，將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗證了模型的正確性。主要結(jié)論如下：

(1) 由于模擬中忽略了雜波信號的干擾，相控陣全聚焦成像缺陷檢測的模擬效果好于實驗結(jié)果。

(2) 三組16、32、64探頭陣元成像的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果都表明，并非探頭陣元數(shù)越多全聚焦成像效果越好，因此在實際裝備缺陷檢測時，需要通過模擬結(jié)果來選擇最優(yōu)的探頭陣元數(shù)。

(3) 采用MATLAB軟件對全聚焦成像算法進(jìn)行了優(yōu)化，缺陷成像的模擬結(jié)果與國外Versonics公司的設(shè)備檢測效果相近，但近場區(qū)信號的處理與實驗儀器的檢測結(jié)果還有一定差距，需要進(jìn)一步優(yōu)化全聚焦成像算法。

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Simulation research on finite element method based phased array ultrasonic TFM imaging algorithm

CHI Qiangqiang, HU Minghui

(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Based on the theory of ultrasonic phased-array and the total focus method (TFM), the finite element model of phased-array TFM is established by using ABAQUS finite element software for defect detection in a 30mm-thick Q235 steel plate. According to the simulation results, the phased-array TFM imaging algorithm is programmed in MATLAB. The TFM finite element detection model and the phased array TFM algorithm are verified by using ultrasonic multi-channel experimental platform. It is shown that the finite element simulation results are in good agreement with the experimental results.

phased-array ultrasound; total focus method (TFM) imaging algorithm; defect identification; finite element method; ABAQUS finite element software

TB553

A

1000-3630(2020)-02-0176-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2020.02.009

2019-02-20;

2019-04-21

國家自然科學(xué)基金項目(51775188)。

池強強(1994－), 男, 湖北孝感人, 碩士研究生, 研究方向為基于相控陣超聲成像算法的缺陷檢測。

胡明慧, E-mail: agile_hu@ecust.edu.cn