基于CIVA軟件的全聚焦相控陣聲場特性仿真

錢盛杰，強天鵬，楊貴德，杜南開，陳建華，張國強，龔成剛

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，寧波 315048；2.江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測有限公司,南京 225003；3.廣東汕頭超聲電子股份有限公司，汕頭 515041)

全聚焦相控陣檢測技術(shù)的檢測靈敏度高，聲場覆蓋范圍廣，圖像信噪比高，缺陷形狀畸變小[1]。近年來，全聚焦相控陣技術(shù)已逐漸成為超聲無損檢測領(lǐng)域的研究熱點，廣泛應(yīng)用于石油化工、機械制造和核電等重大基礎(chǔ)行業(yè)的關(guān)鍵部位檢測中[2]。目前，大多數(shù)研究工作主要集中在全聚焦算法方面的理論研究以及高性能儀器系統(tǒng)的開發(fā)和試驗，故上全聚焦相控陣檢測的成像質(zhì)量和數(shù)據(jù)處理速度得到了較大的提高[3-5]。全聚焦相控陣技術(shù)之所以有上述多種技術(shù)優(yōu)勢，是因其聲場特性與常規(guī)超聲技術(shù)和常規(guī)相控陣技術(shù)的聲場有較大的差異。常規(guī)超聲聲場分布主要集中在一個確定方向上，偏離主聲束方向的聲壓迅速減少。常規(guī)相控陣的聲場是根據(jù)延時法則施加于相控陣陣元，并由各個陣元激發(fā)的超聲波進行干涉和疊加所形成的，其聲能主要集中在焦點附近的一個特定區(qū)域，偏離聚焦區(qū)域的聲場聲壓則迅速減少。全聚焦相控陣的聲場是通過對目標區(qū)的每一個像素點進行聚焦計算和疊加平均處理的結(jié)果，因此其聲場具有獨特性。全聚焦成像算法是基于接收信號后處理的思想，對檢測回波數(shù)據(jù)進行離線分析成像，是一種非實時的檢測方法，具有比當前常規(guī)相控陣超聲檢測技術(shù)更高的缺陷成像能力[6]。然而，目前對于全聚焦相控陣聲場特性的研究，主要來源于理論推導(dǎo)以及在檢測試驗和工程應(yīng)用中的經(jīng)驗總結(jié)。全聚焦相控陣聲場特性的仿真研究報道較少。而通過仿真計算，可以對全聚焦相控陣探頭在特定工件或試塊中進行聲場進行可視化觀測，從而指導(dǎo)檢測工藝，為特定參數(shù)的全聚焦相控陣探頭的研發(fā)設(shè)計提供重要的參考。

文章首先分析了全聚焦相控陣的聲場特性；接著，利用CIVA軟件仿真了常規(guī)超聲和全聚焦相控陣聲場，分別比較了這兩種聲場的特點；然后，采用含φ2 mm×40 mm(直徑×長度)橫通孔的試塊進行缺陷響應(yīng)仿真，驗證了全聚焦相控陣技術(shù)對橫通孔試塊的檢測能力；最后，對全聚焦相控陣的聲場特性進行總結(jié)與展望。

1 全聚焦相控陣聲場特性分析

常規(guī)超聲(UT)和全聚焦(TFM)相控陣激發(fā)聲場的差異主要可以從以下三個方面來描述：① 從信號發(fā)射階段考慮，常規(guī)超聲僅進行一次激發(fā)，全聚焦相控陣內(nèi)部晶片逐個激發(fā)，與常規(guī)大晶片超聲探頭相比，小晶片發(fā)射超聲波的擴散角大，使聲能充斥于整個檢測目標區(qū)；② 從信號接收階段考慮，全聚焦相控陣接收回波信號的次數(shù)為常規(guī)超聲的n倍(n為相控陣陣元數(shù))，因此，窗口開放時間和接收到的總能量遠大于常規(guī)超聲的；③ 從信號處理階段考慮，全聚焦相控陣一個信號周期內(nèi)接收到n×n個A掃描回波信號。其目標區(qū)包含若干像素點，對每一個像素點進行聚焦計算和疊加平均處理，使全聚焦相控陣聲場具備如下3個特征：① 小晶片發(fā)射以及信號疊加平均處理，使全聚焦聲場聲壓分布十分平緩；② 多次信號疊加平均處理，能得到較高的信噪比；③多次小信號聲能累加和長時間窗口接收方式，使目標區(qū)域內(nèi)的任何微小信號變化均可識別。

筆者前期已對全聚焦聲場特性已進行了研究，通過試驗發(fā)現(xiàn)全聚焦聲場是一種不同于常規(guī)超聲的全新聲場[1,7]。針對試驗測試得到的全聚焦相控陣的聲場數(shù)據(jù)進行分析，大膽猜測了全聚焦相控陣聲場特征。但是，受探頭、試塊和儀器等試驗的局限性影響，實際檢測數(shù)據(jù)不夠全面，檢測效果并不是很理想，對完整的全聚焦聲場特性的猜想不夠嚴謹。因此，需要借助仿真工具對前期研究工作進行驗證和補充。

全聚焦相控陣聲場的仿真研究工作具有以下意義：① 全聚焦相控陣的聲場仿真能對聲場進行可視化觀測，以此可確定聲場的整體分布，獲得聲場對工件的覆蓋情況，并能測量出聲場覆蓋范圍中任意一點位置的聲壓幅值。若采用實際檢測試驗來研究全聚焦聲場情況，則無法直接得到聲場的整體分布，需要進行多次測量，實施過程較為繁瑣，試驗難度較大；② 全聚焦相控陣的缺陷響應(yīng)仿真可以針對任意工件進行建模，并根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足檢測要求的探頭，可基本代替實際檢測試驗，節(jié)省了探頭開發(fā)以及大量的試塊制作成本，避免了因探頭和試塊的設(shè)計參數(shù)不合理而導(dǎo)致的檢測問題。

基于上述分析，筆者提出在相同條件下(相同探頭孔徑和激勵參數(shù))對上述兩種聲場進行仿真對比。常規(guī)超聲探頭采用尺寸為24 mm×24 mm(長×寬，下同)的矩形晶片，全聚焦相控陣探頭采用8×8-3 mm×3 mm(8行×8列，相鄰陣元間距為3 mm)的面陣探頭。設(shè)計試驗分析比對這兩組探頭在相同孔徑、波形、頻率和楔塊等條件下的聲場分布情況以及缺陷檢測能力。

2 常規(guī)超聲聲場仿真

采用常規(guī)超聲斜入射橫波聲場進行聲場特性研究。選取的探頭參數(shù)如下：頻率為5 MHz；孔徑為24 mm×24 mm(長×寬)；折射角為55°；入射點至波源的距離為20 mm(有機玻璃楔塊厚度)。常規(guī)超聲斜探頭橫波斜入射聲場仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 常規(guī)超聲橫波斜入射超聲聲場仿真結(jié)果

筆者采用24 mm×24 mm的矩形晶片加楔塊后激發(fā)的橫波聲場進行檢測，可由圖1中測量得到鋼中近場區(qū)長度N為220 mm(也可通過計算獲得)。由圖1可見，常規(guī)超聲聲場的聲束很窄，在1.6倍近場區(qū)內(nèi)的聲束寬度近似于探頭的孔徑。超過1.6倍近場區(qū)深度之后，聲束有一定程度的擴散。為了分析聲場聲壓分布情況，在深度方向選取3個位置記錄相對聲壓幅值情況，即N=220 mm，2N=440 mm，3N=660 mm。在聲束截面方向偏離聲束中心10，20，30，40 mm選取4個位置記錄相對聲壓幅值情況。常規(guī)超聲橫波斜入射相對聲壓如表1所示，表中計算式xN-y代表聲束軸線方向x倍近場區(qū)深度位置水平偏移ymm處的相對聲壓。

表1 常規(guī)超聲橫波斜入射相對聲壓 dB

由表1可得，超聲波能量主要集中在聲束軸線上。隨著水平偏移量y的增加，聲壓值快速下降。超過一倍近場區(qū)深度之后，聲束有一定程度的擴散。

3 全聚焦相控陣聲場仿真

為了比對兩種方法的聲場特性，采用相同的激發(fā)參數(shù)和孔徑的全聚焦相控陣探頭進行CIVA仿真。選取8×8-3×3mm的面陣探頭和有機玻璃楔塊，探頭孔徑為24 mm×24 mm(長×寬)、頻率為5 MHz、折射角為55°；選取入射點至波源的距離為20 mm的橫波聲場進行比對。全聚焦相控陣橫波斜入射聲場仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 全聚焦相控陣橫波斜入射聲場仿真結(jié)果

由圖2可得，全聚焦相控陣沒有鋼中近場區(qū)，全聚焦聲場基本覆蓋了尺寸為100 mm×700 mm(寬×深)的整個計算區(qū)域(圖2中的左上角和右上角除外)。沿聲束軸線方向，聲壓按一定規(guī)律不斷遞減。值得注意的是，垂直聲束軸線方向，聲壓雖然往兩邊不斷遞減，但遞減量很小，特別是在遠場區(qū)內(nèi)。由此可見，全聚焦相控陣在聲束截面上的聲壓分布非常平緩。

8×8-3 mm×3 mm的面陣探頭是由64個間距為3 mm陣元組成的陣列，且這些陣列依次輪流發(fā)射，全聚焦相控陣的聲場是由多個陣元激發(fā)的聲波疊加形成的。因此，全聚焦相控陣的近場區(qū)等于單個3 mm×3 mm陣元形成的近場區(qū)。全聚焦相控陣加楔塊后產(chǎn)生橫波聲場，其近場區(qū)控制在楔塊內(nèi)，鋼中不存在近場區(qū)。為了和常規(guī)超聲橫波斜入射聲場進行比對，在深度方向選取相同的3個位置(F=220 mm，2F=440 mm，3F=660 mm)記錄相對的聲壓幅值。在聲束截面方向偏離聲束中心10，20，30，40 mm處選取4個位置記錄相對聲壓幅值情況。全聚焦橫波斜入射相對聲壓值對比結(jié)果如表2所示，表2中計算式xF-y代表聲束軸線方向x倍近場區(qū)深度位置水平偏移ymm處的相對聲壓。

表2 全聚焦橫波斜入射相對聲壓對比結(jié)果 dB

為了更加直觀地描述全聚焦聲場在聲束截面方向聲壓分布情況，并與常規(guī)超聲進行比對，分別選取表1和表2中的第一列數(shù)據(jù)進行制圖，即得到UT(常規(guī)超聲)和TFM(全聚焦相控陣)在深度為N/F處的聲束截面方向聲壓分布(見圖3)。

圖3 UT和TFM 在深度為N/F處的聲束截面方向聲壓分布

根據(jù)圖2中的全聚焦聲場，圖3中的聲壓分布和表2中的相對聲壓幅值分析可得，全聚焦相控陣的聲場在沿著出射聲束傳播方向按規(guī)律衰減，在聲束截面方向的聲壓分布非常平緩，且在傳播方向越遠的區(qū)域其聲束截面方向的聲壓分布越平緩。此外，由圖2和表2可得，全聚焦相控陣在深度為2F和3F處的聲束截面方向聲壓分布比在深度為F處更加平緩，這里不再重復(fù)作圖表述。

(2)新建一個項目，使用上述轉(zhuǎn)換過的數(shù)據(jù)，在Time Slicing[6]中設(shè)置為2007-2017，Years Per Slice設(shè)置為“1”，Term Source選定為標題、作者、摘要、關(guān)鍵字等，Links選項中將Strength選定為”Cosine”。

綜上所述，常規(guī)超聲斜探頭橫波聲場有近場區(qū),全聚焦相控陣斜探頭橫波聲場加楔塊后沒有鋼中近場區(qū)。 在聲束截面上,全聚焦相控陣聲場的聲壓分布明顯比常規(guī)超聲的均勻，聲壓變化比較平緩。全聚焦相控陣橫波聲場沒有鋼中近場區(qū)，是由于全聚焦相控陣采用的小晶片近場區(qū)本身很小，加楔塊后近場區(qū)則控制在楔塊內(nèi)。全聚焦相控陣在聲束截面上的聲壓變化平緩是由于全聚焦相控陣聲場能量的注入是通過小晶片發(fā)射，多次小信號發(fā)射累加，以及對接收和顯示的信號進行疊加平均處理的結(jié)果。

4 波束聲壓邊界角仿真

為了更加直觀地顯示斜探頭橫波聲場的覆蓋范圍，文章引入波束聲壓邊界角來進行描述。波束聲壓邊界角范圍越大，則在該上、下邊界角覆蓋范圍內(nèi)的聲壓變化越平緩。筆者采用5 MHz常規(guī)超聲探頭(24 mm×24 mm矩形探頭)和全聚焦相控陣探頭(8×8-3 mm×3 mm面陣探頭)進行波束聲壓邊界角仿真，分別用-6 dB和-12 dB的等聲壓線分布進行比對。此外，針對相同的出射聲束角度，增加縱波聲場仿真，比較兩種不同波型下的波束聲壓邊界角差異，仿真結(jié)果如圖4～7所示。

圖4 常規(guī)超聲橫波波束聲壓邊界角仿真結(jié)果

圖5 常規(guī)超聲縱波波束聲壓邊界角仿真結(jié)果

圖6 全聚焦相控陣橫波波束聲壓邊界角仿真結(jié)果

圖7 全聚焦相控陣縱波波束聲壓邊界角仿真結(jié)果

由上述仿真結(jié)果可得，波束聲壓邊界角與晶片尺寸和波型有以下關(guān)系。

(1) 晶片尺寸越小，波束聲壓邊界角越大。常規(guī)超聲的晶片孔徑大，擴散角小，波束聲壓邊界角小。全聚焦相控陣內(nèi)部單個晶片的尺寸小，波束聲壓邊界角大。因此，在相同聲壓降的情況下，全聚焦相控陣的波束覆蓋范圍大。

(2) 相同頻率下，縱波波長大于橫波波長，擴散因子較小，波束聲壓邊界角較大。說明在相同條件下，縱波聲場的覆蓋范圍更大。

(3) 上邊界角與折射角的夾角大于下邊界角與折射角的夾角。全聚焦相控陣的兩個夾角差值明顯大于常規(guī)超聲的，說明靠近上表面的盲區(qū)減小量要大于深度方向的盲區(qū)減小量，因此全聚焦相控陣的近表面檢測盲區(qū)很小。

5 缺陷響應(yīng)研究

為了進一步得到上述兩種方法在實際工件中的檢測情況，筆者進行了缺陷響應(yīng)研究。采用常規(guī)超聲和全聚焦相控陣兩種技術(shù)進行缺陷響應(yīng)比對，測試聲壓分布的橫通孔試塊結(jié)構(gòu)以及9個φ2 mm×40 mm(直徑×長度)橫通孔的位置如圖8所示。分析兩種方法下的聲場聲壓分布特點，并比對橫通孔回波信號的差異。常規(guī)超聲采用頻率為2.5 MHz，晶片尺寸為24 mm×24 mm，折射角為55°的橫波探頭；全聚焦相控陣超聲采用8×8-3 mm×3 mm(等效孔徑為24 mm×24 mm)的面陣探頭。

5.1 常規(guī)超聲仿真

主聲束對準深度為30 mm橫孔情況下的常規(guī)超聲橫波斜入射缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果如圖9所示。為了便于觀察，將探頭水平移動一段距離，形成如圖9(a)所示的聲場圖，但實際檢測過程中不會出現(xiàn)該圖像。從圖9(b)的A 掃圖中，從左到右可以看到4個回波信號，分別為：① 30 mm橫通孔回波信號；② 30 mm橫通孔繞射波信號；③ 40 mm橫通孔回波信號；④ 40 mm橫通孔繞射波信號。將①和③進行比較，兩者相差了19.0 dB。由聲束軸線(30 mm橫孔處)到深度方向離開軸線10 mm (40 mm橫孔處)的聲壓幅值下降了19.0 dB，說明聲壓變化劇烈，陡降十分明顯。

圖9 主聲束對準深度為30 mm橫通孔情況下的常規(guī)超聲橫波斜入射缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果

5.2 全聚焦相控陣超聲仿真

圖10 橫波斜入射全聚焦相控陣缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果

綜上所述，全聚焦相控陣橫波斜入射任意兩橫孔的聲壓幅值差不超過6 dB，可認為在深度為20～50 mm范圍內(nèi)，全聚焦相控陣的聲壓變化平緩。

在不改變探頭、楔塊和頻率的情況下，采用縱波斜入射法對該試塊進行檢測。面陣8×8-3×3 mm探頭在試塊相同位置處(出射點距橫孔水平距離50 mm)的全聚焦縱波斜入射缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果如圖11所示，聲場圖中可以分辨出20～80 mm位置處的7個橫通孔，對于深度為5 mm和10 mm處的2個橫通孔，僅能發(fā)現(xiàn)回波信號卻無法分辨。與全聚焦橫波斜入射法相比，縱波檢測法的覆蓋范圍明顯大于橫波的。雖然橫波的覆蓋范圍小于縱波的，但從成像質(zhì)量方面來看，橫波檢測法的分辨力更佳。

圖11 縱波斜入射全聚焦相控陣缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果

將兩項超聲檢測技術(shù)的仿真結(jié)果進行比對，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：常規(guī)超聲聲束對準某一深度孔時，該主聲束方向的橫孔回波高，深度方向上相鄰10 mm橫孔回波很低，回波聲壓差高達19.0 dB。由此可見，常規(guī)超聲的波束很窄，擴散角小，聲束能量集中。全聚焦相控陣在一個合適的位置處，不使用增益補償?shù)那闆r下，能同時分辨4/7(橫波/縱波)個孔回波信號，且波幅相差較小。由此可見，其波束擴散角很大，波束覆蓋了相當寬的深度范圍。由此可以證明，全聚焦聲場聲壓分布與常規(guī)超聲聲場聲壓分布不同，前者聲場中不同位置的聲壓變化比后者聲場的聲壓變化平緩得多。

6 結(jié)語

利用CIVA軟件的超聲聲場仿真模塊和缺陷響應(yīng)模塊進行仿真研究，描述了常規(guī)超聲和全聚焦相控陣超聲的聲場特性，得出了以下結(jié)論。

(1) 常規(guī)超聲在近場區(qū)內(nèi)聲束寬度近似于探頭的孔徑，波束不擴散，不同聲程處的聲壓分布不均勻，不利于檢測定量。近場區(qū)之外，聲束有一定程度的擴散，擴散角較小。

(2) 全聚焦相控陣本身的近場區(qū)很小，加楔塊后近場區(qū)控制在楔塊內(nèi)。同時，全聚焦相控陣的擴散角很大，因此，其檢測盲區(qū)很小。

(3) 全聚焦相控陣在聲束截面方向上的聲場聲壓分布明顯比常規(guī)超聲的平緩，且聲束傳播方向越遠的區(qū)域其聲束截面方向的聲壓分布越平緩。

(4) 全聚焦相控陣接收的能量大，圖像信噪比高，對微小缺陷的檢測靈敏度高。

(5) 相同孔徑和激發(fā)參數(shù)條件下，縱波的波束聲壓邊界角大于橫波的，全聚焦相控陣的波束聲壓邊界角遠大于常規(guī)超聲的，故全聚焦相控陣具有很大的聲場覆蓋范圍。

(6) 全聚焦縱波檢測的聲場覆蓋范圍大于橫波檢測的聲場覆蓋范圍，但檢測分辨力低于橫波檢測的。