基于水平分置線性雙陣列的超聲全聚焦成像方法在粗晶材料檢測(cè)中的應(yīng)用

莊澤宇，廉國(guó)選，王小民

（1.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院，北京 100049）

0 引言

奧氏體鋼、鈦合金和各種復(fù)合材料由于其優(yōu)秀的物理化學(xué)特性，已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)中，如制造一些承壓部件或容器。對(duì)這類部件定期進(jìn)行無損檢測(cè)，對(duì)保障其安全運(yùn)行十分重要，超聲檢測(cè)是不可缺少的檢測(cè)方法之一[1-2]。超聲波在這類材料中傳播時(shí)，材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)超聲產(chǎn)生較強(qiáng)的散射，使得檢測(cè)的信噪比嚴(yán)重下降，影響缺陷檢出的可靠性[3]。

提高超聲檢測(cè)信噪比的方法分兩大類。一類是對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行濾波處理，由于晶粒噪聲對(duì)聲波頻率較敏感，選用較低頻段的超聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)能有效減少結(jié)構(gòu)噪聲，但會(huì)使檢測(cè)分辨率降低。結(jié)構(gòu)噪聲與缺陷回波在相同的頻帶內(nèi)，常規(guī)的多次平均、帶通濾波等方法難以奏效。為此，學(xué)者們提出了一些信號(hào)處理方法，如分裂譜法、小波變換、匹配追蹤[4-6]等。這類方法對(duì)參數(shù)設(shè)置較為敏感，實(shí)踐中一般需要多次試驗(yàn)選取最佳值。另一類是利用空間相干疊加，當(dāng)換能器位置改變時(shí)，結(jié)構(gòu)噪聲信號(hào)相對(duì)于缺陷信號(hào)的振幅和相位變化較大。利用這一特性，采集不同方向的缺陷回波并進(jìn)行波束形成或聚焦成像，一定程度上能提高缺陷的信噪比和檢出率，例如超聲合成孔徑成像[7]、陣列全聚焦成像算法（Total Focusing Method,TFM）[8]等。

常規(guī)的陣列聚焦算法是線性算法，通過相干疊加提高缺陷信號(hào)的信噪比，但一部分結(jié)構(gòu)噪聲也會(huì)被增強(qiáng)，形成偽像。聲波的多重散射效應(yīng)也會(huì)在成像時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的斑點(diǎn)噪聲，干擾缺陷的識(shí)別[9]。一些學(xué)者在常規(guī)成像算法的基礎(chǔ)上，利用信號(hào)中的相位信息對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行非線性加權(quán)，可以提高成像信噪比，如相位相干成像算法[10]。但這類非線性的加權(quán)處理方式仍需要謹(jǐn)慎地選擇加權(quán)因子，否則易導(dǎo)致圖像失真[11]。

晶粒的背向散射和多重散射是結(jié)構(gòu)噪聲的主要來源，這類聲波能量會(huì)隨著發(fā)射換能器和接收換能器距離的增加而降低[12]。因此，將陣列進(jìn)行收發(fā)分離成為一種解決方案。目前，研究人員開發(fā)了雙線陣換能器（Dual Linear Arrays,DLA）和雙矩陣換能器（Dual Matrix Arrays,DMA）[13]。DLA 可看作是傳統(tǒng)雙晶片超聲換能器的陣列化方案，能削弱界面波對(duì)成像的影響，但只能在某一深度才能達(dá)到最好的聚焦效果。DMA 采用面陣設(shè)計(jì)，可以小范圍調(diào)整聚焦深度。但在陣元數(shù)一定的情況下，難以同時(shí)兼顧面陣兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)、聚焦性能。例如常見的32 通道DLA 換能器一側(cè)為16 陣元線陣，而64 通道DMA 換能器一側(cè)的面陣單元分布為8×4 方式，即沿成像平面方向只有8 個(gè)陣元。

本文提出一種水平分置線性雙陣列（Horizontal Dual Linear Arrays,HDLA）成像檢測(cè)方法，利用在水平方向上具有一定間隔的兩個(gè)陣列，一發(fā)一收采集超聲信號(hào)。相比DLA 和DMA，陣列間距更大，在成像平面具有更好的聚焦性能。同時(shí)，使用魯棒性較強(qiáng)的TFM 算法，避免加權(quán)參數(shù)的選擇問題。此方法在原始信號(hào)層面上減少了晶粒背向散射和多重散射噪聲，削弱了其對(duì)缺陷信號(hào)的影響，有效地提高了粗晶材料超聲陣列成像的信噪比。

1 原 理

1.1 粗晶材料的超聲散射

如圖1（a）所示，換能器陣元T向粗晶材料中發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射陣元附近區(qū)域的聲波能量很高，晶粒之間有強(qiáng)烈的多重散射效應(yīng)。接收陣元與發(fā)射陣元距離越近，接收到的多重散射波越強(qiáng)，這類干擾信號(hào)最終會(huì)表現(xiàn)為成像結(jié)果中的斑點(diǎn)噪聲。同時(shí)，如圖1（b）所示，晶粒粗大導(dǎo)致超聲背散射效應(yīng)明顯。散射波強(qiáng)度與入射角和散射角的夾角?相關(guān)，散射波的能量主要分布在小角度范圍。因此，將陣列進(jìn)行收發(fā)分離可以降低多重散射和背向散射噪聲對(duì)缺陷信號(hào)的影響。

圖1 粗晶材料超聲散射示意圖 Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic scattering of grained materials

1.2 超聲檢測(cè)模型

圖2 為HDLA 超聲檢測(cè)模型，陣列換能器放置在工件上方左右兩側(cè)，分別記為陣列1、陣列2。兩個(gè)陣列參數(shù)一致，陣元數(shù)均為Ne，相鄰陣元中心間距為d。定義陣列1 最右側(cè)陣元中心到陣列2 最左側(cè)陣元的中心的距離為陣列間距D12。如圖2 所示，以兩陣列的對(duì)稱中心為原點(diǎn)O，定義二維坐標(biāo)系xOz，陣列探頭的陣元沿x軸排布，z軸與探頭輻射面和工件表面的法線方向一致。工件的縱波聲速為c，本文僅考慮工件中單一的縱波模式。使用全矩陣采集（Full Matrix Capture,FMC）的信號(hào)獲取方式，即每個(gè)陣元依次激發(fā)并同時(shí)采集所有通道數(shù)據(jù)。接收到回波信號(hào)表示為r(t,xr,xt)，其中xr、xt分別表示接收陣元和發(fā)射陣元的橫坐標(biāo)。

圖2 HDLA 超聲檢測(cè)方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of HDLA ultrasonic testing model

根據(jù)發(fā)射、接收陣元所屬陣列的不同，可將FMC 數(shù)據(jù)r(t,xr,xt)分為4 個(gè)部分。分別是陣列1激發(fā)陣列1 接收(xr<0,xt<0)、陣列1 激發(fā)陣列2 接收(xr<0,xt>0)、陣列2 激發(fā)陣列1 接收(xr>0,xt<0)和陣列2 激發(fā)陣列2 接收(xr>0,xt>0)；分別記為。

根據(jù)聲場(chǎng)互易原理，回波信號(hào)r12與r21是對(duì)稱的，即所得聲場(chǎng)信息相同。而r11和r22是對(duì)成像區(qū)域分別從左側(cè)（陣列 1）和右側(cè)（陣列 2）獲得缺陷信息，二者并無本質(zhì)差別。因此，我們研究基于數(shù)據(jù)r11的收發(fā)合置的單陣列成像和基于數(shù)據(jù)r12的水平分置雙陣列（HDLA）成像。

為對(duì)比DLA 檢測(cè)方法，本文設(shè)計(jì)了如圖3 所示的DLA 超聲檢測(cè)模型。陣列1 與陣列2 分別對(duì)稱地置于楔塊兩個(gè)斜面上。楔塊兩個(gè)斜面的法線均與x軸垂直，通過設(shè)計(jì)楔塊的角度以及高度，使雙陣列聲波路徑在工件內(nèi)缺陷處重合。使陣列1 依次激發(fā)，同時(shí)陣列2 記錄各通道數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可表示為rDLA(t,xr,xt)。

1.3 TFM 成像算法

記τin為聲波從發(fā)射陣元(xt,0)到達(dá)缺陷(x,z)的時(shí)間，τout為缺陷散射波到接收陣元(xr,0)的時(shí)間。根據(jù)圖2 幾何關(guān)系可得：

將FMC 中與成像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的延時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到單陣列TFM 成像結(jié)果Is和HDLA 成像結(jié)果Id，即：

DLA 模式下，單陣元發(fā)射聲波為柱面波。根據(jù)圖3（b）側(cè)視圖，可按二維平面雙層介質(zhì)模型（如圖4所示）計(jì)算聲傳播路徑。其中，陣元距界面高度為L(zhǎng)1，楔塊聲速為c1，工件內(nèi)深度坐標(biāo)為。聲傳播時(shí)間τin、τout可由Snell 定律或費(fèi)馬原理計(jì)算得到。

圖3 DLA 超聲檢測(cè)方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of DLA ultrasonic testing model

圖4 DLA 聲程計(jì)算Fig.4 Acoustic path calculation for DLA ultrasonic testing mode

參照對(duì)比單線陣模式（圖2），根據(jù)本文中缺陷位置，定義缺陷回波到達(dá)DLA 最右側(cè)陣元在工件表面的折射點(diǎn)到缺陷的水平距離為。

將rDLA(t,xr,xt)中與成像點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的延時(shí)的數(shù)據(jù)疊加，得到DLA 的TFM 成像結(jié)果IDLA：

1.4 成像結(jié)果的評(píng)價(jià)方法

對(duì)成像結(jié)果的評(píng)價(jià)分為分辨率和信噪比兩個(gè)方面。首先，對(duì)圖像中缺陷峰值進(jìn)行歸一化處理（單位為dB）：

橫向分辨率Rh、縱向分辨率Rv及陣列性能指標(biāo)（Array Performance Indicator,API）[8]IAP，計(jì)算方法為

其中：Nh、Nv分別表示缺陷峰值所在位置的橫向、縱向上像素幅值大于?6 dB的像素個(gè)數(shù)，?x、?z分別表示橫向、縱向的像素大小，NAPI表示缺陷峰值附近幅值大于?6 dB的像素個(gè)數(shù)，λc表示信號(hào)中心頻率對(duì)應(yīng)聲波波長(zhǎng)。

信噪比的計(jì)算方法為缺陷峰值（單位為 dB）減去缺陷附近區(qū)域的噪點(diǎn)峰值（單位為dB）。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)裝置包括相控陣主機(jī)、兩個(gè)參數(shù)一致的超聲陣列換能器（參數(shù)見表1）和計(jì)算機(jī)（Inter Core i7-9750H 2.6GHz）。實(shí)驗(yàn)試塊（如圖5所示）包括：銅質(zhì)試塊A（細(xì)晶）、銅質(zhì)試塊B（粗晶）。兩個(gè)銅質(zhì)試塊的縱波聲速均為4 500 m·s-1，高度為40 mm，長(zhǎng)度為200 mm，正中心均有一半徑為1 mm的橫通孔缺陷。

表1 陣列換能器參數(shù) Table 1 Parameters of phased array

圖5 試塊照片 Fig.5 Photos of specimens

2.2 試樣金相

為獲得兩個(gè)銅質(zhì)試塊的晶粒大小，對(duì)兩塊試樣進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)晶粒度。首先，從銅試塊A、B中截取試樣，使用P180-P2500碳化硅砂紙逐級(jí)進(jìn)行研磨；而后，先使用YS拋光布配合3μm-1μm多晶金剛石拋光液對(duì)試樣進(jìn)行粗拋，再使用ET拋光布配合50 nm二氧化硅拋光液進(jìn)行精拋；最后使用腐蝕液（配比為三氯化鐵3 g、鹽酸2 ml、無水乙醇96 ml的混合液）進(jìn)行腐蝕，并用顯微鏡觀察，得到如圖6所示金相照片。

圖6 試塊金相照片 Fig.6 Metallographic photos of specimens

由圖6可以觀察到，試塊A晶粒較為細(xì)密，按照枝晶形態(tài)排列；試塊B的金相結(jié)構(gòu)為鑄態(tài)，α相呈針狀在β基體上析出。使用GB/T6394-2017中的直線截點(diǎn)法評(píng)定試樣的平均晶粒度，得到試塊A平均晶粒度為25.87 μm，試塊B中α相的平均直徑約為82.81 μm。

2.3 成像結(jié)果與分析

2.3.1 細(xì)晶試塊A

對(duì)試塊A使用單陣列、DLA和HDLA三種方法采集FMC數(shù)據(jù)，G取20mm，使用式（2）、（3）、（4）進(jìn)行TFM成像。成像范圍橫向x取(?10,10)、深度方向z取(10,30)，單位mm，圖像像素大小為?x=?z=0.1mm。并根據(jù)式（5），以位于圖像正中(0,20)的缺陷峰值，分別進(jìn)行歸一化處理，單位為dB，成像顯示范圍為?20～0 dB，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同超聲檢測(cè)方式的試塊A 成像結(jié)果，D12=20 mm Fig.7 Imaging results of Specimen A for different ultrasonic testing modes,D12=20 mm

可以看出，三種成像方法對(duì)細(xì)晶試塊A 中央的橫通孔缺陷均能正確成像。其中，單陣列成像分辨率更高、像點(diǎn)更小，DLA 次之。HDLA 模式能同時(shí)接收到圓孔上下兩端的衍射信號(hào)，并在成像結(jié)果中顯示出來。

為對(duì)比不同陣列間距D12對(duì)三種檢測(cè)方法效果的影響，進(jìn)行4 組實(shí)驗(yàn)，D12分別取6、20、30 和40 mm。根據(jù)式（6），對(duì)不同D12取值下三種檢測(cè)方法對(duì)試塊A 的成像結(jié)果分別統(tǒng)計(jì)Rh、Rv和API，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

表2 不同超聲檢測(cè)方式的試塊A 成像分辨率 Table 2 Imaging resolutions of specimen A for different ultrasonic testing modes

通過對(duì)比可以看出，HDLA 成像結(jié)果的橫向分辨率明顯低于單陣列和DLA，且隨陣列間距增大，差距更明顯。這是由于，對(duì)于HDLA 而言，中央成像區(qū)域位置的總聲程隨橫坐標(biāo)變化率低，且角度越大，聲程變化越小。而對(duì)于收發(fā)合置的單陣列成像模式和DLA 而言，總聲程隨橫坐標(biāo)變化大。對(duì)于縱向分辨率，單陣列和HDLA 兩種成像模式在對(duì)稱軸上像點(diǎn)的聲程隨縱坐標(biāo)變化是一致的，故兩種模式縱向分辨率較為接近。而API 可以近似看作橫縱分辨率的綜合結(jié)果，故HDLA 成像的API 比單陣列和DLA 成像的API 大。

2.3.2 粗晶試塊B

采用相同的檢測(cè)圖像計(jì)算方法，在不同D12取值下，對(duì)粗晶試塊B 分別應(yīng)用單陣列、DLA 和HDLA 三種成像檢測(cè)方法，成像結(jié)果分別如圖8、9、10 所示。可以看出，相比細(xì)晶的成像結(jié)果，粗晶材料的成像結(jié)果中存在明顯的材料噪聲。隨著D12的增大，三種方法的圖像信噪比均有下降。

圖8 為試塊B 單陣列成像結(jié)果，當(dāng)D12小時(shí)，圖像信噪比較好，可以分辨缺陷。但隨著D12的增加，單陣列成像信噪比迅速下降。圖9 為DLA 檢測(cè)結(jié)果，相較單陣列檢測(cè)，信噪比有一定的提升。圖10 為HDLA 成像檢測(cè)結(jié)果，可以看出其信噪比優(yōu)于單陣列和DLA。分別統(tǒng)計(jì)單陣列、DLA 和HDLA 成像結(jié)果的信噪比，如表3 所示。

表3 不同超聲檢測(cè)方式的試塊B 成像信噪比 Table 3 Imaging signal to noise ratios of specimen B for different ultrasonic testing modes

圖8 試塊B 單陣列成像結(jié)果 Fig.8 Single array imaging results of Specimen B

圖9 試塊B，DLA 成像結(jié)果 Fig.9 DLA imaging results of Specimen B

圖10 試塊B，HDLA 成像結(jié)果 Fig.10 HDLA imaging results of Specimen B

從表3 中可以看出，當(dāng)D12=6 mm 和D12=20 mm時(shí)，單陣列和DLA 檢測(cè)方法對(duì)中心處缺陷可以較為清晰地成像，圖像信噪比分別為12.9、7.7 和13.5、9.5 dB，DLA 相比單陣列模式在一定程度上提高了信噪比。HDLA 的圖像信噪比分別為21.2dB、12.4 dB，較單陣列和DLA 的圖像噪聲水平更低。當(dāng)D12=30 mm 和D12=40 mm 時(shí)，單陣列成像的信噪比已降低到3 dB 以下，DLA 也無法識(shí)別缺陷，雙陣列成像依然可以識(shí)別缺陷，信噪比分別為11.0、10.6 dB。

3 結(jié)論

本文首先給出水平分置線性雙陣列（HDLA）成像檢測(cè)模型和算法，而后在細(xì)晶和粗晶試樣上分別進(jìn)行了單陣列、線性雙陣列（DLA）和HDLA 成像試驗(yàn)，計(jì)算了不同位置缺陷的分辨率、信噪比。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）三種方法均能有效地對(duì)細(xì)晶銅質(zhì)試樣中的橫通孔缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的成像。在缺陷位于陣列邊緣下方時(shí)，三種方法的橫向、縱向分辨率以及API 幾乎相同。隨著缺陷相對(duì)陣列水平距離增加（即角度增大），單陣列成像和DLA 成像的橫向、縱向分辨率和API 均只有微弱的降低，HDLA 的縱向分辨率略有降低，但橫向分辨率和API 降低嚴(yán)重。

（2）對(duì)粗晶材料，當(dāng)缺陷距換能器距離較近時(shí)，單陣列成像和DLA 成像可以識(shí)別缺陷，但信噪比隨著距離的增加快速降低，無法識(shí)別橫向距離較遠(yuǎn)（角度大）的缺陷。HDLA 成像的信噪比在不同的缺陷位置均優(yōu)于單陣列成像和DLA 成像，在缺陷位置較遠(yuǎn)時(shí)依然可以識(shí)別缺陷。

綜上所述，當(dāng)晶粒較細(xì)，或檢測(cè)區(qū)域距離陣列較近時(shí)，單陣列成像可以滿足一定的工業(yè)檢測(cè)需求。當(dāng)晶粒較粗且檢測(cè)區(qū)域距離陣列較遠(yuǎn)時(shí)，水平分置雙陣列成像檢測(cè)可以作為一種有效的方法。

HDLA 超聲檢測(cè)方法對(duì)粗晶材料的成像信噪比較單陣列和DLA 方法有所改善，其主要原因是陣列在水平方向上的收發(fā)分離降低了晶粒噪聲，提高了缺陷信號(hào)本身的信噪比。相比其他濾波降噪算法，該方法無需對(duì)原始檢測(cè)信號(hào)做復(fù)雜的濾波降噪處理，避免了有用的缺陷信號(hào)被濾除的風(fēng)險(xiǎn)，更容易被應(yīng)用到工程檢測(cè)中。文中使用的全聚焦方法是一種魯棒性較強(qiáng)的成像算法，除此外可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求，使用平面波成像、合成孔徑成像或者傳統(tǒng)的相控掃查成像方式。