非线性超声相控阵无损检测系统及实验研究_高鹏

第２９卷　第１期２０１４年２月实　验　力　学ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬ　ＭＥＣＨＡＮＩＣＳＶｏｌ．２９　Ｎｏ．１Ｆｅｂ．２０１４文章编号：１００１－４８８８（２０１４）０１－０００１－１１非线性超声相控阵无损检测系统及实验研究＊高鹏，李法新（北京大学工学院力学与工程科学系，北京１００８７１）摘要：相控阵超声无损检测技术近年来在无损检测领域得到了越来越广泛的应用。

但当前相控阵超声检测基于传统线性超声，对于材料或结构的微缺陷、微裂纹等缺陷不敏感。

研究基于超声的非线性效应的非线性超声无损检测技术对于克服线性超声相控阵技术的不足具有积极的意义。

本文设计和开发了基于非线性超声相控阵的无损检测系统，并利用超声检测的标准试件对该系统的性能进行了检验。

对比测试了常规线性超声方法、基于滤波的非线性超声方法以及基于反相脉冲的非线性超声方法对于钨丝线靶、超声仿体以及碳钢试块的检测效果。

测试结果表明，非线性超声相控阵无损检测技术与传统线性超声相控阵无损检测相比具有空间分辨力高、缺陷分辨力强等优点，而基于反相脉冲的非线性相控阵超声无损检测在空间分辨力上比基于滤波的非线性超声检测方法又有比较显著的提高。

关键词：相控阵；非线性超声；无损检测；反相脉冲中图分类号：ＴＧ１１５．２８；ＴＢ５５３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．７５２０／１００１－４８８８－１３－１０６０　引言超声相控阵检测技术具有检测速度快、效率高、信噪比高、缺陷检出率较高、检测方法灵活多样以及适用于狭窄空间和便于对复杂形状工件进行检测等优点。

因而近年来，超声相控阵技术在能源、航空、化工以及复合材料和焊接等无损检测领域中得到了越来越广泛的应用［１－６］。

常规超声相控阵检测技术是通过对声波在传播过程中遇到缺陷时产生的反射和散射等线性特征成像，从而实现对缺陷的检测和评价，其对缺陷的检测能力主要取决于检测系统的空间分辨力［７－１０］。

随着材料科学的发展，工程实践中对无损检测技术的要求也越来越高，尤其是对微小缺陷、复合材料结构的检测以及材料力学性能的无损评价等需求，对传统超声相控阵技术的检测能力提出了挑战。

将非线性超声检测技术应用于超声相控阵中是解决上述挑战的一种途径［１１，１２］。

非线性超声检测技术通过检测材料的非线性声学响应从而实现对缺陷的检测和评价。

经典非线性超声主要关注由材料声学非线性所引起的在材料中传播的弹性波非线性失真，而近年来兴起的非经典声学非线性则侧重于研究由材料微观或宏观上的缺陷所产生的异常声学响应，例如接触声学非线性等［１１－１７］。

目前经典声学非线性在医疗诊断超声成像中已经得到广泛应用，主要的两个应用领域是造影谐波成像（Ｃｏｎｔｒａｓｔ　Ａｇｅｎｔ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｉｍａｇｉｎｇ）和组织谐波成像（Ｔｉｓｓｕｅ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｉｍａｇｉｎｇ）［１８，１９］。

在这些谐波成像技术中多数使用散射信号中的二次谐波成分进行成像。

相关研究表明，谐波成像技术可以有效的降低成像系统的横向和轴向主瓣宽度，降低旁瓣级，从而显著提高系统的空间分辨力和对比分辨力，并可减少由旁瓣引起的伪像［１８，１９］。

谐波成像技术在超声无损检测领域的应用研究主要集中于装＊收稿日期：２０１３－０７－０５；修订日期：２０１３－０８－１８基金项目：国家自然科学基金（１１１０２００４，１１００２００２）资助通讯作者：李法新（１９７６－），男，博士，研究员。

主要研究领域：无损检测、智能材料与结构。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｆａｘｉｎ＠ｐｋｕ．ｅｄｕ．ｃｎ备单个超声换能器的Ｃ扫描成像技术。

国外的相关研究表明，将非线性超声检测技术应用于超声Ｃ扫描无损检测中是可行的，并且获得了比传统超声Ｃ扫描技术更高的空间分辨力以及更高的缺陷敏感度［２０，２１］。

然而将经典非线性超声检测技术用于超声相控阵中的研究即使在国际上也鲜见报道。

为此，本文开发了可以实现非线性成像的超声相控阵无损检测系统，并在此基础上进行了相关的非线性超声相控阵无损检测实验研究。

由传播介质非线性引起的二次谐波分量一般较基频分量要低４０～６０ｄＢ。

由于超声相控阵成像是一个宽带系统，检测系统的非线性或发射信号的频谱泄漏会与谐波分量相混叠，这使得微弱的非线性超声信号淹没在混叠干扰中难以有效的检测，从而造成系统空间分辨力和对比分辨力的下降。

反相脉冲技术（Ｐｕｌｓｅ　Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＰＩ）是解决上述问题的有效方法［２２－２５］。

反相脉冲方法对于每个扫描线均使用两次发射，第二次发射的脉冲与第一次发射的脉冲幅度、频率相同，但相位相反；将两次发射的回波信号相加后进行成像，这样两次发射的回波信号中的奇次谐波分量（包括基频）相位相反被抵消，而偶次谐波分量由于相位相同被加倍，同时噪声级也降低３ｄＢ。

因此反相脉冲方法可以有效地抑制回波中的基频分量以及因系统非线性等带来的频谱泄露，同时提高二次谐波分量的信噪比。

反相脉冲方法在医疗诊断超声成像中已经得到了广泛应用。

本文中将使用反相脉冲方法进行非线性超声相控阵无损检测实验研究，并将该方法与基于滤波的非线性超声检测方法进行对比。

本文首先设计并开发了基于相控阵的非线性超声无损检测实验系统，然后在该系统的基础上分别采用三种检测方法，即常规线性超声相控阵检测方法、二次谐波滤波的非线性超声相控阵检测方法以及反相脉冲二次谐波非线性超声相控阵检测方法，进行了一系列实验研究，并对各种方法的检测结果及其空间分辨力进行了分析和对比。

本文实验中的检测试件包括一个自制的钨丝线靶、一个４０４ＬＥ型高频医用超声仿体以及一个自制的碳钢试块。

线靶是评估超声成像空间分辨力的常用工具，使用尺寸合适、反射系数高的钨丝线靶可以近似得到系统点散射函数［２６］。

而借助超声仿体，可以方便地对超声检测系统在整个成像范围内的空间分辨力和对比分辨力进行评估。

最后，由于超声相控阵无损检测技术的一个重要应用领域是金属焊接缺陷检测，因而我们定制了一个碳钢试块，以评估非线性超声相控阵检测技术对金属材料内部缺陷的检测能力。

１　非线性超声相控阵无损检测系统的开发１．１　实验系统的构成为了进行非线性超声无损检测的实验研究，我们开发了基于相控阵的非线性超声无损检测系统，其原理框图见图１。

图１　非线性超声相控阵无损检测系统的原理框图Ｆｉｇ．１　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ如图１所示，该检测系统主要由换能器阵列、超声前端和显示控制单元等几部分构成。

系统可支持８／１６／３２／６４／１２８阵元的换能器阵列。

超声前端包括发射电路、接收电路以及收／发隔离电路以及高压电源、高压开关阵列等部分组成。

２ 实　验　力　学 （２０１４年）第２９卷　发射电路包括发射波束形成器、高压脉冲发生电路等，本系统的发射电路具备４８个发射通道，最多可支持４８个阵元的同时发射。

发射波束形成器由ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ，现场可编程门阵列）实现，其根据主机设定的发射聚焦参数，包括发射频率、脉冲数、脉冲极性以及发射孔径和各阵元的延迟等，生成发射脉冲控制信号，并送入高压脉冲发生电路，其中发射延迟的精度为６．２５ｎｓ。

为了实现反相脉冲方法，每个发射高压脉冲发生通道均采用三电平电路［２７］，可以生成双极性高压脉冲以驱动换能器，并且在发射脉冲结束后对换能器阵元施加电阻尼，以吸收发射换能器的震荡，缩短脉冲时间以提高系统轴向分辨力。

经实测，发射电路的二次谐波失真小于－５５ｄＢｃ，可以满足非线性超声相控阵成像的要求。

收／发隔离电路的功能是防止发射时的高压脉冲信号串入接收电路，以保护接收电路。

高压开关阵列用于将发射和接收通道连接到特定的换能器阵元，从而实现对于各种不同阵元数的换能器阵列的适配，以及对于主动孔径的控制等。

高压电源用于产生发射电路以及高压开关阵列所需的各种高压电源。

接收电路包括４８通道低噪声放大器、可变增益放大器、滤波器、模数转换器以及接收波束形成器、对波束输出的数字滤波、检波、抽取滤波等数字信号处理功能和各种时序控制等。

接收通道的采样率为４０Ｍｓｐｓ，１２ｂｉｔ量化。

接收通道的通频带为２～１５ＭＨｚ，最大增益为５８ｄＢ，增益控制范围为４０ｄＢ。

另外，接收电路还包括时间增益控制（ＴＧＣ）电路，在接收过程中通过预先设定的时间增益控制曲线生成时间增益控制电压信号，并通过该信号控制接收通道的可变增益放大器，从而实现对不同深度处信号的增益补偿，以保证检测结果的一致性。

经数字信号处理后的波束信号，经过缓存后由ＵＳＢ接口传输到显示控制单元（ＰＣ）进行进一步后处理以及数字扫描转换处理（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｃａｎ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）之后显示在用户界面上。

此外，用户输入的各种参数和控制信息也通过ＵＳＢ接口从显示控制单元传输到超声前端，从而实现对超声前端的控制。

图２　非线性超声相控阵无损检测实验系统及内部电路照片Ｆｉｇ．２　Ｐｈｏｔｏｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ＮＤＴ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ＰＣＢｓ１．２　接收波束形成及信号处理接收波束形成器及波束信号处理框图如图３所示。

其中接收波束形成器从各接收通道的模数转换器获取数字化后的回波信号，该信号先经过一个ＩＩＲ结构的高通滤波器，以滤除在通道的直流偏置和各种低频干扰。

滤波后的信号送入插值滤波器进行４Ｘ插值，从而使接收聚焦的延迟精度达到６．２５ｎｓ。

各通道插值后的信号经过延迟和变迹及孔径控制后相加，从而得到聚焦后的波束输出。

该波束形成器在整个接收过程中支持逐像素点的动态延迟、动态变迹及动态孔径控制，从而实现精确的延迟－累加波束形成运算。

波束输出经过１２８阶的ＦＩＲ带通滤波进行后续的检波及抽取滤波，然后输出到主机进行后处理及成像显示。

接收波束形成及后续的波束信号处理均由ＦＰＧＡ实现，可满足实时非线性超声检测的需求。

对于线性超声检测以及基于滤波的非线性超声检测方式，每次发射后得到的波束信号经过带通滤波器送入检波及后续的信号处理模块。

二者的不同在于带通滤波器和检波频率特性不同，即对于线性成像检测方式，带通滤波器及检波的中心频率及带宽是与接收信号中的线性成分（基频分量）相匹配的；３第１期高鹏等：非线性超声相控阵无损检测系统及实验研究图３　接收波束形成器及波束信号处理原理框图Ｆｉｇ．３　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ　ａｎｄ　ｂｅａｍ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ而对于非线性成像检测方式，带通滤波器及检波的中心频率及带宽是与接收信号中的非线性成分（二次谐波分量）相匹配的。