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　ＭＥＣＨＡＮＩＣＳ
Ｖｏｌ．２９　Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．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：１０．７５２０／１００１－４８８８－１３－１０６
０　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４０Ｍｓｐ
ｓ，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。

反相脉冲非线性检测方式，对于每条扫描线，首先发射正脉冲，相应的波束输出通过带通滤波器后送入缓存器而不送入后面的信号处理模块。

然后发射负脉冲，这时将缓存的正脉冲波束与负脉冲的波束输出相加从而实现反相脉冲信号处理。

后续的信号处理流程与基于滤波的非线性成像检测方式相同。

２　钨丝线靶非线性超声成像检测实验
２．１　实验对象及实验参数
本文中的实验均使用６４元线阵构型的换能器阵列进行，其阵元间距０．６ｍｍ，中心频率５．０ＭＨｚ，相对带宽６０％。

实验中采用的成像方式均为Ｂ扫描成像。

实验对象采用钨丝线靶，该线靶使用一根直径６０μ
ｍ的钨丝置于纯水中，钨丝距换能器阵列的深度为４０ｍｍ。

发射信号采用单周期双极性方波脉冲，频率为３．５ＭＨｚ，幅度为＋／－７０Ｖ，发射焦点深度为４０ｍｍ。

分别使用常规线性成像方法（Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）、基于滤波的非线性成像方法（Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　
ｂａｓｅｄ　Ｎｏｎ－Ｌｉｎｅａｒ　Ｉｍａｇｉｎｇ，Ｆ－ＮＬＩ）以及反相脉冲非线性成像方法（Ｐｕｌｓｅ　Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｎｏｎ－Ｌｉｎｅａｒ　Ｉｍａｇｉｎｇ，ＰＩ－ＮＬＩ）三种方法进行成像。

其中Ｆ－ＮＬＩ和ＰＩ－ＮＬＩ方法中使用相同的高通滤波器用于分离二次谐波分量和基频分量，其截止频率为４．７ＭＨｚ，止带衰减６０ｄＢ。

２．２　实验结果
图４为对应线靶中心处的波束射频（ＲＦ）时域信号，其中包括正发射脉冲时的ＲＦ信号、负发射脉冲时的ＲＦ信号，以及上述两个ＲＦ信号相加的结果。

图５分别为单次发射对应的原始ＲＦ信号频谱、经过滤波（Ｆ－ＮＬＩ）处理的二次谐波信号频谱，以及经过反相脉冲发射（ＰＩ－ＮＬＩ）处理后的二次谐波信号频谱。

可以看到，反相脉冲发射（ＰＩ－ＮＬＩ）方法与基于滤波的Ｆ－ＮＬＩ，相比基频信号残余可降低２５ｄＢ，而５ＭＨｚ附近由于发射脉冲的非线性（
发射脉冲为方波脉冲，虽经过换能器滤波但仍带有大量非线性成分）引起的频谱泄露也被显著抵消。

另外，ＰＩ－Ｎ
ＬＩ方法的噪声级也有所降低，从而提高了二次谐波信号４
实　验　力　学 （
２０１４年）第２９卷　
的信噪比。

当然ＰＩ－ＮＬＩ方法的缺点就是对于每条扫描线都需要进行两次发射，从而降低了检测系统的效率。

图４　钨丝线靶中心处反相脉冲非线性成像（ＰＩ－ＮＬＩ）方法的射频（ＲＦ）归一化时域信号Ｆｉｇ．４　Ｔｉｍｅ　ｒｅｓｏｌｖｅｄ　ＲＦ　ｓｉｇｎａｌ（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｕｌｓｅ　Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｎｏｎ－Ｌｉｎｅａｒ　Ｉｍａｇｉｎｇ
（ＰＩ－ＮＬＩ）ｍｅｔｈｏｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｇ
ｓｔｅｎ　ｆｉｌａｍｅｎ
ｔ图５　钨丝线靶中心处的原始ＲＦ信号频谱及分别经过Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－Ｎ
ＬＩ处理后的信号频谱Ｆｉｇ．５　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ＲＦ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｐ
ｅｃｔｒａ　ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒＦ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　
ａｔ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｆｉｌａｍｅｎ
ｔ图６　常规超声／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－Ｎ
ＬＩ三种成像方法得到的钨丝线靶超声图像Ｆｉｇ．６　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｉｍａｇｅｓ　ｏｆ　ａ　Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｆｉｌａｍｅｎｔ　ｐｈａｎｔｏｍ　ｕｓｉｎｇ
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　
ｍｅｔｈｏｄｓ图６为利用常规线性超声相控阵成像、基于滤波的二次谐波成像（Ｆ－ＮＬＩ）以及反相脉冲发射二次谐波成像（ＰＩ－Ｎ
ＬＩ）三种方法获取的钨丝线靶超声图像的对比，图像动态范围均归一化为６０ｄＢ。

从图中５
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
可以发现ＰＩ－ＮＬＩ方法的横向及轴向空间分辨力较其他两种方法均有显著提高。

而Ｆ－ＮＬＩ和ＰＩ－ＮＬＩ两种非线性成像方法均对常规线性成像方法图像左下方的伪像有很好的抑制。

图７为三种成像方法对钨丝线靶成像结果中发射焦点附近的横向和轴向幅度分布，从中可以得到三种成像方法的横向和轴向－６ｄＢ主瓣宽度，如表１所示。

其中Ｆ－ＮＬＩ及ＰＩ－Ｎ
ＬＩ方法的－６ｄＢ横向主瓣宽度接近，分别为０．８８ｍｍ和０．８７ｍｍ，且均较常规成像方法降低３４％以上。

但对于轴向分辨力而言，Ｆ－ＮＬＩ的－６ｄＢ轴向主瓣宽度反而较常规方法增大将近一倍。

这主要是由于发射脉冲中的非线性成分泄漏到滤波器通带内（见图５）引起的；该非线性分量较材料非线性引起的声学非线性大近２０ｄＢ，且在时域上主要表现为脉冲拖尾，因而造成Ｆ－ＮＬＩ的轴向分辨力反而较常规线性成像方法为差。

相比之下，ＰＩ－ＮＬＩ方法可以有效地抵消这种发射脉冲中的非线性成分，从而保证其－６ｄＢ轴向主瓣宽度仅为０．２２ｍｍ，较常规方法降低４２．１％。

可见，ＰＩ－ＮＬＩ方法的横向和轴向主瓣宽度较其他两种方法均有显著降低，从而在三种方法中具有最好的空间分辨力。

图７　常规超声／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ三种成像方法得到的钨丝线靶图像的幅度分布：（左）沿横向；（右）沿轴向Ｆｉｇ．７　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ａ　Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｆｉｌａｍｅｎｔ　ｐｈａｎｔｏｍ　ｕｓｉｎｇ　
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　ｍｅｔｈｏｄｓ．（Ｌｅｆｔ）ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｒａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；（Ｒｉｇｈｔ）ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ａｘｉａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ表１　常规超声／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ三种成像方法的钨丝线靶横向及轴向主瓣宽度Ｔａｂ．１　Ｍａｉｎ　ｌｏｂｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ａ　Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｆｉｌａｍｅｎｔ　ｐｈａｎｔｏｍ　ａｌｏｎｇ　
ｌａｔｅｒａｌ　ａｎｄ　ａｘｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　ｍｅｔｈｏｄｓ成像方法－６ｄＢ横向主瓣宽度
（ｍｍ）ＰＩ－ＮＬＩ相对其他方法改善（－６ｄＢ横向主瓣宽度）（％）
－６ｄＢ轴向主瓣宽度
（ｍｍ）ＰＩ－ＮＬＩ相对其他方法改善（－６ｄＢ轴向主瓣宽度）（％）
常规超声１．３２　３４．１　０．３８　４２．１Ｆ－ＮＬＩ　０．８８　１．１　０．７４　７０．３ＰＩ－ＮＬＩ　
０．８７
－
０．２２
－
３　超声仿体非线性超声检测实验
３．１　实验对象及实验参数
为检验该无损检测系统的缺陷检测能力，首先采用标准的Ｇａｍｍｅｘ　４０４ＬＥ型医学超声仿体为实验对象。

该仿体的主要材料是明胶，其声学特性与人体组织相近，具有较强的声学非线性。

仿体中使用的尼龙丝直径均为０．１ｍｍ，靶点轴向间距为５ｍｍ，横向间距为１０ｍｍ。

实验中发射信号采用单周期双极性方波脉冲，频率为３．５ＭＨｚ，幅度为＋／－６０Ｖ，发射焦点深度为４０ｍｍ。

同样地，然后分别使用常规线性成像方法、Ｆ－ＮＬＩ以及ＰＩ－ＮＬＩ三种方法进行了检测实验。

３．２　实验结果
图８为常规相控阵超声成像、Ｆ－ＮＬＩ及ＰＩ－ＮＬＩ三种成像方法获取的４０４ＬＥ仿体超声图像的对比，图像动态范围均归一化为６０ｄＢ。

图９是三种成像方法成像结果中发射焦点附近的横向和轴向幅度分
６
实　验　力　学 （
２０１４年）第２９卷　
布，从中得到的三种成像方法的横向和轴向－６ｄＢ主瓣宽度如表２所示。

图８　常规超声／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－Ｎ
ＬＩ三种成像方法得到的４０４ＬＥ仿体超声图像Ｆｉｇ．８　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｉｍａｇｅｓ　ｏｆ　ａ　４０４ＬＥ　ｐｈａｎｔｏｍ　ｕｓｉｎｇ　
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　ｍｅｔｈｏｄｓ表２　常规超声／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－Ｎ
ＬＩ三种成像方法的４０４ＬＥ超声仿体横向及轴向主瓣宽度Ｔａｂ．２　Ｍａｉｎ　ｌｏｂｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ａ　４０４ＬＥ　ｐｈａｎｔｏｍ　ａｌｏｎｇ　ｌａｔｅｒａｌ　ａｎｄ　ａｘｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　ｍｅｔｈｏｄｓ成像方法－６ｄＢ横向主瓣宽度
（ｍｍ）ＰＩ－ＮＬＩ相对其他方法改善（
－６ｄＢ横向主瓣宽度）（％）
－６ｄＢ轴向主瓣宽度
（ｍｍ）ＰＩ－ＮＬＩ相对其他方法改善（－６ｄＢ轴向主瓣宽度）（％）
常规１．２９　３１．８　０．４２　２．４Ｆ－ＮＬＩ　１．０２　１３．７　０．７８　４７．４ＰＩ－ＮＬＩ　
０．８８
－
０．４１
－
图９　常规超声／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ三种成像方法得到的超声仿体图像的幅度分布：（左）沿横向；（右）沿轴向Ｆｉｇ．９　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ａ　４０４ＬＥ　ｐｈａｎｔｏｍ　ｕｓｉｎｇ　
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　ｍｅｔｈｏｄｓ．（Ｌｅｆｔ）ａｌｏｎｇ　ｌａｔｅｒａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；（Ｒｉｇｈｔ）ａｌｏｎｇ　
ａｘｉａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 从图８中可以看到，
在发射焦点处，Ｆ－ＮＬＩ方法横向－６ｄＢ主瓣宽度为１．０２ｍｍ，较常规方法有所降低；而ＰＩ－ＮＬＩ方法的横向－６ｄＢ主瓣宽度为０．８８ｍｍ，较常规方法和Ｆ－ＮＬＩ方法分别降低３１．８％和１３．７％。

在轴向分辨力方面，与钨丝线靶结果类似，由于发射脉冲非线性的影响，Ｆ－ＮＬＩ方法轴向
－６ｄＢ主瓣宽度较常规方法增大，而ＰＩ－ＮＬＩ方法仍可以有效地抑制发射非线性的影响，其轴向主瓣宽度为０．４１ｍｍ，比常规方法略低。

从图８的成像结果中还可以发现，ＰＩ－ＮＬＩ方法获得的超声图像的空间分辨力较常规方法和Ｆ－ＮＬＩ方法均有显著提高，并且在ＰＩ－ＮＬＩ图像中，３０ｍｍ深度处中心靶点左右两侧的两个用于对比度检测的圆形目标（直径均为７ｍｍ，其中左侧目标散射强度较背景材料低６ｄＢ，而右侧的较背景材料高６ｄＢ）的边缘与其他两种方法相比也更为清晰，从而显示出更好的对比分辨力。

事实上，在图８的整个图像中除了５ｍｍ深度以内的极近场和８０ｍｍ深度以外的远场（未在图８中显示），在其余深度上，ＰＩ－Ｎ
ＬＩ方法都显示出较常规方法和Ｆ－ＮＬＩ方法更优越的空间分辨力和对比分辨力。

７
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
由于材料的经典声学非线性是在波传播过程中逐渐累积的，因而极近场处经典声学非线性分量很微弱，故非线性成像效果欠佳。

而在远场非线性分量衰减过大造成信噪比过低，从而影响成像质量。

除此外的绝大部分成像区域内，ＰＩ－Ｎ
ＬＩ方法均可获得三种方法中的最佳空间分辨力和对比分辨力。

４　碳钢试块非线性超声检测实验
４．１　实验对象及实验参数
我们进一步采用超声无损检测中的标准碳钢试块来检验该非线性系统的缺陷检测性能。

试块材料为２０＃钢，厚度为２５ｍｍ，侧面钻若干直径１ｍｍ的通孔，如图１０所示。

实验中发射信号采用单周期双极性方波脉冲，频率为３．５ＭＨｚ，幅度为＋／－７０Ｖ，发射焦点深度为３０ｍｍ。

同样分别使用常规线性成像方法、Ｆ－ＮＬＩ以及ＰＩ－Ｎ
ＬＩ三种方法进行检测实验。

图１０　碳钢试块示意图
Ｆｉｇ．１０　Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　
ｂｌｏｃｋ４．２　实验结果
图１１为常规相控阵超声成像、Ｆ－ＮＬＩ及ＰＩ－ＮＬＩ三种成像方法获得的碳钢试块图像的对比，图像动态范围均归一化为６０ｄＢ。

图１２是三种成像方法成像结果中发射焦点（深度为３０ｍｍ）附近的横向和轴向幅度分布，从中得到的三种成像方法的横向和轴向－６ｄＢ主瓣宽度如表３所示。

表３　常规超声／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－Ｎ
ＬＩ三种成像方法的碳钢试块横向及轴向主瓣宽度Ｔａｂ．３　Ｍａｉｎ　ｌｏｂｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ａ　ｓｔｅｅｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｂｌｏｃｋ　ａｌｏｎｇ　
ｌａｔｅｒａｌ　ａｎｄ　ａｘｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　
ｍｅｔｈｏｄｓ成像方法－６ｄＢ横向主瓣宽度
（ｍｍ）ＰＩ－ＮＬＩ相对其他方法改善（－６ｄＢ横向主瓣宽度）（％）
－６ｄＢ轴向主瓣宽度
（ｍｍ）ＰＩ－ＮＬＩ相对其他方法改善（－６ｄＢ轴向主瓣宽度）（％）
常规３．３６　４１．４　１．１８　３．３Ｆ－ＮＬＩ　２．４５　１９．６　１．４７　２２．４ＰＩ－ＮＬＩ　
１．９７
－
１．１４
－
由图１１可以发现，对碳钢试块，ＰＩ－Ｎ
ＬＩ方法的横向空间分辨力较其他两种方法均有提高。

然而由于碳钢的声学非线性系数较小，因此二次谐波分量较弱，造成了ＰＩ－ＮＬＩ方法的信噪比较低。

从图１１中可以看到ＰＩ－ＮＬＩ成像结果较Ｆ－ＮＬＩ方法的噪声级略高，图中箭头处为垂直方向（ｅｌｅｖａｔｉｏｎａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）上超声波束展宽后与试块侧壁作用形成的伪像。

从图１１中还可以看到，两种非线性成像方法对于该伪像的抑制均较常规成像方法更强。

由图１２和表３中的数据可以发现，对于碳钢试块，ＰＩ－ＮＬＩ方法的发射焦点（３０ｍｍ深度）处横向－６ｄＢ主瓣宽度为１．９７ｍｍ，分别较常规方法及Ｆ－ＮＬＩ降低４１．４％和１９．６％，同时其轴向－６ｄＢ主瓣宽度也分别较常规方法及Ｆ－ＮＬＩ降低３．３％和２２．４％，
从而在三种方法中具有最佳的空间分辨力。

这也说明非线性成像方法对于金属材料的超声相控阵检测也是有效的，并且ＰＩ－Ｎ
ＬＩ方法对于金属材料也可以获得三种方法中的最优空间分辨力。

８
实　验　力　学 （
２０１４年）第２９卷　
图１１　常规超声／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－Ｎ
ＬＩ三种成像方法得到的碳钢试块超声图像Ｆｉｇ．１１　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｉｍａｇｅｓ　ｏｆ　ａ　ｓｔｅｅｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｂｌｏｃｋ　ｕｓｉｎｇ　
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　ｍｅｔｈｏｄ
ｓ图１２　常规超声／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ三种成像方法得到的碳钢试块图像的幅度分布：（左）沿横向；（右）沿轴向Ｆｉｇ．１２　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　ａ　ｓｔｅｅｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｂｌｏｃｋ　ｕｓｉｎｇ　
ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／Ｆ－ＮＬＩ／ＰＩ－ＮＬＩ　ｍｅｔｈｏｄｓ．（Ｌｅｆｔ）ａｌｏｎｇ　ｌａｔｅｒａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；（Ｒｉｇｈｔ）ａｌｏｎｇ　
ａｘｉａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ５　结论
本文设计并实现了一套非线性超声相控阵无损检测实验系统，并利用该系统进行了常规线性超声相控阵成像方法、
基于滤波的非线性相控阵成像方法以及反相脉冲非线性超声相控阵成像方法分别在钨丝线靶、医用超声仿体以及碳钢试块上的检测性能研究。

实验结果表明：
（１
）非线性超声相控阵检测方法可以取得较常规线性超声检测方法更高的横向和轴向空间分辨力，有利于对各种微小缺陷的检测，并且可以比较有效地抑制由旁瓣引起的伪像；（２
）反相脉冲非线性超声相控阵检测方法可以有效去除回波中的基频成分，并能有效地抑制发射和系统非线性对成像的影响，
从而取得比基于滤波的非线性检测方法更高的横向和轴向空间分辨力。

需要指出的是，本文中无损检测系统所检测的非线性信号主要是由材料本身的经典声学非线性和材料内部缺陷引起的非经典声学非线性两部分组成。

对于实验中使用的金属和非金属试件而言，非线性超声相控阵检测方法均可以有效地提高空间分辨力；但对于声学非线性系数较小的金属材料，由缺陷引起的非经典声学非线性成分通常也比较微弱，导致其二次谐波成像的信噪比较低。

为了更有效地进行非线性超声相控阵无损检测，应考虑采用进一步提高谐波信噪比的信号处理手段，如编码激励等。

另一方面，本文中为了检验所设计系统的有效性，实验中所使用的试件均是当前线性超声检测的标准试件。

在今后的研究中，
我们将制备含微缺陷（裂纹、脱粘、微孔洞等）的非标准试件，进一步测试该非线性超声相控阵系统对于线性超声难以奏效的微缺陷的检测能力，分析典型材料和结构尺寸大小对检测结果的影响。

９
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
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［２０］　Ｋａｗａｓｈｉｍａ　Ｋ，Ｍｕｒａｓｅ　Ｍ，Ｏｈａｒａ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｃ－Ｓｃａｎ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐ
ｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｂｏｎｄｅｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｏｆ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｍｅｔａｌｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１６ｔｈ　Ｗｏｒｌｄ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ　Ｎｏｎ－Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ（
ＷＣＮＤＴ－２００４）．Ｍｏｎｔｒｅａｌ，Ｃａｎａｄａ，２００４．０
１ 实　验　力　学 （
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