相控阵超声虚拟探头的声压均匀性分析

相控阵超声检测技术的应用始于20世纪60年代，广泛应用于医学超声成像领域。近年来，工业领域的相控阵超声检测技术日趋成熟，应用范围也越来越广。相控阵探头由一定数量的几何和物理参数相同的阵元以矩阵的方式排列组成，实际应用中通过组合排列一定数量的阵元，在多通道的延迟激发下，形成虚拟探头声轴线阵列或动态深度聚焦扫描，实际应用中以线性扫描或扇形扫描最为常见，相较于常规超声检测，相控阵超声检测具有检测灵敏度高、检测速度快、适用范围广、可实现不同的探头扫查模式、缺陷成像直观、可实现三维成像等优点，在工业检测和产品质量控制中占据了重要地位。文章以相控阵超声一维阵列探头与直楔块组合为基础，在一定的试验条件下，通过测量探头各阵元的增益值，分析了探头阵元声压的离散性，同时测量不同阵元数虚拟探头在固定聚焦深度下，固定深度的底面回波增益值，分析了其回波增益值的变化规律。相控阵超声检测试验01试验仪器试验中所用仪器为多普乐Phascan32:64型相控阵超声检测仪，采用32阵元探头（D2系列4L32-0.5-10）和直楔块（型号SD2-NOL，高度20mm，主偏移23.25

mm，次偏移15

mm）进行检测，RB-1型超声检测标准试块进行校准。试验过程按照相关要求将楔块和探头用固定螺栓组装完成，将其置于涂有耦合剂的RB-1试块的中部，同时应避免标准试块上的横通孔对底面回波的影响。耦合剂采用机油，试验开始前利用探头楔块组合将机油均匀涂抹在标准试块上，并不断按压，保证探头楔块组合与标准试块的良好耦合，后将探头楔块组合固定于标准试块上，并保证压力恒定直至试验完毕，单阵元激发试验原理示意如图1所示，多阵元虚拟探头测试验原理示意如图2所示。图1单阵元激发试验原理示意图2多阵元虚拟探头试验原理示意1单阵元激发试验选定探头和楔块类型，设置聚焦法则中扫查模式为线性扫描，虚拟探头中，起始和末阵元设置为1，阵元步进值固定为1不变，后将检测仪屏幕调整为A扫描的工作界面，设置合理的闸门起始位置、宽度和阈值，使其框住25mm处的底面回波，回到聚焦法则界面，依次增加起始阵元的顺序号，如图1所示。记录各阵元单独激发情况下，底面回波高度达到满屏高度80%时的增益值。仅依靠各阵元的增益值，无法准确反映其离散性，为此对各阵元的增益值取均值和标准方差，然后分析数据的离散情况。相控阵超声检测试验数据如表1所示。表1相控阵超声检测试验数据2多阵元虚拟探头检测试验调整相控阵超声检测仪，设置聚焦法则中扫面模式为线性扫描，设置聚焦深度为40mm，虚拟探头（孔径）中，分别将起始阵元设置为1，末阵元设置为32和阵元步进值设置为1固定不变，后将检测仪屏幕调整为A扫描的工作界面，设置合理的闸门起始位置、宽度和阈值，使其框住25mm处的底面回波，回到聚焦法则界面，将虚拟探头的阵元数设置为1，检测界面下，记录32组虚拟探头底面回波高度达到满屏幕高度80%时的增益值；后将阵元数设置为2，步进值不变，记录所有31组虚拟的探头的增益值；依次增加组成虚拟探头的阵元数，重复以上的步骤，可以得到不同阵元数情况下，探头可组成的所有虚拟探头的增益值。需要注意的是，如图2所示不同阵元数设置所能组合出的虚拟探头的数量是不同的。由于试验数据量较大，笔者仅列出与分析方向相关的试验数据和经数学处理后的数据，即不同阵元数情况下，32阵元探头所能组合的所有虚拟探头在底面回波高度达到满屏幕高度80%时的增益值均值和方差均值（见表1）当虚拟探头阵元数为32时，虚拟探头个数为1，为了分析的连贯性，对单一增益值也做形式上的均值和方差。试验数据分析02单阵元增益值离散性相控阵超声检测中，虚拟探头是由一定数量的阵元按照一定规则组合而成的，其检测灵敏度是依靠各个单阵元激发的声场来决定，所以相控阵探头各阵元所激发声场的均匀性对虚拟探头的检测灵敏度具有主要作用，从试验所得到各阵元单独激发下增益值可以表征其均匀性，为了更能体现各阵元激发声压的离散性，笔者建立单阵元顺序号与其增益值方差的坐标系，分析各阵元单独激发下的增益值离散性，单阵元的增益值方差分布曲线如图3所示。图3单阵元的增益值方差分布曲线从图3中可以观察到，探头各阵元激发声场的声压相较于均值具有离散性，在一定试验条件下，各阵元激发的声场能量并不相同，而是存在一定的波动性。相同的底面回波条件下，第3、4、29和30号阵元的离散性较其他阵元的大。可以推测，组成虚拟探头的各阵元中若存在声场离散性较大的阵元，势必影响该虚拟探头的声场分布，进而影响其声轴线的位置和灵敏度，实际检测应用中，就需要利用软件的方式对各虚拟探头声轴线的声压加以补偿修正，以使各声轴线的声压对同一缺陷具有相同的灵敏度，但当组成虚拟探头的各阵元声压波动较大时，则会引起软件的过度增益补偿或修正，这势必会影响各虚拟探头之间的协调性，从而影响检出缺陷定位和定量的准确性。试验数据分析表明，相控阵探头各阵元所激发的声压存在一定的波动性，而直接影响到一定数量阵元组成的虚拟探头的声压稳定性，故对于实际检测应用来说，探头阵元声压波动性应越小越好。虚拟探头增益值的数据分析根据表1所记录的试验数据，笔者对不同阵元数所能组合的所有虚拟探头的增益值进行方差均值计算，当虚拟探头阵元数为1时，可以组合出32个虚拟探头，则对32组虚拟探头的增益值数据进行方差计算，并计算32组方差的平均值；当虚拟探头阵元数为2时，可以组合出31个虚拟探头，则对31组虚拟探头的增益值进行方差计算，并计算这31组方差的平均值，依次类推得到不同阵元数虚拟探头的增益值方差均值，然后分析虚拟探头阵元数量与其方差均值之间的关系，得到的关系曲线如图4所示。图4虚拟探头阵元数与其增益值方差均值的关系曲线从图4可以看出，虚拟探头的阵元数由1变为2时，虚拟探头的方差均值陡然下降，然后随着虚拟探头阵元数的增加，其整体呈现缓慢下降趋势，且呈现出一定的波动性。首先，相较于单阵元，组成虚拟探头的两阵元所激发的声场会发生叠加，增强了该虚拟探头的声压，且两阵元为相邻阵元，其声场几乎可认为是各单阵元的中心声压（声轴线声压）的叠加，当虚拟探头的声轴线声压增强时，将25mm底面回波幅度调整至满屏幕高度80%时，增益值陡然下降，两阵元之间的声场互补，该情况下组合成的虚拟探头数量较多，虚拟探头增益值方差均值陡然下降；其次，其所表现的下降趋势，主要是因为随着阵元数的增加，组成虚拟探头的各个阵元所激发的声场对该虚拟探头声轴线声压均有贡献，声轴线声压是多个阵元声场叠加的结果；再者，其所表现的缓慢下降，主要是因为随着阵元数的增加，虽然虚拟探头的总声压越来越大，但虚拟探头边缘的阵元距其声轴线越来越远，虚拟探头边缘阵元所激发的声场对其声轴线的声压贡献越来越小。由图4中还可以看出，当阵元数增加到一定数量时，方差均值变为0，即各虚拟探头所接收到的回波声压趋于稳定，也就是说，虚拟探头阵元数的增加均衡了各阵元单独激发声场的强弱。因此，组成虚拟探头的阵元数越多，其声轴线上的声压越稳定，可以避免因个别阵元激发声场的离散性带来的不利影响，但其缺点是会减少相控阵超声探头所能组合出的虚拟探头数量，减少了声轴线的数量，进而影响检测工艺方法中的声场宽度，降低了扫描时声场工件检测区域的覆盖宽度，也就降低了检测效率。图4中亦可见，当虚拟探头阵元数为26时，方差均值突然增加，有悖于整体的变化趋势，这主要是因为当虚拟探头阵元数为26时，在探头所能组合出的7个虚拟探头中，有4个虚拟探头都用到了第29、30号阵元，结合图3中探头各阵元的声场离散性，29和30号阵元激发声场的离散性相较于其他阵元的大，导致其所参与组成的虚拟探头的声轴线声压陡然变化。可见，相控阵超声检测工艺参数的选择和确定时，若组成虚拟探头阵元数较少，则可以组成较多的虚拟探头，增加检测中探头声场的宽度，提高检测效率，但其缺点是虚拟探头声轴线总声压较小，即灵敏度较低，即使可通过提高基础灵敏度的方式加以改变，也会导致信噪比的降低，不利于缺陷的检出和判别，难以发挥相控阵检测的优越性；当虚拟探头的阵元数过多时，虽可以均衡各阵元激发声场的强弱而减小离散性，但其缺点是检测效率低；同时还应该注意，组成虚拟探头的阵元应尽量避开声场离散性较大的阵元。除此之外，虚拟探头的阵元数量也并不是越多越好。根据表1数据，由不同阵元数下，探头所能组合出的所有虚拟探头底面回波的增益值平均值，分析虚拟探头的声压变化规律，虚拟探头阵元数与其增益平均值的关系曲线如图5所示。图5虚拟探头阵元数与其增益平均值的关系曲线图5中纵坐标代表阵元数一定时，步进值为1的情况下，可组合出的所有虚拟探头增益值的平均值。由图5所示的变化趋势可见，随着虚拟探头阵元数的增加，其增益值逐渐下降，值得关注的是当虚拟探头的阵元数增加到一定数量时，增益值出现拐点，转化为反向上升趋势，虚拟探头激发的声压出现了减小的现象，即此时不但不能提高虚拟探头的灵敏度，反而会降低灵敏度，不仅会造成探头阵元数的无效运用，而且无效阵元激发的声场会引入杂波，影响缺陷影像的判别和分析。综上所述，在相控阵超声检测中，为了避免单阵元声场的离散性，虚拟探头的阵元数量应根据实际检测情况确定一个最