应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦成像.pdf
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1、第 43 卷 第 3 期Vol.43,No.32024 年 5 月Journal of Applied AcousticsMay,2024 研究报告 应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦成像熊政辉1陈俊超1肖树坤2荆 砚3何 喜3陈 尧1(1 南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室南昌330063)(2 江西洪都航空工业集团有限责任公司南昌330063)(3 中国航发动力股份有限公司西安710021)摘要:楔块斜入射检测工艺下,楔块会进一步降低全聚焦成像的缺陷检测能力。尤其是在检测大深度缺陷和粗晶材料时,全聚焦图像会因为缺陷回波幅值下降,导致缺陷图像的信噪比较低。为了提高入射能量,提出了应用于
2、斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦成像技术。研究结果表明:该技术通过延时控制子孔径阵元激励形成虚拟源发射,显著增加了射入到被检构件中的声能。在横向L值为2040 mm探头移动区间内,1738 mm深度范围内3边钻孔幅值较黄铜全聚焦图像提高4.587.12 dB;当钢制试块为被检对象时,在横向L值为3040 mm 探头移动区间内,4065 mm 深度范围内1边钻孔幅值较全聚焦图像提高0.632.35 dB。因此在该技术应用于楔块斜入射检测工艺下的粗晶材料检测,具有较好的检测效果。关键词:子孔径虚拟源;相控阵;全聚焦;超声检测;斜楔块中图法分类号:TG115.28+5文献标识码:A文章编号:1000-31
3、0X(2024)03-0625-10DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.03.019Sub-aperture virtual source total focus method applied to oblique wedgesXIONG Zhenghui1CHEN Junchao1XIAO Shukun2JING Yan3HE Xi3CHEN Yao1(1 Key Laboratory of Nondestructive Testing,Ministry of Education,Nanchang Hangkong University,Nanchang 3
4、30063,China)(2 Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Corporation Limited,Nanchang 330063,China)(3 AECC Aviation Power Co.,Ltd.,Xian 710021,China)Abstract:Under the wedge oblique incidence detection process,the use of wedges will further reduce thedefect detection capability of total focus method(TF
5、M).Especially in the detection of large depth defectsand coarse-grained material,the TFM image will have a low signal-to-noise rate due to the decrease in theamplitude of defect feedback.In order to improve the incident energy,a sub-aperture virtual source totalfocus method(SVS-TFM)is proposed for o
6、blique wedge imaging.The results show that this technique cancontrol the sub-aperture element excitation by time delay to form a virtual source emission,which significantlyincreases the acoustic energy emitted into the detected component.When the transverse L value is 2040 mm,the amplitude of 3 side
7、 drilling in the depth range of 1738 mm is 4.587.12 dB higher than that in the brassfull-focusing image.When the transverse L value is 3040 mm,in the depth range of 4065 mm,the amplitudeof 1 side drilling is 0.632.35 dB higher than that of carbon steel TFM image.Therefore,this technology isapplied t
8、o the detection of coarse grain materials under the oblique incidence detection process of wedges,andhas a good detection effect.Keywords:Sub-aperture virtual source;Phased array;Total focusing method;Ultrasonic testing;Inclinedwedge2022-11-29收稿;2023-02-09定稿国家自然科学基金项目(62161028,12064001,51705232),南昌航
9、空大学研究生创新专项资金项目(YC2022-s741)作者简介:熊政辉(1999),男,江西南昌人,硕士研究生,研究方向:仪器与科学。通信作者 E-mail:6262024 年 5 月0 引言被 誉 为“黄 金 标 准”的 全 聚 焦(Total focusmethod,TFM)成像技术,因其优异的缺陷分辨率和二次开发能力,已成为无损检测领域的研究热点13。相比于生物组织中的病灶,工业构件结构复杂且缺陷分布更为复杂。当焊缝余高或上表面裂纹类缺陷为被检对象时,通常需要采用斜楔块耦合的方式使声束有效射入被检区域。对于TFM成像而言,耦合方式的改变会引起声波传播特性的变化,进而导致声束在楔块-构件组
10、成的分层介质中传播,但现有TFM成像重建算法仅能适用于声速固定的单一介质,难以适用于对带有倾斜界面的双声速介质。为适应无损检测的需求,相关研究者提出了面向斜楔块的TFM成像技术45,将其应用范围由接触式检测拓展至斜楔块检测,为非打磨焊缝、T 型、L型等复杂构件提供了高缺陷分辨率解决方案6。虽然TFM具有其他成像算法难以企及的优势,但每次发射仅激发一个尺寸较小相控阵阵元,导致射入工件内部的能量相对较低。因此,对于大深度和距探头较远的缺陷,以及粗晶材料中缺陷的声学检测,其成像的缺陷回波幅值较低7。对于加置了楔块的斜入射检测而言,楔块对声束的衰减会进一步限制TFM成像的缺陷检测能力。对于TFM发射能
11、量较低的问题,Lines 等8通过采用编码发射的方式,提高TFM发射的能量,从而提高TFM扫查的深度与范围。但编码发射将会提高仪器的激励信号发射与回波采集的成本,普通相控阵设备难以负担。Pamel等9在粗晶材料中的缺陷检测中,对高衰减信号进行相位相干成像(Phase-coherentimaging,PCI)加权处理,提高图像的信噪比(Sig-nal noise ratio,SNR)与缺陷幅值。但Zhang等10的工作表明,当缺陷发射回波能量低至无法被接收到时,PCI加权技术也将无法提升目标缺陷幅值。王冲等11采用固体指向性补偿的TFM优化算法,提升距探头偏角较大的缺陷幅值。但该方法不适用于带楔
12、块的斜入射TFM 检测。Luo等12采用双层介质平面波斜入射与PCI加权技术相结合的成像方式,提高缺陷的幅值的同时,获得了较好的缺陷图像质量。但平面波的发射方式使得有效检测面大幅降低,在大深度上相干效率显著下降13。因此通过电子延时控制子孔径组激发,模拟一个更强的虚拟激发点,从而提高入射能量成为一种更为经济、有效的选择。子孔径虚拟源(Sub-aperture virtual source,SVS)发射技术,已知最早由Karaman等14提出,通过激发少于探头总晶片数的子孔径组,用电子延时控制多个相邻阵元所发波前,近似为由距探头一定高度的柱面波波前。相较于每次只发射单个阵元的TFM成像,SVS能
13、够利用多阵元发射增加入射波能力,实现提高成像检测深度和范围的目的。Hasegawa等15利用虚拟源发射技术的扫查范围大、发射能量强的特点,将其应用于全孔径的心脏快成像。Ponnle等16进一步将全孔径虚拟源发射技术推广到子孔径发射技术,并应用于医疗颈动脉超声检测,以获得更高的图像分辨率与SNR。Lokesh等17探究医疗超声接触式扫查环境下,使用SVS技术,相较于TFM成像能够提供更高的帧率和更好的图像质量。还有学者将发散波技术引入无损检测领域,提出了子孔径发射与扫查式发射的虚拟源发射方法18,同时也将虚拟源技术扩展到了水浸非规则曲面成像1920。但上述工作均没有考虑实际无损检测中,楔块的存在
14、对于SVS发射图像的干扰,以及在楔块存在下的最佳发射参数。基于此,本文将SVS发射和TFM成像技术相结合,提出面向倾斜界面分层介质的SVS-TFM成像技术。以角度为16.5的楔块对黄铜和碳钢试块中边钻孔为研究对象,以分辨率和SNR为成像质量指标,研究子孔径阵元数量和虚拟源半径对SVS-TFM图像质量的影响。最后将确定最优参数的SVS-TFM图像与TFM图像进行对比,对本文所提方法的有效性进行验证。1理论分析1.1子孔径斜入射发射延时在总阵元数为N 的探头中,单次激发子阵元数为n的阵元组,该阵元组为探头的子孔径。阵元组按照电子延时发射球面波前,以此来模拟一个发射能量较强的虚拟阵元在V 处发射球面
15、波。虚拟阵元及相控阵探头的位置关系如图1所示。探头放置在角度为 的楔块上,取子孔径组正中心O点建立坐标轴中心,以水平方向为x轴,垂直方向为z轴,阵元之间的间距为d,虚拟源半径为F,子孔径宽度为D,子阵列中第i个阵元坐标为第43卷 第3期熊政辉等:应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦成像627(xi,zi)。楔块的纵波声速为c1,进而推导出子孔径阵元组激发延时ti公式为ti=1c1xi F cos(+2)2+zi F sin(+2)21/2 F,i=1,2,n.(1)?VFcos(p Fsin(pFxzxi ziDd图1子孔径发散波的发射延时计算Fig.1 SVS-TFM transmission
16、delay calculation1.2子孔径斜入射成像本文采用斜楔块脉冲反射法的检测工艺,以步进为1的发射去构造一个平行于探头的虚拟发射阵元组。以1号阵元为起始阵元选择阵元数为n的子孔径,随后将起始阵元以步进为1依次递增,子孔径阵元数均为n,最终得到N n+1组子孔径。每个子孔径激励均可表示为一个虚拟源发射超声波。利用1.1节中所计算延时分别激励每一组子孔径,并且每次激励后,阵元数为N 的超声相控阵探头的每一个阵元均接收超声波信号。最终得到N n+1组具有N 条射频信号的数据。将采集的射频数据进行延时叠加,获得SVS-TFM的图像,图2表示了SVS的激发序列。?图2SVS的激发序列Fig.2
17、 Launch sequence of SVS-TFM将探头置于角度、第一阵元高度为H 的楔块上,图像重建的几何关系如图3所示,图3阵列中的条纹方块为本次发射将要激发的子孔径阵元组。FVjVxjVzjCCxsePx zOxsrEmExmEzmxzH图3子孔径斜入射的声束传播时间Fig.3 Sound beam flight time of SVS-TFM以探头中心正下方为原点O建立直角坐标系,根据几何关系推导出楔块上全孔径阵元坐标Em(Exm,Ezm)为Exm=(m 1)d N 12d)cos,Ezm=(m 1)dsin+H,m=1,2,N.(2)其中发射次数为N n+1,根据公式(2)中楔块
18、上全孔径阵元坐标以及1.1节中发射半径F=(n1)d/2推导出第j次发射虚拟源点Vj(V xj,V zj)的坐标为V xj=Exj+Ex(j+n1)2+F sin,V zj=Ezj+Ez(j+n1)2+F cos,j=1,2,N n+1.(3)公式(2)(3)中,Exm和Ezm为第m个阵元的实际坐标,xj和zj为第j 次发射的虚拟源点坐标。在进行后处理成像时首先需计算声传播时间,楔块的存在导致声束路径改变,此时声束在图3的楔块-工件界面会发生折射。因为折射边界两边材料的声阻抗不同,声束路径将不会简单地从等效的虚拟源处直线到达成像区域。根据费马原理可知,声波从虚拟源点Vj发射历经界面入射点xse
19、,到达像素点P(x,z),并通过返回出射点xsr最终回到探6282024 年 5 月头Em(Exm,Ezm)。因此本文采用Snell定理21分别计算入射点xse和出射点xsr:xse V xj(xse V xj)2+V z2jx xse(x xse)2+z2=c1c2,(4)xsr Exm(xsr Exm)2+Ez2mx xsr(x xsr)2+z2=c1c2,(5)其中,V xj和V zj为第j 次发射虚拟源的横纵坐标,x和z为成像区域的坐标点,c1和c2分别是楔块和工件的纵波声速,xse为沿楔块和工件交界面的入射点坐标,xsr为出射点坐标。声束被认为是从假想的虚拟源点处发射的,但实际声波是
20、从实际阵元位置处开始传播,根据入射点xse,进一步计算发射过程中的声束传播到P 点所需时间j为j=1c1(V xj xse)2+V z2j F)+1c2(xse x)2+z2,j=1,2,N n+1.(6)再根据出射点xsr得出从P 点至第m号阵元声传播时间m为m=1c2(x xsr)2+z2+1c1(Exm xsr)2+Ez2m,m=1,2,N.(7)此时第j 次发射,经散射体P(x,z)反射并被接收阵元m接收的飞行时间mj为mj=m+j.(8)经过延时叠加,成像区域像素点P(x,z)的幅值信息为I(x,z)=Nn+1j=1Nm=1Smj(mj),(9)其中,Smj为第j 次发射,第m个阵元
21、接收的信号。公式(9)可求出像素点P(x,z)处的图像幅值,通过对成像区域内每个像素点处理即可得出最终的图像。2实验平台与信号采集2.1实验平台本文使用的被检试块为黄铜立方体试块和相控阵B型标准试块,其中采用黄铜立方体试块中的边钻孔缺陷,用于评价子孔径发散波与TFM成像在粗晶材料中SNR之间的差异,同时评价在横向步进位置相同的情况下,不同深度上的回波幅值差异;相控阵标准B型试块中的边钻孔缺陷,用于评价SVS-TFM与TFM图像中各深度缺陷的分辨率和回波幅值差异。黄铜立方体试块如图4所示,有直径为3 mm的5个边钻孔,从左到右命名为1号5号缺陷。相控阵B型标准试块中所检缺陷如图5所示,有直径为1
22、 mm的边钻孔组,从上到下命名为1号12号缺陷。48 mm20 mm10 mm100 mmd=3 mm1234510 mm7 mm图4黄铜试块5孔缺陷示意图Fig.4 Schematic diagram of the five hole defectof the copper block 75 mm10 mm10 mm2.5 mm5 mm50 mm123456789101112d=1 mm图5相控阵B型标准试块缺陷示意图Fig.5 Schematic diagram of phased array stan-dard B-block defects如图6所示,超声波数据采集平台为Verason
23、-ics公司的Vantage 32LE采集系统,可以实现64发第43卷 第3期熊政辉等:应用于斜楔块的子孔径虚拟源全聚焦成像629射与64接收的超声相控阵检测。线阵探头与面板上的64收/发接口连接,由主机控制超声采集卡收发时序来采集超声波阵列数据。图6Verasonics Vantage32LE采集系统Fig.6 Verasonics Vantage32LE acquisition system如表1所示,本文在实验中采用中心频率为5 MHz、64阵元、阵元间距为0.6 mm的探头,激励电压为20 V,采用角度为16.5的楔块,第一阵元高度为14.5 mm,楔块纵波声速为2337 m/s。表1
24、探头和楔块的参数Table 1Parameters of the probe andwedge实验参数参数值阵元数64阵元间距0.05 mm阵元宽度0.55 mm阵元长度10 mm中心频率5 MHz激励电压20 V楔块角度16.5楔块第一阵元高度14.5 mm楔块纵波声速2337 m/s2.2实验采集步骤本文探究SVS-TFM发射与重建技术,在不同的激发阵元数与子孔径半径下,探究缺陷图像的SNR与分辨率的优劣程度,得出在16.5楔块下较优的发射参数范围。分别以如图7(a)所示的黄铜试块中3号缺陷、如图7(b)所示的相控阵B型标准试块中1号缺陷的横坐标位置为基准,将其与探头正中心位置定义为横向距
25、离L。在图7中,从L为20 mm的距离开始,以5 mm为步进,逐步推动探头向右移动,至40 mm处,共5个采样步进。每一个步进位置处,分别采集TFM信号和不同参数的SVS信号。在4、5、6、7和8激发阵元数下,记录不同虚拟源半径的信号。其中,虚拟源半径F 分别为0.5倍子孔径宽度(0.5D)、等子孔径宽度(1D)和1.5倍子孔径宽度(1.5D)。LL?LL(a)?(b)B?图7信号采集示意图Fig.7 Signal acquisition schematic3评价指标与实验结果3.1实验评价指标本文采用SNR评估成像算法得到的成像质量,其表达式为SNR=20lgsignalnoise,(10)
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