环形阵列超声换能器的全聚焦成像方法及其应用

发布时间：2021-09-11 13:05

　　在检测高衰减的大厚度构件时,相控阵超声声束在非聚焦区域的声能量损失严重,采用线阵或矩阵超声换能器的检测精度和最大检测深度常难以满足要求。首先,建立了合成声束三维声场分布模型,分析了不同阵列超声换能器的空间声场能量分布特点,发现环阵超声换能器在相同聚焦深度处的声场特性更好,同时具有阵元数量少、声束焦斑沿轴线中心完全对称等特点。然后,建立了一种采用环阵超声换能器的全聚焦方法（TFM,Total Focusing Method）,并基于试样群速度测量结果对各向异性材料中的聚焦算法进行了优化。在这种方法中将所采集到的全矩阵数据沿换能器中心轴线进行重建,可实现沿深度方向的逐点无穷聚焦。最后,利用所研制的阵列超声C扫描自动检测系统对预埋有缺陷的3D打印钛合金试样进行了对比检测实验,结果表明采用全聚焦成像算法的环阵超声换能器能实现55mm试样内部直径0.8mm、深度5.0mm平底孔和横孔缺陷的精确检测,相对于常规的动态聚焦算法有更高的检测信噪比和定量精度。 

【文章来源】：航空学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

环阵超声换能器的聚焦声场计算示意图

不同阵列超声换能器在单层介质中的聚焦声场

针对单个检测区域，将环阵超声换能器内所有阵元依次作为发射-接收阵元组合，所采集到的超声回波时域信号是包括发射阵元序列、接收阵元序列和时间采样点数的三维数据，即全矩阵数据[13-14]。环阵超声换能器全矩阵数据采集的过程与采用线性阵列换能器相似，可归纳为：首先，激发环阵超声换能器的阵元1，并让换能器的所有阵元晶片进行回波信号的并行接收，如图4(a）所示。其次，将采集到的回波数据定义为S1r(N），其中r=1,2，…，N，回波数据中包含了每个时间采样点接收信号的幅值，共N组数据，即图4(b）中的第1行数据，T表示发射阵元，R表示接收阵元。最后，按照上述采集步骤，依次激发环阵超声换能器中各个阵元，共获得N×N组回波数据。由于环阵超声换能器阵元数目少，其采集耗时和数据量均远小于其他换能器。采用全矩阵数据可对中心轴线上任意一点进行虚拟聚焦，利用合成幅值信息实现图像表征。对于规则的矩形试样和楔块，环阵全聚焦算法的原理如图5所示。选取试块上表面中心为坐标系原点O，建立二维直角坐标系xOz。通过采集到的全矩阵数据和传播时间，依次对轴线上每一个离散点的幅值进行叠加，可获得试件内部沿轴线方向上不同深度的成像信息[15]。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超声环阵相控阵的变孔径聚焦检测技术[J]. 沙正骁,梁菁,李彦.  失效分析与预防. 2019(02)
[2]相控阵超声水浸C扫描自动检测系统的研制[J]. 周正干,李文涛,李洋,高翌飞.  机械工程学报. 2017(12)
[3]高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题[J]. 王华明.  航空学报. 2014(10)
[4]环形相控阵换能器辐射和反射声场[J]. 赖溥祥,张碧星,汪承灏.  声学学报. 2007(03)
[5]超声相控阵二维面阵实现三维成像研究进展[J]. 杨平,郭景涛,施克仁,冯纪成,冯纪高.  无损检测. 2007(04)



本文编号：3393050