专利名称：矢量相控阵超声检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波检测技术，尤其是相控阵超声检测方法。
技术背景超声检测时往往需要对物体内某一区域进行成像，为此，必须进行声束扫描。常赠目控阵超声检测是通过控制换能器阵中各个阵元激励(或接收)脉沖的 时间延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位 关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控波束合成，形成成像扫描 线技术，原理如图1所示。相控阵超声检测成像的分辨率是检测成像的重要指标，是衡量系统检测能 力的重*据，因此也是国内外相控阵研究者不懈努力追求的目标。对比度分辨率表征检测成像中缺陷与背景在色彩上的最小差异，是图像上 能够检测出的回波幅度的最小差别，该指标越好，图像越细腻柔和，细节信息 越丰富。对比度分辨率主要是由检测系统的信噪比和AD采样的精度位数所决 定，系统信噪比、AD (模数)采样的精度越高得到的对比度分辨率也越好。其 中检测系统的信噪比与多个因素相关，包括激励频率、换能器灵敏度、发射功 率以及接收放大器增益等。工程实际中，缺陷的超声检测有两个问题需要解决。 首先对于晶粒粗大或声衰减较大的材料，如铸铁、钬合金、复合材料的检测， 由于声能量在晶界的反射以及散射作用而使得聚焦区域的声能密度较低，接收 到的回波信号较弱，甚至淹没在强背景噪声中无法识别；还有一种情况就是对 小缺陷检测能力的要求日益提高，使得对系统的信噪比要求更高，在焦点处要 求有更高的聚焦增益。实质上，解决这两个问题的关键就是如何提高信噪比，信噪比直接影响着检测成像中对比度分辨率。相控阵技术的出现，利用其阵列 换能器、大孔径发射以及动态偏转聚焦的特点在一定程度上提高了检测系统的 信噪比，提高了成像的对比度分辨率，但对于高衰减材料中检测小缺陷仍存在 聚焦增益(声能密度)不足、信噪比不够。轴向分辨率表征空间轴向辨别两个目标的能力。在回波信号形状上我们可以将轴向分辨率理解为在系统的冲激响应条件下，实际回波信号经过HILBERT 变换后时域上信号(波形包络)的-3dB或-6dB宽度。在常 目控阵检测中，由 于相千叠加时的相位误差影响会使回波包络变宽，从而降低检测的轴向分辨率。发明内容解决问题工程实际中，缺陷的超声检测有两个问题需要解决。首先对于 晶粒粗大或声衰减较大的材料，如铸铁、钬合金、复合材料的检测，由于声能 量在晶界的反射以及散射作用而使得聚焦区域的声能密度较低，接收到的回波 信号较弱，甚至淹没在强背景噪声中无法识别；还有一种情况就是对小缺陷检 测能力的要求日益提高，使得对系统的信噪比要求更高，在焦点处要求有更高 的聚焦增益。在常 目控阵检测中，由于相干叠加时的相位误差影响会使回波 包络变宽，从而降低检测的轴向分辨率。本发明的目的就是提供一种相控阵超 声检测的新方法——矢量相控阵超声检测，该方法较常规相控阵检测能够得到 更高的信噪比并且提高检测轴向分辨率。技术方案为实现以上目的，本发明特提出以下技术方案对于给定的聚焦点或偏转方向，由声压根据聚焦点与相控阵列中各阵元的 位置关系可以 一种矢量相控阵超声检测的方法，一种矢量相控阵超声检测的方法，其特征是利用不同频率超声波在空间 的非相干叠加来实现聚焦。一种矢量相控阵超声检测的方法，其特征是对于设定的聚焦点或偏转方 向根据声压-距离-频率关系来确定矢量相控参数，主要包括相控阵列中各阵元的频率和相位。技术效果理论分析和实验证明适当调整阵列中各阵元激励频率和相位可 以获取更高的回波幅值，得到更高的信噪比从而提高成像对比度；同时对波形 有所改善，使回波包络更加尖锐， 一定程度改善了轴向分辨率。理论分析得出 在声衰减较大的材料中近场检测条件下，声压幅值增加和回波波形包络锐化的 效果更好，对比度分辨率和轴向分辨率提高更大。
具体实施方式
相控阵超声检测的Wl是相控波动叠加。在工业相控阵检测中，声波的初 始声压较小，亦即质点的振动速度较小，马赫数远小于l，并且叠加过程中的 相互扰动等的作用也4艮小，也就是说，此时无论相干叠加还是非相干波动叠加 的过程都满足小振幅波动线性叠加原理。超声信号是能量有限的有限长度的脉沖串。矢量叠加和常糾目千叠加区别 如图2所示，其中频率高的幅值也较大，频率低的幅值较低。左上图是不同频 率不同幅度的若干阻尼序列，左下图是非相千叠加的结果；右上图是同频不同 幅度的阻尼序列，右下图是相应的叠加结果，出现相干叠加的稳定干涉条紋。 可以看到，不同频率叠加与相同频率叠加在各阵元对应声压幅值相同的情况下， 叠加之后的峰值是相同的，但波形明显不同。非相干叠加在除设定位置处稳定 叠加增强，其余位置非稳定叠加的结果是趋向于零，而相干叠加的峰值是周期 出现的。这样得到的脉冲回波包络形状，非相干叠加结果较相千叠加结果趋向 于尖锐化。对超声衰减特征告诉我们对于一定的位置关系，只有在某个频率条件下才 能获得最大声强。在相对位置r (图中ri<r2)确定后，声压P与频率f的关系 示意如图3;距离越大，声压最大处的频率越低。这也就是为什么在检测距离 较大的情况下选择较低的频率，而在检测近的区域用较高频率的原因。距离对声压的影响主要是两个方面 一是波阵面扩大引起的扩散衰减；二 是吸收和散射的距离积累效应。声压P与距离r的关系如图4所示，距离增大,声压降低。综合考虑衰减和频率以W巨离的关系，影响声压的因素有三部分距离的 增加导致声压降低；频率的增加，距离较小时声压逐渐增加，频率继续增加， 材料衰减作用导致声压降低。相控阵列中各阵元与场点之间的位置关系不同， 距离也不同，4艮据阵元距离场点距离不同对应不同的最优频率，再才艮据聚焦方 向和位置可以得到所需的相位关系。
图l相控阵超声检测聚焦和偏转图2矢量相控阵非相干叠加与相干叠加特征对比图3不同距离声压和频率的关系图4声压和距离关系
权利要求
1、一种相控阵超声波检测技术，其特征是利用不同频率、相位的矢量脉冲超声波在空间的非相干叠加来实现聚焦和偏转。
2、 如权利要求1所迷的相控阵超声波检测技米，其特征是对于设定的 聚焦点及偏转方向枨据声压-距离_频率关系来确定矢量相控阵参数。
3、 如权利要求1所述的相控阵超声波检测技术，矢量相控阵参数包括相 控阵列中各昧元激发脉沖的矢量特征频率和相位。
全文摘要
本发明的目的就是提供一种相控阵超声检测的新方法——矢量相控阵超声检测，该方法较常规相控阵检测能够得到更高的信噪比并且提高检测轴向分辨率。相控阵超声检测成像的分辨率是检测成像的重要指标，是衡量系统检测能力的重要依据，为实现以上目的，对于设定的聚焦点或偏转方向根据声压-距离-频率关系来确定矢量相控参数，主要包括相控阵列中各阵元的频率和相位；利用不同频率超声波在空间的非相干叠加来实现聚焦。
文档编号G01N29/34GK101334384SQ20071011805
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月28日 优先权日2007年6月28日
发明者春 彭, 波 彭, 敏 王 申请人:硕德(北京)科技有限公司