全聚焦方式声学影响图

Chi-Hang Kwan
Guillaume Painchaud-April
Benoit Lepage
本篇论文最初发表于2019年ASNT（美国无损检测协会）研究讨论会上。

摘要

本文介绍了一种新开发的半分析模型，这种模型可用于为非定向性缺陷和定向性缺陷预测全聚焦方式（TFM）波幅灵敏度图。在声程复杂的检测应用中，声波往往会与多个交界面互相作用，而且声波的模式会发生转换，而声学影响图（AIM）提供的信息有助于检测人员调整扫查计划，以改进所获得的全聚焦方式（TFM）图像的信噪比，并提高缺陷的检出率。这个新声学模型的准确性已经通过实验得到了测试和验证，实验所使用的试块中含有一些横通孔和平底孔。验证性实验的结果表明，实证性全聚焦方式（TFM）波幅图与理论性声学影响图（AIM）具有高度统一性。实验结果还表明，这种模型可用于指导检测人员选择合适的全聚焦方式（TFM）检测模式。

引言

全聚焦方式（TFM）是一种合成孔径声束形成技术，在过去的十年中，这种技术一直在无损检测（NDT）行业得到积极的发展[1]。全聚焦方式（TFM）可通过将适当的发送延迟和接收延迟应用于全矩阵捕获（FMC）数据集中的A扫描数据的方法，以电子方式使声束在检测区域内的每个位置上聚焦。由于声束在每个位置上都以电子方式聚焦，全聚焦方式（TFM）可以提供比常规相控阵超声检测技术更好的分辨率。此外，通过计算和应用多种声学模式的渡越时间，多模式全聚焦方式（TFM）还可以提供有关被测样件的其他信息[2]。

尽管全聚焦方式（TFM）具有上述优势特性，但还是会受到物理定律的制约，具有某些局限性。由于声束与交界面互相作用产生的影响、声束形成的局限性，以及声束在传播路径上的衰减，检测区域的灵敏度可能会变得很差。现在全聚焦方式（TFM）还属新生事物，还缺乏相关的检测规范，而且多模式全聚焦方式（TFM）成像又颇为复杂，因此，检测人员一般还不太了解全聚焦方式（TFM）在物理方面的局限性，因而不能确定一个可以保证高信噪比（SNR）和高检出率的合适的扫查计划。在这种情况下，我们需要引进一个为特定的全聚焦方式（TFM）检测扫查计划评估声学灵敏度的工具。

声学影响区

声学影响图（AIM）是一种用于特定全聚焦方式（TFM）检测扫查计划的理论性声学波幅灵敏度图。一般来说，用于定向性和非定向性缺陷散射体的声学影响图（AIM）不太一样。无损检测领域中非定向性散射体的示例包括熔渣和孔隙，而定向性散射体的示例包括焊缝中的未熔合缺陷以及各种裂纹。缺陷的定向性散射响应是在相控阵探头系统建模中经常被忽略的一个重要参数。

为了计算声学影响图（AIM），我们开发了一种基于声线的半分析声学模型，用于计算脉冲回波、串列（探头自身一发一收）和双跨距（V形声程）全聚焦方式（TFM）检测模式的双向压力响应。该声学模型考虑到了传输系数和反射系数、声束的几何扩散和材料衰减等因素的影响。此外，在模型中，我们还使用了瑞利-索默费尔德积分[3]，为平底孔（FBH）的远场散射响应建模。平底孔（FBH）的散射响应用于模拟方向性缺陷。

验证性实验 为了检验声学模型的准确性，我们进行了验证性实验：将在实验中获得的全聚焦方式（TFM）波幅图与根据理论计算出来的TFM声学影响图（AIM）进行了比较。在本小节中，我们将介绍在两次验证性实验中获得的结果。第一次验证性实验使用了一个含有小直径横通孔（SDH）的试块完成，这些横通孔用于模拟非定向性缺陷散射体的散射响应。第二次验证性实验使用了一个含有平底孔（FBH）的试块完成，这些平底孔用于模拟定向性缺陷的散射响应。 对于本文中介绍的结果，X轴上探头第一个晶片的右侧被定义为正向，Z轴上被测样件表面的下方被定义为正向。此坐标系统的示意图如图1所示。

图1：本文中所用的坐标系统。

借助横通孔进行验证

借助横通孔进行的验证性实验使用了一个NAVSHIPS公制单位1018钢试块完成，试块中含有6个直径为1.2毫米的横通孔（SDH），横通孔的深度在6.25毫米到37.5毫米之间，深度步距为6.25毫米。将试块翻转过来，横通孔的深度范围可以从6.25毫米变为68.75毫米。在这次实验中，我们使用了一个32晶片的5L32-A31探头，探头的中心频率为5 MHz，晶片间距为0.6毫米。探头被耦合在36.1º的SA31-N55S-IHC Rexolite楔块上。图2是一个实验设置的示意图。

图2：借助横通孔进行验证性实验的示意图。注意图中仅显示了顶部扫查的方向。

通过沿着试块的表面平移探头，我们获得了来自相对于探头不同位置的横通孔的散射回波。在每个扫查位置处收集的全矩阵捕获（FMC）数据集用于后处理，以生成实证性全聚焦方式（TFM）波幅图。在下面的小节中，我们对后处理算法进行说明。

生成实证性全聚焦方式（TFM）波幅图

生成实证性全聚焦方式（TFM）波幅图的主要步骤如下：

• 针对一个特定缺陷，在一个固定扫查位置上，使用一个深度（Z轴方向）闸门在波幅图的宽度方向上获得一条波幅线。
• 在不同的扫查位置上重复步骤1，以获得这个特定缺陷的一条复合波幅线。
• 为所有其它缺陷重复步骤1和2，以在不同的Z轴位置上获得所有缺陷的复合波幅线。
• 在Z轴方向上插入复合波幅线，以获得最终的全聚焦方式（TFM）波幅图。

步骤1如图3所示。图3表明：我们首先在由Z轴闸门确定的深度位置上沿着波幅图的宽度方向生成了一个全聚焦方式（TFM）条形图。Z轴闸门位置的确定基于缺陷的已知深度。在全聚焦方式（TFM）条形图X轴的每个位置上，提取Z轴方向上的最大波幅，以生成图3底部显示的波幅线。

图3：为一个特定缺陷在一个扫查位置上获得波幅线的步骤。

要为一个特定缺陷生成一条复合波幅线，我们要比较在不同扫查位置上获得的所有波幅线，并记录下最大波幅值。这个步骤如图4所示。

图4：在不同扫查位置上生成复合波幅线的步骤。

为一个特定缺陷生成了复合波幅线之后，还要为处于不同深度的所有缺陷重复这个过程。图5中显示的是在脉冲回波TT模式下为NAVSHIPS试块中的几个横通孔（SDH）获得的复合波幅线（顶部和底部两个方向）。在图5和本文中出现的所有其他源于TFM检测的实验图像中，全聚焦方式（TFM）图像的波幅均未被归一化。由于采集电子设备中使用了一个12位数字转换器，且探头中含有32个晶片，因此全聚焦方式（TFM）图像中的理论最大波幅为2097152（212 ÷ 2 × 32 × 32）。

请注意，图5中不包括6.25毫米、62.5毫米和68.75毫米深度处的横通孔（SDH）的复合波幅线。由于这些横通孔离试块的横向边界很近，因此无法在波幅图的整个宽度上为它们获得完整的复合波幅线。

图5：NAVSHIPS试块中横通孔的复合波幅线。

比较实证性全聚焦方式（TFM）波幅图与声学影响图（AIM）

通过对图5中所示的复合波幅线进行Z轴方向上的插值操作，我们获得了图6（a）中所示的实证性全聚焦方式（TFM）波幅图。

图6（a）表明这个全聚焦方式（TFM）扫查计划在较低（30º）和较高（>70º）偏转角度上的灵敏度都很差。在较低偏转角度上灵敏度较差的原因是从Rexolite楔块到钢制试块的传输系数值太小。相比之下，在较高偏转角度上灵敏度较差的原因是较大的有效F值会减弱聚焦效果。这些发现都与建议为常规相控阵角度检测使用的偏转角度准则中所述的情况一致[6]。

图6：脉冲回波TT模式的实证性横通孔波幅图（a）和理论性横通孔声学影响图（b）。（从活动孔径的中点位置）添加了30º和70º偏转角度准则。对应的理论性横通孔声学影响图（AIM）如图6（b）所示。

通过对比图6的（a）和（b），我们显然可以得出以下结论：声学模型可以准确地预测扫查计划中具有很高灵敏度的区域。两个图像之间的差异可能是由于在探头沿着试块表面平移时，探头所受到的耦合压力稍微有些不同。请注意，理论性声学影响图（AIM）的波幅是任意单位，因为要为来自采集系统的接收电压信号的确切量级进行建模极其困难。不过，由于不同的声学影响图（AIM）使用的是一致的任意单位，因此仍然可以比较不同扫查计划和不同声学模式的全聚焦方式（TFM）声学灵敏度。

借助平底孔进行验证

为了测试声学模型预测定向性缺陷波幅灵敏度的准确性，我们使用了定制机加工试块进行了验证性实验。试块的厚度为20毫米，试块中含有几个钻制的平底孔，以模拟典型的J形坡口焊缝的剖面。在这项研究中，我们使用了5个平底孔（FDH），这些平底孔底面的法向量的方向在水平线以下3º。图7是一张标出了扫查轴的试块照片。

图7：含有定制机加工平底孔的试块，标出了扫查轴。

在这项实验中，我们使用了一个32晶片的5L32-A32探头，探头的中心频率为5 MHz，晶片间距为1毫米。探头被耦合在一个36.1º的SA32-N55S-IHC Rexolite楔块上。由于平底孔底面的方向近于垂直，因此所获取的全聚焦方式（FMC）数据集可以在串列（单跨距）模式下进行处理。图8为扫查计划的示意图。

图8：验证性实验的示意图表明使用了串列TFM模式。

比较实证性全聚焦方式（TFM）波幅图与声学影响图（AIM）

图9（a）和（b）分别为串列TTT模式下的实证性平底孔波幅图和理论性平底孔声学影响图（AIM）。通过对比这两张图，我们显然可以得出以下结论：声学模型可以在扫查区域内准确评估相对的声学灵敏度。图9表明，串列TTT模式可以更好地探测到接近被测样件底部的垂直缺陷。

图9：串列TTT模式的实证性平底孔波幅图（a）和理论性平底孔声学影响图（AIM）（b）。

图10（a）和（b）分别为串列TLT模式的实证性平底孔波幅图和理论性平底孔声学影响图（AIM）。通过对比两张图，我们再一次可以得出明确的结论，声学模型可以在扫查区域内准确地评估相对的声学灵敏度。实证性波幅图从“x = 25毫米”到“x = 40毫米”的波动是由具有相似传播时间的其他声学模式的干扰而引起。

此外，通过对比图9和图10，我们发现两种串列模式之间的最大波幅比率在实证性波幅图中约为3.3（13800/4200），在理论性声学影响图中约为3.4（1.23/0.36）。波幅比率的相似性表明声学模型还可以用于预测不同TFM成像模式之间的相对声学灵敏度。

图10：串列TLT模式的实证性平底孔波幅图（a）和理论性平底孔声学影响图（AIM）（b）。

应用示例

为了进一步演示声学模型的实用性，我们为大家举一个实际应用的示例，在这个例子中，理论性声学影响图（AIM）用于指导我们对全聚焦方式（TFM）检测模式的选择。在这个应用中，我们检测了一个带有V形坡口焊缝的样件，样件中有一个已知未熔合缺陷。焊缝角度约为35º，我们所用的探头和楔块与在平底孔（FBH）验证性实验中使用的探头和楔块相同：5L32-A32探头和SA32-N55S-IHC楔块。图11为实验设置的示意图。

图11：未熔合检测的示意图。

在理论性模型中，未熔合缺陷由直径为5毫米的平底孔（FBH）模拟，该平底孔的底面偏离垂直方向35º。图12中为分别对应于串列TLT模式和双跨距TTTT模式的理论性声学影响图（AIM）。

图12：在串列TLT模式下（a）和双跨距TTTT模式下（b）的未熔合扫查计划的理论性声学影响图。

图12表明与双跨距模式的声学影响图（AIM）相比，TLT模式的声学影响图（AIM）更不规则。因此，要想使用TLT模式对未熔合缺陷的大小进行可靠的评估比较困难。此外，TLT模式的预期波幅比双跨距模式低3个数量级。根据这些理论性声学影响图（AIM），我们可以预测双跨距TTTT模式是更好的全聚焦方式（TFM）成像模式。图13为对应于两种模式的源于实验的全聚焦方式（TFM）图像。

图13：串列TLT模式（a）和双跨TTTT模式（b）的未熔合缺陷的TFM图像。

图13表明双跨距模式的TFM图像具有良好的信噪比（SNR），因而可以更明确地评估未熔合缺陷的大小。相反，串列TFM图像的信噪比（SNR）较差，而且还有一些难以解读的离散型回波。离散型回波很可能是来自未熔合缺陷尖端的衍射回波。因此，在串列TLT模式下，很难评估缺陷的维度和类型。

串列TLT模式的TFM图像的信噪比较差，而且波幅较低，如图12（a）的理论性声学影响图所示。但是，需要注意的是，图13中两种模式的回波波幅的比率低于图12中理论性AIM所预测的波幅比。由于未熔合缺陷的几何形状不同于用于模拟缺陷的平底孔（FBH）模型，因此在理论性模型中，来自未熔合缺陷尖端的衍射回波的波幅可能被低估了。

结论

本文说明了一种可以为非定向性和定向性缺陷准确预测全聚焦方式（TFM）波幅图的声学模型。对于特定的检测模式，这个模型可用于调整扫查计划（孔径、扫查频率、探头位置等），以优化信噪比（SNR）和检出率。由于该模型提供了不同声学模式之间相对波幅的比较，因此也可用于选择最合适的全聚焦方式（TFM）重建模式。将来，我们计划将模型的应用扩展到更复杂的几何体，并包括更多的缺陷散射情况，以提高模型的实用性。

参考文献

[1] C. Holmes, B. W. Drinkwater, and P. D. Wilcox, “Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit–receive array data for non-destructive evaluation,”（在无损评估中对全矩阵超声传输接收数据的后处理） NDT E Int., vol. 38, no. 8, pp. 701–711, Dec. 2005.

[2] K. Sy, P. Bredif, E. Iakovleva, O. Roy, and D. Lesselier, “Development of methods for the analysis of multi-mode TFM images,”（多模式TFM图像分析方式的发展） J. Phys. Conf. Ser., vol. 1017, p. 012005, May 2018.

[3] L. W. S. Jr, Fundamentals of Ultrasonic Nondestructive Evaluation: A Modeling Approach（超声波无损评价的基础知识：建模方法）, 2nd ed. Springer International Publishing, 2016.

[4] Foundations of Biomedical Ultrasound（生物医学超声的基础）. Oxford, New York: Oxford University Press, 2006.

[5] S. I. Nikolov, J. Kortbek, and J. A. Jensen, “Practical applications of synthetic aperture imaging,”（合成孔径成像的实际应用） in 2010 IEEE International Ultrasonics Symposium, San Diego, CA, 2010, pp. 350–358.

[6] E. A. Ginzel and D. Johnson, “Phased-Array Resolution Assessment Techniques,”（相控阵分辨率评估技术） p. 13.