陳 愷，朱利民，張 楊

(上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240)

相控陣超聲技術具有檢測效率高和便于開發(fā)自動化檢測系統(tǒng)等特點，近年來在航空航天領域的復合材料、大型復雜構件的檢測中應用廣泛[1]。相控陣超聲系統(tǒng)的探頭由多個陣元以不同的陣列形式排布，通過對不同的陣元施加幅值、相位不同的激勵電壓脈沖，調(diào)整延時法則，可實現(xiàn)聲束焦點位置和方向的調(diào)整[2]，同時，多個陣元進行超聲信號收發(fā)可大大提高檢測效率。在檢測未知形狀的試件時，由于無法預先計算延時法則，超聲能量在傳播過程中損失過大，測量范圍減小，測量精度受到影響[3]。在檢測曲面試件時，部分超聲成像算法(如全聚焦成像和平面波成像)都要求曲面形狀已知[4]。

針對未知形狀曲面構件的超聲檢測問題，目前廣泛采用自適應全聚焦成像和自適應平面波成像法來解決。自適應全聚焦成像法采用依次激發(fā)陣元、所有陣元接收信號的收發(fā)方式[5]；自適應平面波成像法采用激發(fā)所有陣元并使用所有陣元接收信號的收發(fā)方式[6]，二者都需要計算測量區(qū)域內(nèi)每個像素點的超聲信號疊加幅值，并根據(jù)圖像結果提取出構件的表面輪廓。這兩種方法的缺點是需要大量計算聲波的傳播路徑，難以應用于實時檢測[7]。

ROBERT等[8]提出了自適應的超聲檢測方法。自適應超聲檢測技術是一種基于迭代優(yōu)化的技術，其根據(jù)渡越時間對延時時間進行優(yōu)化，使得超聲波聚焦于被測件表面。在此基礎上，文章結合脈沖回波仿形技術和界面檢測技術，根據(jù)渡越時間和自適應超聲檢測中的延時時間計算構件的表面形狀，并將其與全聚焦成像提取的界面輪廓作對比。結果表明，迭代過程可減小脈沖回波仿形測量的誤差，且無需測算聲波的傳播路徑。利用M2M公司的Panther型相控陣超聲儀器及采集軟件Acquire的遠程控制接口編寫的客戶端軟件，實現(xiàn)了構件形狀的自適應仿形功能。

1 技術原理

1.1 界面檢測

界面波的波達時間指的是陣元激發(fā)的聲波從發(fā)射到被陣元接收所需的時間。在激發(fā)到接收的過程中，聲波會經(jīng)過數(shù)次反射和折射，最終在接收器上形成具有多個波峰的波形。

圖1 滑動窗口法渡越時間檢測示例

對界面波波達時間的檢測可轉換為對超聲渡越時間的檢測。超聲渡越時間的檢測方法可分為時域法和頻域法，其中時域方法又包括閾值法、曲線擬合法、滑動窗口法。閾值法是最簡單的方法，但其抗噪性能不佳。文章采用滑動窗口法檢測渡越時間[9]?；瑒哟翱诜ǘ稍綍r間檢測示例如圖1所示，圖中第一個出現(xiàn)的回波信號對應的位置即為被測件的界面,但由于該信號包含接收器自身發(fā)射的超聲聲波(初始波)，所以不能用于分析界面形狀?？筛鶕?jù)實際檢測采集到的信號設置閘門，將初始波排除?；瑒哟翱诜ǖ脑頌椋瑢τ谝唤M回波信號，記其最大幅值為Vmax,設定閾值系數(shù)為α，則閾值為Vmax·α。使用寬度為N的窗口，從信號起始點以單位點為步長向右滑動，在該窗口內(nèi)，信號絕對值超過閾值Vmax·α的點數(shù)記為n。設定點數(shù)閾值為m，若n>m，則認為該處為目標窗口。目標窗口的起始位置對應的點記為Pi(i為點編號)，記f為采樣頻率，則渡越時間tTOF可寫為

tTOF=i/f

(1)

相比于閾值法，滑動窗口法對噪聲點具有更好的魯棒性，因為少量的噪聲點無法觸發(fā)窗口閾值。試驗的閾值系數(shù)α設定為0.2,窗口寬度N設定為50，窗口閾值設定為20(無量綱)。

1.2 相控陣超聲延時法則

相控陣超聲技術可以對各個陣元進行單獨控制使其可獨立接收回波信號；也可對各個陣元施加不同的延時，改變疊加波形的方向和聚焦位置[10-11]。當對各個陣元施加相同的控制信號時，各個陣元同時產(chǎn)生球面波，球面波互相疊加，形成行波脈沖[見圖2(a)]。改變不同陣元脈沖信號的相對延時，可使疊加聲束產(chǎn)生方向偏轉[見圖2(b)]，或產(chǎn)生聚焦[見圖2(c)]。因此，可調(diào)整延時法則或探頭的入射角度，使疊加聲束垂直入射復雜形狀構件的表面。

圖2 相控陣超聲不同延時法則的效果

1.3 自適應相控陣超聲檢測

自適應檢測基于迭代方法進行，被測件的表面形狀是未知的。每次掃查的延時法則由上一次掃查的渡越時間確定，第一次掃查的延時時間設置為0。掃查時每個陣元均進行發(fā)射和接收。ti,j為第j次檢測中，第i個陣元測得的渡越時間；Ei,j+1為第j+1次檢測中，第i個陣元施加的延時時間。Ei,j+1定義式為[8]

(2)

為保證延時法則中的最小延時為零，需將延時時間按式(3)進一步處理。

Ei,j+1=Ei,j+1-min(Ei,j)

(3)

延時的目的是使得各陣元發(fā)射的聲波同時到達被測件界面，從而實現(xiàn)疊加聲波的垂直入射。把式(3)代入式(2)，可得到延時時間的迭代表達式為

(4)

經(jīng)過數(shù)次迭代后，入射波的合成波將逐漸接近平行于被測件表面，此時聲波近似垂直入射被測件表面。自適應迭代效果如圖3所示，圖中線條為各次迭代的疊加聲波。迭代的原理為逐步補償差值使得疊加聲波逐漸與試件界面形狀一致。

圖3 自適應迭代效果示意

1.4 脈沖回波仿形

相控陣超聲探頭同時激發(fā)所有陣元并使用全部的陣元接收超聲信號，每個陣元可獲得一組A掃描信號。每組信號通過界面檢測，可得到各陣元對應的渡越時間。第i個陣元距離被測件表面的距離di可表示為[8]

di=cti/2

(5)

ti=Ti-2Ei+max(Ei)

(6)

式中：c為超聲在耦合劑中的聲速；Ti為第i個陣元測得的渡越時間；ti為反射時間；Ei為第i個陣元的延時。

以第i個陣元的中心點Ci為圓心，距離di為半徑作圓。有以下假設及推論：① 假設入射波垂直于被測件表面，此時被測件的表面輪廓曲線相切于上述的所有圓[12]；② 假設相鄰陣元的中心距離遠小于被測件表面在對應反射點處的曲率半徑，則相鄰陣元的反射路徑平行[13]。

設以第i個陣元為圓心的圓與被測件表面的切點為Mi(見圖4),Mi的坐標(xMi,zMi)可表示為

xMi=xCi+di·sinαi

(7)

zMi=di·cosαi

(8)

(9)

式中：αi為第i個陣元的反射路徑與z軸的夾角;Ci為第i個陣元的中心點；xCi為Ci的橫坐標。

圖4 聲波與試件表面的幾何關系示意

對于陣元總數(shù)為N的線陣探頭，總共可得到N-1個切點。對切點進行擬合，即可得到該試驗對應的曲面形狀。

1.5 全聚焦成像輪廓提取

全聚焦成像采用了全矩陣捕捉技術，充分利用了采集過程中的信息，成像效果較好[6]。文章從全聚焦成像中提取輪廓作為自適應測量迭代優(yōu)化結果的比較對象，避免了與試件模型直接比較時存在的加工誤差和配準誤差。

全聚焦成像的結果是以測量區(qū)域為大小的矩陣數(shù)據(jù)，由于掃查時探頭位于試件的正上方，所以矩陣數(shù)據(jù)的縱向對應超聲的傳播方向。提取全聚焦矩陣數(shù)據(jù)中的列數(shù)據(jù)x(n)[見圖5(a)],對其進行離散希爾伯特變換[14]，變換式為

(10)

對全聚焦矩陣數(shù)據(jù)的每一列進行最大包絡提取，可得到一組界面點，進一步對界面點進行三次曲線擬合，即可提取出表面輪廓(見圖6紅色虛線)。

2 軟件開發(fā)

筆者結合M2M公司的相控陣超聲采集器控制軟件Acquire提供的SDK(軟件開發(fā)工具包)接口進行客戶端軟件開發(fā)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸、渡越時間計算、結果顯示等功能。軟件的設計流程及相關指令如圖7所示。Acquire軟件提供了參數(shù)設置、數(shù)據(jù)獲取、網(wǎng)絡連接等接口和指令，可通過TCP(傳輸控制協(xié)議)通訊進行指令傳輸。指令傳輸需要提供對應的函數(shù)指令編號、輸入?yún)?shù)總長、輸入?yún)?shù)，接收的數(shù)據(jù)包括指令函數(shù)運行狀態(tài)和函數(shù)返回值。在計算出延時法則后，需要生成符合Acquire規(guī)范的延時文件，通過SDK接口的LoadLawFile指令在超聲采集器進行延時設置。StartAcquisition指令用于啟動A掃描數(shù)據(jù)傳輸，LoadConfiguration指令用于在掃查前設置相關參數(shù)。Acquire軟件界面如圖8所示。

圖5 全聚焦成像輪廓的提取

圖6 全聚焦圖像輪廓提取

圖7 軟件的設計流程及相關指令

圖8 Acquire軟件界面

3 試驗過程

試驗采用水浸法對試件進行檢測，試驗及設備實物如圖9所示，平臺由64通道相控陣超聲探頭、超聲采集器、計算機主機、MOTOMAN-MH80型機械臂和水槽組成。機械臂用于控制和調(diào)整探頭位姿。試件表面輪廓線為貝塞爾曲線，曲率單方向變化，材料為鋁合金。

圖9 試驗平臺及設備實物

試驗采用的相控陣超聲探頭型號為5L64-1.0X7-S13-F2.5-D3，探頭參數(shù)如表1所示，激發(fā)電壓為70 V。

表1 相控陣超聲探頭參數(shù)

試驗時，利用機械臂將探頭固定于試件上方20 mm處，陣元排列方向與試件曲率變化方向一致，采集范圍為探頭陣列投影到被測件界面的輪廓線所覆蓋的區(qū)域，采集長度為超聲探頭的總寬度。

4 結果與分析

圖10 迭代前后B掃描圖像及輪廓圖像對比

采用全聚焦成像法和自適應仿形法對試件表面進行形狀測量，并以全聚焦成像的結果作為參照，分析歷次迭代的效果。圖10為迭代前后B掃描圖像及輪廓圖像對比，B掃描圖像橫向對應各個陣元，縱向為掃查方向，各點處的顏色對應接收信號的強度。未經(jīng)迭代優(yōu)化時，由于沒有施加延時法則，各陣元發(fā)射的聲波并不同時到達反射面，所以B掃描圖像中分界面曲率有明顯的變化。經(jīng)過迭代優(yōu)化后，疊加聲波接近平行于發(fā)射面，因此B掃描圖像中的分界面更為平直。

試驗共進行4次迭代優(yōu)化，將提取出的輪廓曲線與全聚焦提取的輪廓曲線進行對比(見圖11)發(fā)現(xiàn)，迭代優(yōu)化后得到的輪廓曲線與全聚焦提取得到的輪廓曲線誤差較小。迭代最大誤差及平均誤差如表2所示，可見經(jīng)過迭代后，最大誤差和平均誤差均下降，表明迭代具有優(yōu)化效果。第4次迭代最大誤差大于第3次的可能原因為計算渡越時間時產(chǎn)生了誤差。

圖11 全聚焦與歷次迭代提取的輪廓曲線對比

表2 迭代最大誤差及平均誤差

與全聚焦成像輪廓提取方法相比，自適應仿形在精度上有所損失，但運算量小。試驗中的全聚焦成像區(qū)域尺寸為100.0 mmX63.9 mm(長×寬),步長為0.1 mm，需要計算的成像點數(shù)為640 640，而在自適應仿形中，探頭陣元數(shù)為64，每次迭代需要計算的點數(shù)為63，迭代4次的總點數(shù)為315，僅為全聚焦成像點數(shù)的0.049%，大大減小了運算量。

5 結語

利用相控陣超聲技術、界面檢測、迭代優(yōu)化、脈沖回波仿形技術和最大包絡提取進行了曲面的自適應仿形研究。試驗結果表明，迭代過程可以降低測量誤差，且無需計算聲波的傳播路徑，大大減小了運算量，提高了檢測的效率和實時性。