Page 61 - 《应用声学》2021年第6期
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第 40 卷 第 6 期              刘志勇等： 幅度调制的非线性超声相控阵成像方法                                           857


                                                               模式传输法      [15−17]  合理利用超声阵列实现了幅度
             0 引言
                                                               调制效率的优化，但缺乏对于延迟时间选择方法的
                 超声相控阵是一种超声检测和成像技术，在工                          探究，而且对裂纹闭合部分长度表征精度较低。
             业无损检测领域具有较强的适用性，广泛用于构件                                本文引用了一种基于幅度调制的非线性超声
             内部裂纹、孔洞等缺陷的定位和成像。近年来对于                            相控阵成像方法，利用物理聚焦和虚拟聚焦两种聚
             工业结构中损伤和缺陷检测的精度要求逐渐提高，                            焦模式下超声扩散场的声能差作为非线性参量，间
             而对于一些不易产生超声回波响应的缺陷 (如闭合                           接测量所有非线性分量用于疲劳裂纹闭合部分的
             裂纹等)，传统超声相控阵检测技术容易发生漏检，                           检测和成像。对材料疲劳裂纹开展实验研究，将非
             不利于突发性事故的预防            [1] 。非线性超声信号因对             线性超声相控阵成像方法与传统超声相控阵全聚
             结构中早期损伤、材料性能退化、微小缺陷等具有                            焦法 (Total focusing method, TFM)   [18]  进行对比，
             高敏感性而备受学者和行业关注               [2−3] 。将非线性超         实现了疲劳裂纹闭合部分的检测定位和裂纹长度
             声方法应用于超声相控阵检测技术，在闭合裂纹的                            表征精度的提高，并进一步研究了扩散场信号延迟
             定位与成像检测方面将极具潜力。常规非线性超                             时间对非线性超声相控阵成像质量的影响。
             声方法是基于对由裂纹面的接触振动产生的特定
             非线性分量的测量。由于带宽限制 (相控阵在其中                           1 基于幅度调制的非线性超声相控阵成
             心频率附近具有有限的带宽) 和高衰减特性 (较高                             像原理
             频率的高次谐波在返回阵列换能器之前会迅速减
                                                                   超声相控阵在检测时有两种常用的激励方式，
             小)，很难在一般实验条件下直接测量和提取具有
                                                               分别是并行激励和顺序激励，分别对应物理聚焦和
             不同频率 (例如 f/2、2f、3f · · · ) 的非线性分量。因
                                                               虚拟聚焦两种聚焦模式。物理聚焦是指所有阵元按
             此，以次谐波和高次谐波作为非线性参量研究非线
                                                               一定延时法则激励，实现声束对某个采样区域的聚
             性超声相控阵是比较困难的。例如，Ohara 等                  [4−6]
                                                               焦，每个阵元分别用于接收声响应。虚拟聚焦是指
             采用次谐波分量接收信号进行了一系列研究用于
                                                               按顺序采集所有激励-接收阵元组合的声响应，即全
             闭合裂纹成像，但是仍难以克服分辨率较低的问
                                                               矩阵捕获 (Full matrix capture, FMC)，在后处理中
             题。韩国标准与科学研究所引入了一种超分辨率法
                                                               对全矩阵数据施加延时，传统超声相控阵中常用的
             (MUSIC)以解决次谐波分量分辨率较低的问题，但
             这种次谐波产生的条件仍较为苛刻                [7] 。              TFM 便是如此。在这两种聚焦模式中，超声传输在
                 另一方面，提出了一种利用基波响应的幅度依                          线性上是等效的。由于分别使用物理聚焦和虚拟聚
             赖性间接测量所有非线性分量的方法。该概念最初                            焦进行传输，因此在待检试样的聚焦点处，物理聚焦
             被应用于单片机的波形测量，被称为缩放减法                     [8−9] 。  的实际入射波幅度大于虚拟聚焦的情况。因此，两
             幅度调制是一种使载波的幅度根据所需的传输信                             种聚焦模式在聚焦点处不是非线性等效项。其实，
             号的变化规律而变化但是频率保持不变的调制方                             在物理聚焦中，由于聚焦点处的线性响应与阵列的
             法，被广泛用于有线或无线电通信和广播                   [10] 。参考     阵元数量 N 成正比，故其对应的非线性响应幅值与
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             缩放减法的工作原理，在幅度调制原理的基础上，基                           N 成正比，非线性效应引发的基波的声能损失与
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             于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够将                             N 成正比。因此，对具有 N 个阵元的相控阵列，两
             幅度调制方法与非线性超声相控阵成像相结合。该                            种聚焦模式基波声能损失差别很大，物理聚焦时的
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             幅度调制方法依据声波在目标区域中产生的线性                             声能损失是虚拟聚焦时的 N 倍，且阵元数量越多，
             响应幅值与入射波幅值成比例，而非线性响应幅值                            这种差别越大。对于如今常用的 32/64/128 阵元的
             与入射波幅值不成比例的原理，通过调制可提高非                            超声线阵，当采用这两种模式进行检测时，缺陷点处
             线性响应在超声信号中的对比度，并将其作为非线                            由于非线性效应引起的声能损失差别将变得异常
             性参量对目标区域进行成像。基波振幅差法 (Fun-                         巨大。另外，非线性响应包含次谐波、高次谐波以及
             damental wave amplitude difference, FAD) [11−13] ，  其和频、差频的组合，而这些非线性效应的产生都
             阵元数调制传输法         [14]  等都属于基于幅度调制的非               是由基波的能量提供的。因此，利用聚焦点处两种
             线性超声相控阵成像方法，其中不同相位控制聚焦                            聚焦模式的声能差作为非线性表征参量，充分考虑
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