Page 20 - 《应用声学》2025年第1期
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                                                                                     n
             检测,将能接收到缺陷回波的阵元范围限制在缺陷                                                1  ∑
                                                                          I(x, z) =     s i [t i (x, z)].  (4)
             的正上方附近区域,以抑制图像畸变。尽管如此,在                                               n
                                                                                     i=1
             检测截面中存在多个目标的情况下,由于多重散射                            由此即实现了声束在目标点处的聚焦。进一步地,
             的存在,成像结果仍会受到一定的影响                  [13] 。另一种
                                                               通过对厚度截面上各点进行遍历,选取不同的目
             方式是对其进行有效的波束形成。对于单阵元探头,
                                                               标点并按上述流程进行计算,可以获得完整的截面
             可以采用几何聚焦 (如曲面聚焦、声透镜聚焦、反射
                                                               图像。
             镜聚焦)   [5]  对其发出的声束进行控制,使其能量始终
                                                                                      L
             汇聚在目标点所在的位置。采用具备多个阵元的相                                  ᢛ᧿ս㖞
                                                                                        ĂĂ
             控阵探头或使用一定的数据后处理技术同样可以                                   O   (x 1 , 0)   (x i , 0)  (x n , 0)  x
             实现这一目的,具体内容将在后文进行论述。                                             β 0.5          β 0.5

             1.1.3 单探头合成孔径聚焦成像                                                                         ৊
                                                                                                       ᓖ
                 合成孔径聚焦技术 (Synthetic aperture focus-                                                   ᡚ
                                                                            ༠൪㤳ത           ༠൪㤳ത        䶒
             ing technology, SAFT) 通过采用图像重建算法对
             探头在各检测点采集到的数据进行处理,能够实现                                              ⴞḷ⛩   (x֒ z↽
             A 扫信号在目标检测区域的聚焦               [14] ,从而解决常                        L              L
                                                                     z
             规单探头B 扫存在的图像畸变问题。该方法结合了
                                                                           图 4  单探头 SAFT 原理图
             B 扫的移动扫描方式与延时叠加 (Delay-and-sum,
                                                                    Fig. 4 Schematic of SAFT on a single probe
             DAS) 的数据处理方法,利用单探头的小孔径可以
             获得与大孔径阵列相当的成像效果                [15] 。                 虽然 SAFT 是采用等间隔移动超声探头的方
                 按照数据处理的表达域,SAFT 存在时域和频                        式对大孔径的线性阵列进行模拟,但是它却具有大
             域之分   [16−17] 。现以时域中的SAFT为例,对方法的                  孔径线性阵列所不具有的优势。理论上,波束角越
             原理进行说明       [18] 。如图 4 所示,超声探头沿着结构               小,声束的指向性越好,图像的横向分辨率也就越
             表面从左向右等间隔扫查,逐点向结构内部发射具                            高。只有在使用较高的工作频率和大孔径探头进行
             有一定宽度的声束,并对回波信号进行接收和记录。                           近距离检测时才能达到这一效果。然而,SAFT 的
             以厚度截面左上角表面某点处为原点建立 x-O-z 直                        合成孔径的横向分辨率仅为探头孔径的一半                     [16] ,而
             角坐标系。当探头移动到(x 1 , 0)点时,位于(x, z)处                  与波长和探测深度无关            [15,19] 。这就意味着可以采
             的目标点进入声束的覆盖范围;当探头向右逐渐移                            用单个小孔径探头和较低的工作频率实现对远距
             动至 (x n , 0) 点时,目标点离开声束覆盖范围。因此,                   离区域的高分辨率检测           [5,20] ,不仅能降低设备成本,
             对于该目标点,有效的探头测点位置位于 x 轴上长                          还能获得较高的成像质量。
             度为L的[x 1 , x n ]坐标范围内,L 即为合成孔径的有
                                                               1.1.4 双探头衍射时差成像
             效长度。由图 4 可见,该值等于声束在目标点深度 z
                                                                   与 前 文 基 于 脉 冲 回 波 原 理 的 两 类 方 法 不
             处的宽度。可以基于探头的半功率波束角 β 0.5 进行
                                                               同,超声波衍射时差法 (Time-of-flight diffraction,
             估计  [15] :
                                                               TOFD) 基于一发一收原理,是一种通过获取缺陷
                              L ≈ β 0.5 · z.            (2)    端点衍射波的传播时间差实现缺陷定位和定量的

             由于探头是自发自收,因此对于第 i 个测点 (x i , 0),                  检测方法。TOFD 被广泛应用在焊缝检测领域当
             目标点(x, z)在该处接收信号中所对应的时刻为                          中 [21] 。如图5所示,检测时,分别将两个相同的探头
                                                               放置在检测区域两侧。左端探头发射声束,右端探
                                √
                                         2    2 /
                      t i (x, z) = 2 (x i − x) + z  c,  (3)
                                                               头接收回波信号。若该区域无缺陷,右端探头只会
             式 (3) 中:c 为声波的传播速度,m·s         −1 。对于有效长          收到沿结构上表面传播的侧向波和来自结构下表
             度 L 范围内的 n 个测点,将各自接收信号中目标点                        面的底面回波;若检测区域存在缺陷,右端探头的
             (x, z)所对应时刻的幅值进行叠加,即可获得该点处                        回波信号在侧向波和底面回波之间,还会存在来自
             的像素值:                                             缺陷端点的衍射波。基于两个衍射波包的到达时刻
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