基于圖像處理的超聲探頭聲場測量

李雄兵， 胡宏偉， 倪培君， 童林軍

（1. 中南大學CAD/CAM研究所，湖南 長沙 410075；2. 長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410114；3. 中國兵器科學研究院寧波分院，浙江 寧波 315103）

超聲無損檢測技術是檢測材料內部缺陷的一種重要手段[1]，而超聲探頭是超聲波發射和回波接收器件，作為整個檢測系統的重要組成部分，當檢測設備和工藝確定后，探頭的選擇便成為確保檢測質量的最主要因素，探頭的性能要求直接制約著整個檢測系統的性能[2]。

探頭的聲場特性是探頭向周圍介質輻射聲能的分布情況，該特性直接影響到超聲探傷的結果。現有的超聲探頭的聲場特性測量方法比較多，其中水聽器法和球靶法是最為常用的兩種測定方法[3]。水聽器法的精度及實時性較好，技術也比較成熟。但它必須盡可能是線性、寬帶和無方向性的，且水聽器的特性會影響測量結果[4]。本文是利用探頭掃描球靶反射體，通過C掃描圖像將探頭聲場可視化，在此基礎提取其聲場特性。

1 探頭聲場的特性參數

超聲聲場的空間分布是由超聲檢測探頭的輻射特性及空間傳播特性決定的。對均勻傳播空間，輻射聲場的空間分布與探頭的輻射頻率、輻射孔徑及輻射結構有關。探頭一旦確定，它的聲場空間分布也就確定了。如圖1所示，表征探頭的聲場特性的主要有三個參數[5]：近場長度N、孔徑大小d和聲束半擴散角ψ。近場長度為聲源距離最后一個聲壓最大值處的大小；孔徑大小是晶片輻射的有效直徑，由橫過探頭中心部分低于平均回波響應-6dB所測得的聲壓尺寸；聲束半擴散角指在遠離近遠場過渡區的聲束偏離中心線的角度。

圖1 超聲探頭聲場特性參數

2 聲場數據可視化

本文采用的聲場測量系統如圖2所示，首先調節探頭和球靶處于共軸狀態，并將兩者水程距置于標準測試距離，使該處的反射聲壓為最大值；調節探頭沿軸線向球靶移動直到給定距離，按探頭的標稱頻率及晶片直徑，計算軸向和橫向掃查長度、掃查間距，并按照所需聲場精度設定掃查間距，采用弓字形掃查，并實時采集超聲A波數據，自動識別球靶的表面波提取其峰值，采用調色板及可視化技術將聲場數據進行可視化，獲得超聲C掃描圖像。

圖2 球靶法聲場測量的系統組成

超聲C掃描成像就是把球靶回波的峰值轉化成相應的顏色，用不同的顏色填充掃描點位鄰域來描述其聲場特性。超聲C掃描圖像中最小四邊形的組成單元定義為圖元，其數學表示為其中i和 j分別表示掃描點的行號和列號，x, y, z為圖元位置信息為四邊形圖元中左上角頂點的三維坐標值，v為球靶回波的峰值。如圖3所示，聲場的C掃描圖像中的圖元與矩陣中的各元素一一對應，矩陣就成了C掃描圖像在計算機程序中的表現形式，對圖像的處理也可以變成對這個矩陣進行各種運算操作。

3 圖像處理及特征提取

本文給出一種從 C掃描圖像識別聲場特征的方法，其工作流程如圖4所示，先對C掃描圖像進行預處理，消除C掃描圖像中的鋸齒后將其二值化，使聲場從背景中分離開來；接著利用基于邊界元的算法提取聲場的邊緣；最后計算聲場的特性參數值，并將測量結果用于指導超聲無損檢測。

圖4 聲場圖像的處理流程

3.1 預處理及二值化

由于機械回程間隙和超聲信號采集滯后等，使成像圖元和實際測試的聲場位置不重合。如果探頭按照弓字形路徑進行掃描，采集的信號會有滯后，因此有必要對聲場的C掃描圖像進行預處理，消除其鋸齒現象。

為了提取聲場的各特征參數，先得把聲場從C掃描圖像的背景中分離開來。為此，給出聲場閾值v0，對于圖像中信號值為v的圖元，其二值化后的信號值V，有

閾值的大小是確定聲場的依據，它與被檢球靶的大小及材質、探頭的選取、探傷儀器的參數設置等因素緊密相關。在實際應用中一般按照超聲標準試塊與半波法進行試驗確定合適的閾值。

3.2 圖像的邊緣檢測

輪廓跟蹤算法基于聲場邊界的特征，即探頭聲場圖像經過二值化處理后，聲場邊界圖元與相鄰的外側圖元的標記值是不同的。先找出聲場的第一個邊界圖元作為初始點，設定右方位初始跟蹤方向，再對初始邊界圖元周圍的8個圖元，從初始跟蹤方向開始按逆時針順序依次判斷是否是邊界圖元，找到后將該圖元設為當前邊界點，然后修改跟蹤方向并對其周圍圖元繼續進行判斷[6]。邊界跟蹤算法原理如圖5所示，灰色區域為聲場，提取算法描述如下：

Step 1 選取圖像最左上方圖元作為邊界提取初始點，跟蹤初始方向設定為右方。

Step 2 從初始圖元開始沿初始跟蹤方向判別該方向圖元是否為灰色，圖中該方向圖元為灰色，將跟蹤到的圖元作為新的初始點。

Step 3 在原來的跟蹤方向沿逆時針旋轉90°作為新的跟蹤方向，然后判別該方向上的圖元是否為灰色，不是灰色則順時針旋轉45°，沿新的方向繼續判別，直到找到灰色圖元為止。然后將跟蹤方向逆時針旋轉90°作為新的方向。

Step 4 這樣重復上面的過程，直到回到最開始的初始圖元處，圖像邊緣提取結束。

圖5 邊界跟蹤算法示意圖

3.3 測量結果的應用

探頭聲場的測量結果可直接用于指導超聲無損探傷：以實測的孔徑大小作為有效直徑來代替晶片直徑進行 AVG當量分析，將有助于提高檢測精度。探頭掃查速度與孔徑大小也存在一定關系，探頭的孔徑大小愈大，重復頻率越高，掃查速度可相應提高。水聲程的調整因根據實測的近場長度，并保證工件的二次表面回波落在一次底面回波之后，使缺陷大致處于近場距離附近會有助于提高檢測靈敏度。因此，應根據實測半擴散角大小，對反射回波信號根據缺陷深度進行靈敏度補償，提高缺陷的檢測精度。

4 實驗及分析

作者以GE公司生產的Benchmark系列探頭為例進行試驗（標稱頻率為5MHz、晶片直徑為0.5′平探頭），按照平面掃查路徑規劃掃描點，徑向掃描點間距為 0.2mm，軸向掃描點間距為0.3mm，掃描面積為500mm×20mm，掃查起始點距離球靶20mm，聲場的C掃描圖像如圖6所示。

圖 6 某探頭的聲場C掃描圖像

采用上述方法對超聲 C掃描圖像依次進行預處理及二值化、邊緣檢測，在此基礎上提取聲場的各參數，該探頭聲場參數的實測值、理論計算值及其誤差如表1所示。孔徑大小和半擴散角的實測值與理論值差距較小，近場長度理論值盡管與實測值相差較多，這主要是由于理論近場長度計算是根據單個頻率計算所得，而實際測量的近場長度是脈沖波即多個頻率在該軸線上的疊加，還與耦合劑等其它因素有關。

表1 聲場參數理論值與實測值的比較

5 結 論

本文首先建立超聲探傷的聲場特征參數體系，采用球靶法對其聲場進行C掃描成像，然后通過聲圖像處理方法提取各特征參數，最后根據實際檢測的聲場參數來指導超聲無損檢測。實驗驗證表明用該方法測量超聲探頭聲場具有精度較高，穩定性好，且容易實現，可直接用于指導超聲檢測。

[1]Haase W, Maurer A. Latest development s on industrial ultrasonic testing of aircraft components[C]//Proceedings of the World Conference on Non-Destructive Testing. Montreal, Canada, 2004:225-236.

[2]李家偉, 陳積懋. 無損檢測手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2002. 28-30.

[3]ASTM E 1065-99, Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units [S].

[4]陳恒慶. 超聲波聲場測定法及其標準[J]. 冶金標準化與質量, 2003, 41(1): 1-4.

[5]竺科儀. 水浸超聲探頭頻率、聲場特性的分析及測定研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2006.

[6]李 凌, 周曉軍, 李雄兵. 超聲 C 掃描圖像的缺陷邊緣提取及特征參數構建[J]. 中國機械工程, 2007,18(15): 1822-1824.