李 力，余新亮，張全林

（水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002）

超聲A掃描信號(hào)建模及其缺陷識(shí)別方法研究

李 力，余新亮，張全林

（水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002）

針對(duì)超聲檢測(cè)中A掃描信號(hào)依靠經(jīng)驗(yàn)評(píng)定結(jié)構(gòu)缺陷、識(shí)別缺陷類(lèi)型困難等問(wèn)題，提出一種A掃描信號(hào)建模方法，計(jì)算出缺陷A掃描信號(hào)。該方法基于超聲檢測(cè)系統(tǒng)建立A掃描信號(hào)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用多元高斯聲束法計(jì)算模型中缺陷表面超聲波傳播質(zhì)點(diǎn)速度，運(yùn)用基爾霍夫近似理論描述模型中缺陷散射振幅，從而獲得缺陷超聲A掃描信號(hào)。應(yīng)用CSII-1/20標(biāo)準(zhǔn)試塊平底孔（缺陷）超聲A掃描表明：該方法計(jì)算獲得試塊平底孔5#（缺陷）A掃描信號(hào)與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果在缺陷位置和幅度基本吻合，是識(shí)別結(jié)構(gòu)孔洞類(lèi)缺陷的一種有效方法。

超聲檢測(cè)；A掃描信號(hào)建模；缺陷；識(shí)別

0 引言

超聲檢測(cè)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、石油化工、混凝土建筑等行業(yè)質(zhì)量檢測(cè)[1-4]。A型脈沖反射式超聲檢測(cè)儀是超聲檢測(cè)普遍使用設(shè)備，A型脈沖反射回波信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)A掃描信號(hào)），是超聲檢測(cè)儀常見(jiàn)輸出信號(hào)顯示形式。A掃描信號(hào)，橫軸顯示缺陷位置，縱軸顯示缺陷信號(hào)幅度，是目前常規(guī)超聲檢測(cè)評(píng)定設(shè)備缺陷關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，能否反映缺陷真實(shí)大小直接關(guān)系缺陷能否檢出和缺陷評(píng)定結(jié)果。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備超聲檢測(cè)都是直接觀察A掃描信號(hào)波形依靠經(jīng)驗(yàn)識(shí)別出缺陷超聲信號(hào)后，進(jìn)行缺陷位置和缺陷當(dāng)量大小評(píng)定工作[5]。這種經(jīng)驗(yàn)檢測(cè)很大程度受到檢測(cè)人員操作技術(shù)水平、檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法等因素影響，當(dāng)檢測(cè)工件材質(zhì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員也會(huì)遇到缺陷類(lèi)型正確識(shí)別困難[6]。因此，目前超

聲檢測(cè)A掃描依靠經(jīng)驗(yàn)評(píng)定可能會(huì)存在缺陷類(lèi)型識(shí)別困難問(wèn)題，本文針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)研究，給出了一種結(jié)構(gòu)缺陷超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)建模與計(jì)算方法，計(jì)算缺陷的A掃描信號(hào)。該方法應(yīng)用CSII-1/20標(biāo)準(zhǔn)試塊平底孔（缺陷）計(jì)算，該方法計(jì)算獲得試塊平底孔5#（缺陷）A掃描信號(hào)與試驗(yàn)測(cè)量相符，是識(shí)別結(jié)構(gòu)孔洞類(lèi)缺陷的一種有效方法。

1 A掃描信號(hào)建模與計(jì)算方法

圖1為超聲檢測(cè)A掃描技術(shù)，工作原理是：發(fā)射探頭向檢測(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)射脈沖超聲波，超聲波與檢測(cè)結(jié)構(gòu)中缺陷相互作用，引起的回波經(jīng)接收探頭獲得缺陷超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)。缺陷超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)形成過(guò)程包括超聲波發(fā)射、超聲波與缺陷相互作用和超聲波接收3個(gè)過(guò)程。

圖1 超聲檢測(cè)A掃描技術(shù)原理示意圖

1.1 信號(hào)建模

依據(jù)A掃描信號(hào)形成原理，從頻域角度建立一個(gè)描述信號(hào)的等效數(shù)學(xué)模型[7-8]，見(jiàn)圖2所示模型傳遞函數(shù)為

式中：VR（ω）——輸出回波信號(hào)電壓頻域函數(shù)；

SG（ω）——發(fā)射過(guò)程傳遞函數(shù)；

SA（ω）——超聲波與缺陷相互作用過(guò)程傳遞函數(shù)；

SR（ω）——接收過(guò)程傳遞函數(shù)；

Vi（ω）——輸入電壓頻域函數(shù)。

令S（ω）=SG（ω）SR（ω）Vi（ω），有

式中：S（ω）——超聲檢測(cè)系統(tǒng)固有特性函數(shù)。

對(duì)于一個(gè)確定超聲檢測(cè)系統(tǒng)，發(fā)射和接收過(guò)程脈沖發(fā)生器、發(fā)射電纜線、發(fā)射探頭、接收探頭、接收電纜線和脈沖接收器自身物理特性是給定的，因此超聲檢測(cè)系統(tǒng)固有特性函數(shù)S（ω）是已知的[7-8]。建立A掃描信號(hào)數(shù)學(xué)模型，理論描述了實(shí)際A掃描信號(hào)產(chǎn)生3個(gè)具體過(guò)程，模型輸出回波信號(hào)是計(jì)算超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)基礎(chǔ)。

1.2 信號(hào)計(jì)算

圖2 超聲A掃描信號(hào)數(shù)學(xué)模型

建立模型是為了求解超聲波與缺陷相互作用的過(guò)程，計(jì)算出超聲回波信號(hào)。應(yīng)用互易原則[7-8]，Thompson-Gray給出了該作用過(guò)程傳遞函數(shù)為

A（ω）——缺陷散射振幅；

ρ——檢測(cè)對(duì)象介質(zhì)密度；

c——檢測(cè)對(duì)象介質(zhì)中傳播類(lèi)型超聲波聲速；

k——檢測(cè)對(duì)象介質(zhì)中傳播類(lèi)型超聲波波數(shù)，

k=2π/λ；

λ——傳播類(lèi)型超聲波波長(zhǎng)；

Ze——發(fā)射探頭聲阻抗。

代入式（2），模型輸出回波信號(hào)為

式（4）傅里葉逆變換，模型輸出回波信號(hào)為

式（5）模型輸出回波信號(hào)VR（t）即為超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)，超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)計(jì)算方法重點(diǎn)在于發(fā)射接收探頭輻射檢測(cè)對(duì)象缺陷表面質(zhì)點(diǎn)速度和缺陷散射振幅A（ω）參數(shù)求解。

1.2.1 缺陷表面質(zhì)點(diǎn)速度

超聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另外一種介質(zhì)是常見(jiàn)傳播形式，多元高斯聲束法可計(jì)算各向同性介質(zhì)中超聲波傳播規(guī)律[9-10]。利用該方法計(jì)算圓形晶片直探頭發(fā)射超聲波從介質(zhì)1穿過(guò)界面進(jìn)入介質(zhì)2傳播，在介質(zhì)2中傳播質(zhì)點(diǎn)速度為

式中：γ——介質(zhì)2傳播超聲波類(lèi)型，取縱波或橫波；

s1，s2——介質(zhì)1，2超聲波傳播距離；

An——多元高斯疊加常系數(shù)；

Y——坐標(biāo)矩陣[x，y]。

式中：ω——角頻率；

a——圓形直探頭晶片半徑；

Bn——多元高斯疊加常系數(shù)。

1.2.2 缺陷散射振幅

基爾霍夫近似理論可以描述超聲波與缺陷相互作用的散射場(chǎng)，該理論忽略沿缺陷表面?zhèn)鞑サ牟?，將散射?chǎng)近似為缺陷上每個(gè)點(diǎn)切平面反射場(chǎng)相加。平底孔是最具代表性的標(biāo)準(zhǔn)反射體，是缺陷當(dāng)量評(píng)定重要參考[11-12]。使用基爾霍夫近似理論，平底孔反射體散射場(chǎng)振幅為

式中：bf——平底孔反射體半徑。

1.3 缺陷識(shí)別

兩個(gè)參數(shù)求解后，那么超聲A掃描信號(hào)計(jì)算：首先，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)對(duì)象，確定合理超聲檢測(cè)系統(tǒng)，獲取模型中檢測(cè)系統(tǒng)固有特性函數(shù)S（ω）；其次，利用式（6）、式（7）和式（8）計(jì)算超聲波探頭輻射檢測(cè)對(duì)象缺陷表面質(zhì)點(diǎn)速度V0（ω）和缺陷散射振幅A（ω）；最后，將上述求解結(jié)果代入式（5）可以得到理論計(jì)算超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)VR。因此，利用超聲A掃描信號(hào)建模，可以計(jì)算大量理論孔洞類(lèi)缺陷A掃描超聲信號(hào)數(shù)據(jù)，建立孔洞類(lèi)缺陷A掃描超聲特性庫(kù)，對(duì)于實(shí)際某結(jié)構(gòu)孔洞內(nèi)缺陷超聲檢測(cè)的A掃描信號(hào)，直接對(duì)比庫(kù)內(nèi)信號(hào)，就可以直接觀察識(shí)別出結(jié)構(gòu)孔洞類(lèi)缺陷。

2 實(shí)例分析

選用CSII-1/20標(biāo)準(zhǔn)試塊（近似各向同性介質(zhì)）作為檢測(cè)對(duì)象，發(fā)射和接收都選用圓形縱波直探頭，中心工作頻率2.5MHz，晶片直徑20mm。選平底孔5#作為缺陷，孔直徑為φ2mm，探頭表面到平底孔平面距離L為25mm，超聲檢測(cè)試驗(yàn)圖如圖3所示。選定超聲檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)后，求解已知超聲檢測(cè)系統(tǒng)固有特性函數(shù)S（ω），利用式（6）、式（7）和式（8）計(jì)算超聲波探頭輻射檢測(cè)對(duì)象缺陷表面質(zhì)點(diǎn)速度V0（ω）和缺陷散射振幅A（ω），代入式（5）計(jì)算平底孔缺陷超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)。圖4是正向檢波歸一化后平底孔缺陷體超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)計(jì)算方法與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比，表明模型計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。因此，應(yīng)用超聲A掃描信號(hào)建模及缺陷識(shí)別方法可以直接觀察識(shí)別出結(jié)構(gòu)孔洞類(lèi)缺陷。

圖3 CSII-1/20標(biāo)準(zhǔn)試塊超聲檢測(cè)試驗(yàn)（單位：mm）

圖4 平底孔5#缺陷體超聲檢測(cè)計(jì)算A掃描信號(hào)與試驗(yàn)測(cè)量比較

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)超聲檢測(cè)A掃描中缺陷類(lèi)型直接識(shí)別困難問(wèn)題，提出了一種缺陷A掃描信號(hào)建模與計(jì)算方法，建立A掃描信號(hào)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算獲得缺陷A掃描信號(hào)。通過(guò)實(shí)例分析應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

（1）建立A掃描信號(hào)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用多元高斯聲束法計(jì)算超聲波探頭輻射被檢對(duì)象缺陷表面質(zhì)點(diǎn)速度，運(yùn)用基爾霍夫近似理論描述缺陷散射振幅，計(jì)算獲得缺陷超聲A掃描信號(hào)。A掃描信號(hào)建模與計(jì)算方法能夠提供不同平底孔缺陷A掃描超聲特性研究數(shù)據(jù)，直接參考比對(duì)實(shí)際信號(hào)，是一種直接正確識(shí)別孔洞類(lèi)缺陷的有效方法。

（2）CSII-1/20試塊平底孔5#（缺陷）超聲A掃描實(shí)例應(yīng)用表明：缺陷超聲檢測(cè)A掃描信號(hào)建模與計(jì)算方法與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了方法正確性。A掃描信號(hào)波形局部差異反映了數(shù)學(xué)模型需要進(jìn)一步修改完善，如充分考慮超聲波探頭和被檢工件實(shí)際耦合效果等。

（3）缺陷A掃描信號(hào)建模與計(jì)算方法計(jì)算結(jié)構(gòu)缺陷理論超聲檢測(cè)的A掃描信號(hào)特性，可用作標(biāo)準(zhǔn)試塊和超聲檢測(cè)儀性能是否良好校準(zhǔn)參考。同時(shí)，在不進(jìn)行大量試驗(yàn)情況下，利用缺陷超A掃描信號(hào)建模與計(jì)算方法提供不同大小孔洞類(lèi)缺陷信號(hào)的超聲特性，直接用于參考比對(duì)實(shí)際信號(hào)，有利于提高超聲檢測(cè)孔洞類(lèi)缺陷檢出率和定量評(píng)定結(jié)果可靠性。

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Ultrasonic A-scan signal modeling for structure defect recognition

LI li，YU Xin-liang，ZHANG Quan-lin
（Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design and Maintenance，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

A-scan signal of ultrasonic testing was always applied to evaluate structure defect.It was difficult to recognize structure defect type for the A-scan signal was directly evaluated on the basis of experience.Therefore this paper presented an approach of A-scan modeling for structure defect recognition.In this approach，an A-scan frequency-domain model was firstly developed，the multi-Gaussian beam model was given to calculate ultrasonic wave particle velocity of structure defect surface，and the Kirchhoff approximation theory was applied to describe structure defect scattering.Ultrasonic A-scan signal of structure defect was finally calculated.The results of ultrasonic testing of a flat bottom hole in CSII-1/20 standard test block showed that the waveform and amplitudeofcalculated A-scan signalwerein good agreementwith theexperimental measurements.So，the approach can be effective to recognize a flat bottom hole in structure.

ultrasonic testing；A-scan modeling；structure defect；recognition

TB551；TP391.9；TP301.6；TH878+.2

：A

：1674-5124（2014）01-0014-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.004

2013-03-05；

：2013-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51175401）2012三峽大學(xué)碩士學(xué)位論文培優(yōu)基金（2012PY021）

李 力（1964-），女，湖南汨羅市人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械監(jiān)測(cè)、控制與診斷，機(jī)械信號(hào)分析與處理，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等。