馬　銳　施未來

(海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系　南京　210007)

?

基于整體聚焦算法(TFM)的超聲探測(cè)技術(shù)*

馬銳施未來

(海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系南京210007)

摘要針對(duì)具有不規(guī)則表面器件的內(nèi)部微觀缺陷的無損檢測(cè)問題,以超聲相控陣技術(shù)為基礎(chǔ),利用聲場(chǎng)能量的整體聚焦法則,為器件內(nèi)部微觀缺陷的精確定位和成像提供有效的解決方案。

關(guān)鍵詞無損檢測(cè); 超聲相控陣; 整體聚焦法

Ultrasonic Phased Array Nondestructive Detection Technique Based on Total Focusing Method

MA RuiSHI Weilai

(Department of Information Warfare Research, Naval Command Academy, Nanjing210007)

AbstractAiming at the problem of nondestructive testing of micro defects at mechanical workpiece surface and internal, the total focusing method based on the ultrasonic phased array technology is used to provide an effective solution for micro defect localization and imaging.

Key Wordsnondestructive detection, ultrasonic phased array, total focusing method

Class NumberTB553

1引言

超聲無損檢測(cè)技術(shù)是通過超聲波與試件相互作用,就超聲反射、透射和散射波的性質(zhì)和參數(shù)進(jìn)行研究,對(duì)試件進(jìn)行微觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征,并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)[1]。

目前,常規(guī)的超聲檢測(cè)原理為:超聲探頭激發(fā)入射波進(jìn)入工件表面和內(nèi)部,如果工件某區(qū)域出現(xiàn)缺陷,入射波將在這些區(qū)域處被反射,該反射波被稱為界面回波;在工件質(zhì)量良好的區(qū)域,超聲波將其視為均勻的同性質(zhì)材料,探頭激發(fā)的入射波將直接在工件底面處被反射而回,該反射波稱為底面回波[2～4]。根據(jù)回波信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)機(jī)和位置,結(jié)合超聲波在工件材料中的傳播速度以及被測(cè)工件的幾何尺寸,可以準(zhǔn)確地分辨界面回波和底面回波,進(jìn)而判斷工件的缺陷區(qū)域。

常規(guī)的超聲無損檢測(cè)技術(shù)主要根據(jù)界面和底面回波信號(hào)來判斷工件的缺陷區(qū)域,由于其工作原理和技術(shù)條件的限制,常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)存在著較多缺陷:

1) 分辨力低。超聲探頭發(fā)射出的聲場(chǎng)在空間縱向與橫向都存在不均勻性。不均勻的波束在不同材料分界面上傳播時(shí),會(huì)發(fā)生聲波能量的衰減和波束的分散,降低其對(duì)于缺陷區(qū)域的分辨力,導(dǎo)致小尺寸缺陷難以被檢測(cè)到,或者將多個(gè)靠近的小缺陷判斷為一個(gè)大缺陷的情況,影響檢驗(yàn)精度。

2) 反饋信息單一。常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)主要根據(jù)回波信號(hào)來判斷檢測(cè)區(qū)域是否存在缺陷或焊合與否,不能提供更多種類的信息,無法精確的判定缺陷的種類、尺寸和幾何特征。

3) 受被測(cè)試件的影響較大。工件表面粗糙度和平整度、邊緣側(cè)壁的散射效應(yīng)、四周邊的延展、變形、開裂等均對(duì)于超聲信號(hào)的傳播與提取造成嚴(yán)重的干擾。

4) 檢測(cè)效率低下、成本較高。常規(guī)超聲檢測(cè)探頭使用單晶探頭,尺寸較小,每次掃描的區(qū)域極其有限,檢測(cè)效率低下;為提高檢測(cè)精度,檢測(cè)探頭一般配備聲學(xué)透鏡,使得聲場(chǎng)能量能夠聚焦到一定深度。但是聲學(xué)透鏡的聚焦深度固定,對(duì)于不同厚度的工件需要配備不同的聲學(xué)透鏡,使得檢測(cè)成本較高。

超聲相控陣無損檢測(cè)技術(shù)來源于雷達(dá)相控陣與常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聲學(xué)透鏡來產(chǎn)生和接收超聲波束,通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的不同延遲時(shí)間,改變聲波到達(dá)(或來自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系,實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)和聲束方向的變化,從而實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。然后采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)掃描區(qū)域的成像[1,5～9]。超聲相控陣探頭由多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律排列組合在一起,常見的有線陣和二維面陣。工作時(shí),探頭每個(gè)晶片能單獨(dú)發(fā)射指令給出的脈沖,通過相控陣電子設(shè)備控制每個(gè)晶片脈沖發(fā)射的延遲,或按照一定規(guī)律組合依次激勵(lì)部分晶片從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波束的自由控制,完成對(duì)指定檢測(cè)區(qū)域的能量聚焦。信號(hào)接收時(shí),根據(jù)發(fā)射延遲法則,控制每個(gè)晶片的接收時(shí)延,達(dá)到接收信號(hào)的同步相干,并進(jìn)行各個(gè)通道內(nèi)信號(hào)匯集,完成聚焦點(diǎn)信號(hào)的提取,其原理如圖1所示。

圖1　超聲相控陣檢測(cè)過程原理示意圖

超聲相控陣技術(shù)相對(duì)常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù),其聲場(chǎng)聚焦手段更方便自由,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多點(diǎn)聚焦。在實(shí)際應(yīng)用中為能達(dá)到最好的檢測(cè)效果(如精確量化缺陷尺寸),最理想的狀態(tài)莫過于在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)聚焦。圖2顯示了聲場(chǎng)在檢測(cè)區(qū)域未聚焦和逐點(diǎn)聚焦后,對(duì)于缺陷的成像效果。可以發(fā)現(xiàn),聲場(chǎng)在逐點(diǎn)聚焦后,對(duì)于缺陷尺寸的判斷具有明顯的幫助。

圖2　聲場(chǎng)能量逐點(diǎn)聚焦對(duì)于缺陷區(qū)域的成像效果影響

然而,在實(shí)際應(yīng)用中,受制于待檢區(qū)域位置尺寸,檢測(cè)速度,設(shè)備性能及一些無法逾越的物理因素,很難通過直接設(shè)置相控陣探頭的延遲法則來達(dá)到逐點(diǎn)聚焦的目的[10～11],進(jìn)而影響檢測(cè)的精度和可信度。

本文基于超聲相控陣技術(shù),提出整體聚焦法,通過特殊的數(shù)據(jù)采集方法(全矩陣捕捉技術(shù))加上特有的后期數(shù)據(jù)處理算法,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的逐點(diǎn)聚焦成像技術(shù)(Total Focusing Method,TFM)。為機(jī)械工件微觀缺陷的精確定位和成像提供有效的解決方案。

2方法與試驗(yàn)過程

2.1整體聚焦法(TFM)

1) 全矩陣捕捉技術(shù)(TFC)

整體聚焦法的數(shù)據(jù)采集模式稱為全矩陣捕捉技術(shù),其處理過程是超聲探頭換能器的N個(gè)發(fā)射單元按一定延遲法則依次連續(xù)發(fā)射信號(hào),所有接收單元同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的接收,如圖3所示。探頭陣列每一對(duì)發(fā)射/接收通道的時(shí)域信號(hào)按一定時(shí)序采集到一個(gè)N×N的二維全信號(hào)矩陣Kn(t)中等待后續(xù)處理,矩陣中的每個(gè)單元是一個(gè)A掃信號(hào)Kij(t),這條A掃信號(hào)由晶片j(發(fā)射單元)發(fā)射,并由晶片i(接收單元)接收,如圖4所示。

圖3　全矩陣捕捉技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模式

Kn(t)　n∈[1,N×N]圖4　二維全信號(hào)矩陣結(jié)構(gòu)

2) 整體聚焦成像算法

圖5顯示了運(yùn)用整體聚焦法進(jìn)行成像的算法處理過程。如圖5所示,整體聚焦(TFM)成像技術(shù)需要首先在檢測(cè)范圍內(nèi)劃定一個(gè)成像區(qū)域(Region of Intersting,ROI)。隨后,計(jì)算成像區(qū)域ROI內(nèi)每一像素點(diǎn)相對(duì)矩陣Kn(t)中每條A掃信號(hào)的聲程,即從相控陣探頭晶片j(發(fā)射單元)到檢測(cè)區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)P,再到晶片i(接收單元)的超聲波傳播時(shí)間(Tij(P))。通過聲程Tij(P)在全信號(hào)矩陣Kn(t)中找到對(duì)應(yīng)的A掃信號(hào)數(shù)據(jù)Kij(t),并提取其信號(hào)幅值A(chǔ)ij(P),矩陣中所有Aij(P)的和,即為P點(diǎn)的圖像信號(hào)強(qiáng)度響應(yīng)值Ip:

(1)

圖5　整體聚焦成像算法示意圖

以上所述,是整體聚焦法進(jìn)行缺陷定位和成像的應(yīng)用原理。事實(shí)上,整體聚焦法是一種后期信號(hào)處理技術(shù),該技術(shù)能夠?qū)z測(cè)區(qū)域內(nèi)所有掃描點(diǎn)的A掃信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到二維全信號(hào)矩陣中,用戶可利用各種信號(hào)處理算法對(duì)于存儲(chǔ)在矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理,得到其它類型的信息,在使用上具有很大的靈活度,應(yīng)用范圍廣泛。具體到機(jī)械工件的微觀缺陷檢測(cè),可以通過整體聚焦法提取其疑似缺陷區(qū)域的信號(hào)數(shù)據(jù),綜合利用諸如擬合、對(duì)比、匹配以及特征提取等信號(hào)處理方法,提取有用的信息,從而精確描述缺陷的位置、尺寸、性質(zhì)和幾何特征等信息。

2.2試驗(yàn)材料和器材

檢測(cè)試件采用帶有多種類型的人工缺陷316L不銹鋼試塊作為標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)試塊。缺陷類型包括傾斜開裂缺陷、φ0.2mm小橫通孔、直徑0.1mm的隨機(jī)分布?xì)饪滓约颁忼X形缺陷,如圖6所示。

圖6　標(biāo)準(zhǔn)試塊

超聲相控陣檢測(cè)設(shè)備采用法國(guó)M2M公司生產(chǎn)的GMKKO檢測(cè)儀,其具體參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　GMKKO超聲檢測(cè)儀參數(shù)指標(biāo)

2.3試驗(yàn)過程

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊分別采用常規(guī)相控陣扇掃檢測(cè)和TFM法檢測(cè)。檢測(cè)方法采用接觸法,即相控陣檢測(cè)儀探頭與試塊表面直接接觸,并沿表面水平移動(dòng),移動(dòng)速度控制在20mm/s～30mm/s。檢測(cè)儀探頭與標(biāo)準(zhǔn)試塊表面之間采用凈水作為耦合劑。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7顯示了對(duì)于帶有多種類型的人工缺陷316L不銹鋼試塊,分別使用常規(guī)相控陣扇掃方式和整體聚焦法(TFM)的成像效果。

圖7　常規(guī)相控陣與TFM成像效果對(duì)比

如圖7(a)所示,對(duì)于傾斜開裂+前端0.2mm孔洞的組合型缺陷區(qū)域,使用常規(guī)相控陣扇掃檢測(cè),將距離較近的兩種類型缺陷判斷為一個(gè)較大的傾斜開裂缺陷,未能檢測(cè)出傾斜開裂缺陷前端的0.2mm孔洞。而采用TFM能夠較為精確的檢測(cè)出兩種缺陷的類型、位置和幾何尺寸。

圖7(b)顯示了對(duì)于直徑0.1mm的隨機(jī)分布?xì)饪兹毕輩^(qū)域的檢測(cè)效果。使用常規(guī)相控陣扇掃檢測(cè),將距離較近的多個(gè)小氣孔缺陷判斷為一個(gè)較大的不規(guī)則缺陷,無法準(zhǔn)確描繪出缺陷的類型、位置和尺寸。而采用TFM能夠成像出部分氣孔的形狀、位置和尺寸,且對(duì)于區(qū)域內(nèi)缺陷的分布情況有一個(gè)基本準(zhǔn)確的描繪。

如圖7(c)所示,對(duì)于鋸齒形缺陷區(qū)域,使用常規(guī)相控陣扇掃檢測(cè),將鋸齒形狀的缺陷成像為一個(gè)類似于橢圓形的缺陷區(qū)域。而采用TFM能夠?qū)忼X形缺陷的形狀、尺寸和位置精確的描繪出來。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是,超聲相控陣采用的聲波頻率范圍一般在1MHz～10MHz,其聲束分辨力的精度小于1mm。因此,常規(guī)超聲相控陣技術(shù),對(duì)于直徑在0.5mm以下的獨(dú)立缺陷,無法準(zhǔn)確的成像出其幾何形態(tài)和實(shí)際尺寸,對(duì)于距離在1mm以內(nèi)的組合缺陷,無法區(qū)分出缺陷的類型、數(shù)量、幾何尺寸和位置關(guān)系。

TFM采用單晶片依次發(fā)射、多晶片同時(shí)接收的探測(cè)模式,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于檢測(cè)區(qū)域的逐點(diǎn)掃描。利用探頭各個(gè)晶片單元與檢測(cè)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)聲程以及回波幅度的細(xì)微差別,能夠準(zhǔn)確的提取出檢測(cè)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)回波信號(hào)的特征,從而判斷出檢測(cè)區(qū)域內(nèi)不同類型缺陷的信號(hào)特點(diǎn),進(jìn)而精確描繪出各種類型缺陷的位置、形狀和幾何尺寸。

通過實(shí)際缺陷與TFM成像圖像的對(duì)比,檢驗(yàn)出TFM成像技術(shù)在機(jī)械工件的無損檢測(cè)中,可以清晰識(shí)別直徑0.1mm左右,距離在0.2mm以內(nèi)的不同缺陷,并準(zhǔn)確分辨缺陷的類型,而且能夠精確地描繪缺陷的尺寸和幾何特征,為定性和定量的研究工件表面和內(nèi)部的微觀缺陷提供可靠的依據(jù)。

4結(jié)語

1) 超聲波聲場(chǎng)在檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)逐點(diǎn)聚焦后,能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)缺陷的幾何尺寸。

2) 常規(guī)超聲相控陣技術(shù),由于聲束分辨力的制約,對(duì)于直徑在0.5mm以下的獨(dú)立缺陷,無法準(zhǔn)確的成像出其幾何形態(tài)和實(shí)際尺寸,對(duì)于距離在1mm以內(nèi)的缺陷組合,無法區(qū)分出缺陷的類型、數(shù)量、幾何尺寸和位置關(guān)系。

3) TFM成像技術(shù)在機(jī)械工件的無損檢測(cè)中,可以清晰識(shí)別直徑0.1mm左右,距離在0.2mm以內(nèi)的不同缺陷,并準(zhǔn)確分辨缺陷的類型,而且能夠精確地描繪缺陷的尺寸和幾何特征。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)無損檢測(cè)分會(huì).超聲波檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:118.

[2] 牛俊民.鋼中缺陷的超聲波定性探傷[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1990:96.

[3] 周在杞.鋼結(jié)構(gòu)超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008:33.

[4] 張永志.水浸聚焦超聲波探傷原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985:51-53.

[5] [日]無損檢測(cè)學(xué)會(huì).超聲波探傷A[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1980:128.

[6] N. Dominguez, G. Ithurralde. Ultra-fast Ultrasonic Inspection for Aeronautical Composites using Paintbrush Acquisitions and Data Processing on GPU[C]//European Conference on NDT, Moscow,2010:53-58.

[7] Hunter A, Drinkwater BW, Wilcox PD. Autofocusing ultrasonic imagery for non-destructive testing and evaluation of specimens with complicated geometries[J]. NDT & E International,2010,43:78-85.

[8] Zhang J, Drinkwater B, Wilcox P. Defect characterization using an ultrasonic array to measure the scattering coefficient matrix[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control,2008,55:2254-2265.

[9] Jie Zhang, Bruce W. Drinkwater, Paul D. Wilcox. Effects of array transducer inconsistencies on total focusing method imaging performance[J]. NDT & E International,2011,44:361-368.

[10] R. Meier, J. Becker, T. Rehfeld. Method for the Ultrasonic Testing of a Workpiece within a Curved Region of its Surface and Device Suitable for the Execution of the Process[P]. Patent No US 7516664 B2,2009.

[11] Holmes C, Drinkwater BW, Wilcox PD. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit-receive array data for non-destructive evaluation[J]. NDT & E International,2005,38:701-711.

中圖分類號(hào)TB553

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.033

作者簡(jiǎn)介:馬銳,男,博士,講師,研究方向:超聲學(xué)、信號(hào)與信息處理。施未來,男,博士,講師,研究方向:信號(hào)與信息處理。

*收稿日期:2015年8月14日,修回日期:2015年9月21日