黎文超，陳振華，盧 超,2

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063；2.贛南師范大學(xué) 江西省數(shù)值模擬與仿真重點實驗室, 贛州 341000)

超聲波衍射時差法(TOFD)檢測技術(shù)是一種通過檢測入射超聲縱波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射波信號，并根據(jù)其傳播時間差對缺陷進(jìn)行定量與定位的方法，具有缺陷檢測結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、檢測效率高等特點。奧氏體不銹鋼焊縫的粗大組織會引起強(qiáng)烈的散射聲波，經(jīng)過相互疊加及波型轉(zhuǎn)換形成結(jié)構(gòu)噪聲，導(dǎo)致檢測信號信噪比降低[1-2]。為解決奧氏體不銹鋼焊縫TOFD檢測中遇到的困難，目前研究人員主要從探頭研制、信號處理、圖像后處理等方面展開了相關(guān)工作。探頭研制方面，鄭中興[3]通過研制縱波斜入射雙晶探頭，對厚度較大的奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測，使用頻率為1 MHz的大晶片探頭檢測工件較深部位的缺陷，可以獲得較高的信噪比。信號處理方面，孫旭等[4]將自回歸譜外推技術(shù)應(yīng)用到TOFD檢測信號處理中，有效提高了信號的縱向分辨力。圖像后處理方面，剛鐵等[5]根據(jù)缺陷端部和換能器之間的幾何關(guān)系，建立了基于圖像合成孔徑聚焦成像技術(shù)(SAFT)的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了B掃描圖像的SAFT重建，有效降低了缺陷回波的甩弧現(xiàn)象，提高了TOFD檢測圖像的橫向分辨力。上述方法在實施過程中存在一定的局限性。探頭研制、小波分析等處理方法需要依靠人工經(jīng)驗確定參數(shù)，可靠性相對較低，且短時間內(nèi)難以實現(xiàn)自動化識別。盡管特定的探頭研制和信號處理可以提高檢測信號的信噪比，但只能應(yīng)用于特定檢測工件和弱散射介質(zhì)中。上述幾類方法仍然無法有效克服結(jié)構(gòu)噪聲問題[6-8]。

針對奧氏體不銹鋼焊縫TOFD檢測信號信噪比低、檢測圖像中缺陷特征識別困難的問題，提出了基于深度重采樣疊加的奧氏體不銹鋼TOFD檢測方法，相比于上述方法，深度重采樣TOFD是一種基于相位相干的疊加重構(gòu)算法。研究發(fā)現(xiàn)，不同PCS(探頭中心距)的A掃描信號中，在同一缺陷深度的缺陷回波處相位分布一致，即相位的相干程度較高。相比而言，不同PCS結(jié)構(gòu)噪聲處檢測信號的相位分布散亂，即相位的相干程度較低?；诖?，提出將深度重采樣算法應(yīng)用于奧氏體不銹鋼焊縫的TOFD檢測中，分析其可行性，并探究其信噪比和分辨力增強(qiáng)能力。

1 深度重采樣TOFD檢測原理

TOFD檢測的發(fā)射和接收探頭對稱布置于檢測區(qū)域中心線兩側(cè)，發(fā)射探頭聲束發(fā)射點與接收探頭聲束入射點的間距為PCS。若檢測對象內(nèi)部存在缺陷，則檢測信號由直通波、缺陷衍射波以及底波構(gòu)成，且各信號特征存在一定的相位關(guān)系，TOFD檢測原理及檢測信號特征如圖1所示，1為直通波信號，2為缺陷上端衍射波信號，3為缺陷下端衍射波信號，4為底面回波信號。通過衍射波上下端的時間差可對缺陷長度和位置進(jìn)行定量檢測。

圖1 TOFD檢測原理及檢測信號特征示意

測量衍射波與直通波及底波的時間差，可由式(1)計算缺陷的深度(位置)。

(1)

式中：d2為缺陷深度；t為A掃信號對應(yīng)的時間；t0為直通波到達(dá)接收探頭的時間；v為檢測對象中的縱波聲速。

在TOFD檢測中，缺陷端部輻射的衍射波擴(kuò)散角很大，接收探頭在較大的PCS范圍內(nèi)均可接收到缺陷衍射波信號。在不同的PCS下，TOFD檢測信號的直通波、缺陷衍射波、底波的相位具有相對一致的特征；相對而言，特定深度的焊縫柱狀晶的散射波幅度和相位均隨PCS的變化可能出現(xiàn)隨機(jī)變化。據(jù)此，筆者提出了TOFD檢測技術(shù)的深度重采樣疊加降噪方法。

首先，采集某位置多個不同PCS下的TOFD檢測信號；其次，對檢測信號進(jìn)行深度重采樣，即將檢測信號的時間軸轉(zhuǎn)換為深度軸，根據(jù)式(1)將時域信號轉(zhuǎn)換為深度域信號，并采用插值方法提高深度采樣精度，使各PCS下的檢測信號在差異很小的深度范圍內(nèi)具有疊加點；最后，對各深度域檢測信號按深度進(jìn)行疊加，缺陷衍射波相位相同則疊加增強(qiáng),而柱狀晶散射信號由于相位差異而發(fā)生削弱。該方法可提高檢測信號的信噪比。深度重采樣疊加原理框圖如圖2所示。某位置檢測信號經(jīng)深度重采樣疊加后的輸出信號S(d)可表示為

(2)

圖2 深度重采樣疊加原理框圖

式中：d為工件厚度;i(d)為不同探頭中心距的深度域信號;n為深度重采樣的疊加次數(shù)。

2 試驗方法及檢測信號分析

檢測對象為304奧氏體不銹鋼板對接焊縫(見圖3)，鋼板截面尺寸為150 mm×25 mm(長×厚)，焊縫坡口形式為V型，坡口角度為59°，垂直于焊縫截面加工了3個直徑為2 mm的橫孔作為人工缺陷，橫孔分別距離鋼板表面5，15，20 mm，其長度分別為30，36，36 mm。收發(fā)探頭采用聲束角度為60°，頻率為5 MHz，晶片直徑為6 mm的TOFD專用探頭，收發(fā)探頭以焊縫為中心對稱布置，信號采集過程中，PCS初始值為26 mm，之后每增加2 mm采集一次檢測信號，直到PCS增大到44 mm，對同一位置焊縫共采集9個檢測信號。

圖3 304奧氏體不銹鋼板對接焊縫結(jié)構(gòu)示意

某位置各PCS下提取的經(jīng)深度重采樣處理后的檢測信號如圖4所示，橫軸由時間軸變?yōu)樯疃容S。從圖4中可以看出，在14.215.2 mm深度出現(xiàn)相位基本相同的衍射波脈沖信號，然而，在其他深度無缺陷位置存在嚴(yán)重噪聲，同時各位置噪聲的相位差異較大。由此可知，缺陷衍射波信號的相位基本相同，而噪聲信號的相位具有隨機(jī)特征；當(dāng)深度重采樣信號相互疊加后，深度為14.215.2 mm時缺陷衍射波脈沖將疊加增強(qiáng)，而此深度范圍外的散射波疊加后將被抑制；最終，疊加后檢測信號的信噪比將會提高。

圖4 深度重采樣TOFD重構(gòu)信號

3 基于深度重采樣的TOFD檢測信號

定義檢測信號信噪比，并分析深度重采樣疊加算法對信噪比的改善效果，檢測信號信噪比R定義為

(3)

式中：ASF為缺陷衍射波的最高幅值；ASN為缺陷波與底波之間噪聲信號的最高幅值。

在每一位置提取檢測信號，并對其進(jìn)行深度重采樣，分析各PCS下的檢測信號信噪比。圖5 (a)為PCS=36 mm時的檢測信號，由于孔1和孔3距離鋼板表面5 mm，且在檢測盲區(qū)內(nèi)，所以試驗僅分析孔2的檢測信噪比，由式(3)計算孔2的信噪比為2.68；圖5(b)為不同(8組)PCS與檢測信號信噪比的關(guān)系曲線，可以看出，所有檢測信號的信噪比均低于2.8。

圖5 PCS=36 mm的檢測信號及不同PCS下的檢測信號與信噪比的關(guān)系曲線

按深度重采樣疊加算法對上述8個信號進(jìn)行逐次疊加處理，在025 mm深度內(nèi)以0.25 mm為間距進(jìn)行插值處理，深度重采樣疊加次數(shù)和檢測信號信噪比關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可以看出，檢測信號信噪比隨疊加次數(shù)的增大而增大，當(dāng)疊加次數(shù)達(dá)到8時，疊加后檢測信號的信噪比最高可達(dá)4.82。疊加8次后的檢測信號如圖7所示。

圖6 深度重采樣疊加次數(shù)和檢測信號信噪比關(guān)系曲線

4 結(jié)論

(1) 基于TOFD檢測信號的特點，提出了TOFD檢測信號的深度重采樣疊加算法，該算法可有效抑制奧氏體不銹鋼焊縫TOFD檢測信號的散射噪聲，提高檢測信號的信噪比。

(2) 在不同的PCS下，TOFD檢測信號中的缺陷衍射波脈沖、直通波脈沖及底波脈沖均具有一致的相位；焊縫組織結(jié)構(gòu)噪聲脈沖則顯示為隨機(jī)變化的相位。

(3) 奧氏體不銹鋼焊縫的TOFD深度重采樣疊加信號信噪比隨疊加次數(shù)的增大而增大，但過大將影響檢測效率；在疊加8次后，TOFD檢測信號的信噪比達(dá)到4.82，比未處理信號的最高信噪比提高了近82%。