周正干，滕利臣，李洋

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

航空高溫合金盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其由主體渦輪盤和整體葉片環(huán)通過擴(kuò)散方式連接而成［1-4］。受材料、焊接工藝等因素影響，焊接時(shí)可能產(chǎn)生未焊合現(xiàn)象，從而降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的力學(xué)性能和使用壽命。因此，需要采用無損檢測(cè)方法評(píng)價(jià)焊接面上存在的面積型缺陷。超聲檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于面積型缺陷的檢測(cè)評(píng)價(jià)，如火車導(dǎo)軌的單通道K型掃描。然而，由于被測(cè)高溫合金盤上換能器可布置空間狹小、面積型缺陷平行于盤體母線方向等原因，目前主要采用單通道脈沖反射法沿徑向發(fā)射接收超聲回波信號(hào)。由于聲波在盤體中傳播時(shí)的擴(kuò)散效應(yīng)，缺陷回波信噪比低、檢測(cè)分辨率較差，目前僅能檢出面積較大的未焊合缺陷，無法滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫合金盤質(zhì)量可靠性的需求［5-7］。

陣列超聲檢測(cè)技術(shù)因其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)聚焦及出色的檢測(cè)能力［8-11］，對(duì)于面積型缺陷有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，非常適合檢測(cè)對(duì)于聲束指向性要求較高的面積型缺陷。涂春磊等［12］通過仿真和實(shí)驗(yàn)得出，焊縫中的面積型缺陷相控陣超聲的檢出能力優(yōu)于常規(guī)超聲；李瑩瑩等［13］研究了面積型缺陷取向?qū)ο嗫仃嚦暀z測(cè)結(jié)果的影響。然而，高溫合金盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用單個(gè)陣列超聲換能器檢測(cè)時(shí)，反射回波接收困難，而采用2個(gè)陣列超聲換能器K型掃描的檢測(cè)方式可以有效克服反射回波難以接收的問題。由于高溫合金盤缺陷可能位于不同深度，在檢測(cè)不同深度缺陷時(shí)使聲束偏轉(zhuǎn)所采用的陣列孔徑和波形模式都不相同，常規(guī)基于相位控制的聲束（偏轉(zhuǎn)聚焦）發(fā)射接收檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)上述檢測(cè)過程，而通過對(duì)陣列超聲換能器以特殊的激發(fā)方式實(shí)現(xiàn)試件內(nèi)部聲學(xué)信息的采集以獲取全矩陣數(shù)據(jù)，利用全矩陣數(shù)據(jù)后處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)任何常規(guī)直接發(fā)射偏轉(zhuǎn)聚焦聲束的檢測(cè)模式。

為此，結(jié)合高溫合金盤本身結(jié)構(gòu)及其缺陷類型等特點(diǎn)，本文提出了一種線陣全聚焦超聲成像方法。建立了雙線性陣列換能器全矩陣數(shù)據(jù)采集方案，采用全聚焦方法（TFM）實(shí)現(xiàn)了缺陷成像，探究了缺陷位置和聲波發(fā)射-接收模式對(duì)成像結(jié)果的影響，構(gòu)建了雙線性陣列全矩陣數(shù)據(jù)采集軟硬件系統(tǒng)并開展了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)精度和分辨率均有明顯提高。

1 雙線性陣列檢測(cè)方案的總體設(shè)計(jì)

基于雙線性陣列全矩陣數(shù)據(jù)采集檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)需要，綜合考慮換能器的檢測(cè)參數(shù)、布置方式及基于全矩陣數(shù)據(jù)采集檢測(cè)方法的成像原理。

全矩陣數(shù)據(jù)是由陣列換能器內(nèi)所有陣元按照一定的激勵(lì)脈沖周期依次激發(fā)獲得的發(fā)射-接收陣元數(shù)組，該數(shù)據(jù)是發(fā)射陣元序列、接收陣元序列和時(shí)間采樣點(diǎn)數(shù)構(gòu)成的三維數(shù)組，包含了發(fā)射-接收陣元序列在被測(cè)試樣內(nèi)部的超聲回波信號(hào)［14-15］。采集全矩陣數(shù)據(jù)需確定合適的換能器參數(shù)，在全矩陣數(shù)據(jù)采集完成之后，利用全聚焦方法進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。

1.1 陣列換能器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)參數(shù)合適的陣列換能器是全矩陣數(shù)據(jù)采集的前提，根據(jù)試樣聲速、最小檢測(cè)缺陷尺寸及換能器位置參數(shù)等條件，設(shè)計(jì)2個(gè)陣列換能器的中心頻率、陣元數(shù)量、陣元間距等主要參數(shù)，并利用聲場(chǎng)指向性和軸向聲壓分布情況對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。所設(shè)計(jì)的雙線性陣列換能器中心頻率為5 MHz，陣元數(shù)量為32，陣元間距為0.4 mm，陣線性元寬度為0.3 mm。雙線性陣列換能器采集全矩陣數(shù)據(jù)時(shí)的排布方式如圖1所示。

圖1 雙線性陣列換能器耦合示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual-linear-array transducer coupling

1.2 基于全矩陣數(shù)據(jù)采集檢測(cè)方法的原理

基于雙線性陣列換能器的全聚焦方法旨在對(duì)全矩陣數(shù)據(jù)的加工處理，先將試樣劃分成若干小區(qū)域，該區(qū)域稱為聚焦點(diǎn)區(qū)，區(qū)域劃分的越小，聚焦點(diǎn)數(shù)越多，成像精度越高，運(yùn)算量也更大。通過在試樣內(nèi)部設(shè)置虛擬聚焦點(diǎn)數(shù)，并在每一個(gè)聚焦點(diǎn)實(shí)現(xiàn)所有發(fā)射陣元的幅值疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣內(nèi)部任意點(diǎn)數(shù)的聚焦，進(jìn)而獲得高分辨率成像。

分別將陣列換能器A、B直接耦合到高溫合金盤的上下表面，并建立直角坐標(biāo)系，如圖2所示。針對(duì)試樣內(nèi)部任意一點(diǎn)P（x，z），利用延時(shí)法則將換能器中所有發(fā)射-接收陣元序列的超聲回波信號(hào)在該點(diǎn)疊加，獲得該點(diǎn)信號(hào)的幅值I（x，z）。最終得到試樣內(nèi)部每一個(gè)聚焦點(diǎn)的幅值，完成試樣內(nèi)部的成像。其中：xti和xri分別為發(fā)射和接收陣元的橫坐標(biāo)；h為發(fā)射、接收陣元之間的垂直距離；c1和c2分別為不同聚焦位置下對(duì)應(yīng)的縱波和橫波聲速。

圖2 全聚焦方法原理Fig.2 Principle of total focusing method

由于采用雙線性陣列換能器采集全矩陣數(shù)據(jù)，若發(fā)射聲波和接收聲波采用不同的陣列換能器，在采用全聚焦方法對(duì)全矩陣數(shù)據(jù)處理成像時(shí)，等價(jià)于采用陣列換能器透射法實(shí)現(xiàn)缺陷的成像，同時(shí)改變每一個(gè)換能器的陣列孔徑，可以具有較高的成像靈活性。而此時(shí)，特定聚焦點(diǎn)P（x，z）的幅值I（x，z）可表示為

式中：AT和AR分別為發(fā)射和接收陣列換能器的孔徑。

2 理論仿真分析

2.1 仿真模型的建立

由于基于雙線性陣列全矩陣數(shù)據(jù)的成像方法可以看成采用陣列換能器透射法進(jìn)行缺陷成像，從這個(gè)角度來看，不同換能器發(fā)射、接收波形可以組合為AL（S）-BL（S）模式，其中A、B分別為發(fā)射、接收換能器，L、S分別為縱波、橫波。

根據(jù)全聚焦方法可知，成像的關(guān)鍵是確定到達(dá)聚焦點(diǎn)的延遲時(shí)間，而延遲時(shí)間除了與陣元位置有關(guān)之外，還取決于缺陷的位置、發(fā)射-接收聲波的模式（橫波或縱波）。由于陣元位置為已知量，針對(duì)不同位置缺陷，選擇合適的聲波發(fā)射-接收模式尤為重要，為此開展了仿真研究工作。

基于有限差分理論建立了高溫合金盤二維截面仿真模型，如圖3所示。該仿真模型忽略了盤體外側(cè)的葉片，將其簡(jiǎn)化為二維梯形截面，由于被測(cè)高溫合金盤的高度約為36.6 mm，設(shè)置仿真模型的高度為36.6 mm。在仿真模型的高度區(qū)間內(nèi)繪制了矩形缺陷以模擬未焊合面積型缺陷，定義矩形的中心點(diǎn)為缺陷的位置點(diǎn)，矩形缺陷沿x軸方向的厚度為0.3 mm，沿z軸方向長(zhǎng)度取值范圍為0.5～2.5 mm。將缺陷位置點(diǎn)分別設(shè)置在距離上端面E18.3 mm、18.3 mm及28.3 mm處，如圖4所示。陣列換能器的中心頻率為5 MHz，陣元間距為0.4 mm，陣元寬度為0.3 mm，陣元數(shù)量均為32，陣列換能器A和B直接緊靠于邊E1和E2。陣列換能器中心與坐標(biāo)軸原點(diǎn)沿水平方向的距離均為10 mm。時(shí)域有限差分所采用的時(shí)間步長(zhǎng)Δt和空間步長(zhǎng)Δh分別設(shè)置為5 ns和0.05 mm?？v波和橫波在高溫合金盤中的傳播速度分別設(shè)置為5 980 m/s和3 138 m/s。

圖3 高溫合金盤全矩陣數(shù)據(jù)的仿真模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation model of full matrix data for superalloy disk

圖4 仿真模型不同缺陷位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of different defect locations in simulation model

2.2 仿真結(jié)果分析

為量化仿真分析的結(jié)果，定義了DSNR作為評(píng)價(jià)缺陷信噪比的指標(biāo)，采用dB作為單位，其定義如下：

腎上腺髓質(zhì)增生是腎上腺髓質(zhì)彌漫性或結(jié)節(jié)狀增生的改變,沒有包膜;在腎上腺的尾部及兩翼均存在髓質(zhì)(正常的情況下是不存在的);腎上腺髓/皮質(zhì)之比發(fā)生根本變化,腎上腺髓質(zhì)的絕對(duì)重量增加2倍以上,且多為雙側(cè)性病變[2]。MEN-Ⅱ中多數(shù)合并單側(cè)或雙側(cè)腎上腺嗜鉻細(xì)胞瘤(約50%),嗜鉻細(xì)胞瘤發(fā)生在腎上腺外者很罕見;也有表現(xiàn)為腎上腺髓質(zhì)增生;也有一側(cè)腎上腺為嗜鉻細(xì)胞瘤,另一側(cè)為髓質(zhì)增生。

式中：PMax為檢測(cè)圖像中缺陷的像素峰值；PAvr為包含缺陷的矩形區(qū)域內(nèi)像素平均值。

此處，設(shè)置矩形區(qū)域?yàn)? mm×6 mm，該區(qū)域位置如圖5所示。若DSNR值越大，則表示缺陷成像效果越好，反之則越差。

圖5 仿真模型包含缺陷區(qū)域的矩形窗Fig.5 Rectangular window where simulation model contains defect areas

尺寸為1 mm×0.3 mm的矩形缺陷在不同聲波發(fā)射-接收模式下的仿真成像結(jié)果如圖6所示。由式（4）分別計(jì)算缺陷在不同位置不同聲波模式下的DSNR值，所得結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，不同位置矩形缺陷的成像結(jié)果差異明顯。位于z＝8.3 mm 處的缺陷，DSNR 的最大值為52.47 dB；位于z＝28.3 mm處的缺陷，DSNR的最大值為48.77 dB；位于z＝18.3 mm處的缺陷，DSNR最大值為39.60 dB。在AL-BL模式中，中間位置缺陷也較為明顯，與AS-BS模式相比，DSNR小了2.70 dB。

表1 不同位置矩形缺陷在4種模式下的DSNR值統(tǒng)計(jì)Table 1 DSNR values for rectangular defects of differ ent positions in four modes

圖6 矩形缺陷不同位置的檢測(cè)成像結(jié)果Fig.6 Detection and imaging results of rectangular defects in different positions

分析上述結(jié)果可知，當(dāng)缺陷位于焊接面的上半?yún)^(qū)域時(shí)，在AS-BL模式下的DSNR值最大，由斯涅爾定律可知，此時(shí)入射聲線和反射聲線的波型應(yīng)分別為橫波和縱波，如圖7（a）所示。當(dāng)缺陷位于焊接面正中央時(shí)，如圖7（b）所示，在AL-BL模式和AS-BS模式下的DSNR值相較于另外2種均較大，由斯涅爾定律可知，此時(shí)入射和反射聲線的波型相同，然而由于縱波的全反射角小于橫波，聲線入射角度越大，縱波反射能量越少，在AL-BL模式下的DSNR值和在AS-BS模式下的DSNR值相比略小。同理，當(dāng)缺陷位于焊接面的下半?yún)^(qū)域時(shí)，如圖7（c）所示，AL-BS模式的DSNR值最大，此時(shí)，入射聲線和反射聲線的波型應(yīng)分別為縱波和橫波。由此可見，對(duì)于不同位置缺陷的檢測(cè)成像，先選擇合適的聲波模式非常關(guān)鍵。

圖7 聲波在不同位置對(duì)缺陷入射、反射聲線Fig.7 Sound wave’s incident and reflected sound ray on the defect in different positions

為了進(jìn)一步劃分每個(gè)區(qū)域（上部區(qū)域、中部區(qū)域及下部區(qū)域）的邊界，明確具體位置對(duì)應(yīng)的最佳檢測(cè)模式，從距高溫合金盤上端面3.3 mm處開始，每隔3 mm做一次仿真實(shí)驗(yàn)，獲取缺陷檢測(cè)圖像，分別計(jì)算每個(gè)位置3種模式下對(duì)應(yīng)缺陷檢測(cè)圖像的DSNR值，繪制了如圖8所示的折線圖?？梢钥闯?，當(dāng)缺陷位置點(diǎn)的z坐標(biāo)小于12.3 mm時(shí)，AS-BL模式的DSNR值最大，成像效果最佳；當(dāng)缺陷位置點(diǎn)的z坐標(biāo)值介于區(qū)間［12.3，24.3］mm時(shí)，AS-BS模式的DSNR值最大，成像效果最佳；當(dāng)缺陷位置點(diǎn)的z坐標(biāo)大于24.3 mm時(shí)，采用組合AL-BS的值最大，成像效果最佳。利用幾何聲線與缺陷的位置關(guān)系可知，在最佳模式的臨界點(diǎn)1和2處，入射角與反射角的比值分別為1.48和0.67，二者恰好互為倒數(shù)，即在最佳模式條件下，聲波在試樣厚度方向傳播存在明顯的對(duì)稱性。

圖8 不同模式下DSNR值與缺陷z坐標(biāo)的關(guān)系曲線Fig.8 DSNR value versus defect at z-coordinate in different modes

3 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證理論仿真的結(jié)論，開展了高溫合金盤面積型缺陷的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，制備了與實(shí)際渦輪盤尺寸完全相同但忽略了所有外側(cè)葉片的回轉(zhuǎn)體模擬試樣，試樣材料采用和高溫合金盤聲速接近的碳鋼。在3個(gè)不同的截面（分別記為截面＃1、截面＃2、截面＃3）上分別預(yù)埋了不同尺寸的側(cè)孔缺陷，側(cè)孔缺陷的直徑分別為2 mm、1 mm、0.6 mm，位置分別距離高溫合金盤上端28.3 mm、18.3 mm和8.3 mm處，孔底位于焊縫界面以模擬高溫合金盤焊縫中的未焊合缺陷。此外，還設(shè)計(jì)了與理論仿真參數(shù)一致的雙線性陣列換能器，并將設(shè)計(jì)的探頭連接到相控陣超聲板卡，通過設(shè)計(jì)的夾具工裝采集全矩陣數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 高溫合金盤模擬試樣及缺陷分布Fig.9 Superalloy disk simulation specimen and defect distribution

模擬試樣上位于上述3個(gè)位置的缺陷檢測(cè)成像結(jié)果如圖10所示。從圖中可以很直觀地看出不同位置缺陷的最佳成像模式。與理論仿真類似，截面＃1、截面＃2、截面＃3的最佳成像組合分別為AL-BS、AS-BS、AS-BL，采用上述組合方式成功檢測(cè)出了預(yù)埋缺陷，其中最小缺陷為φ0.6 mm。

圖10 矩形缺陷不同截面的檢測(cè)成像結(jié)果Fig.10 Detection and imaging results of rectangular defects at different cross sections

4 結(jié) 論

1）針對(duì)航空高溫合金盤構(gòu)件未焊合面積型缺陷，提出了一種雙線性陣列全聚焦成像方法。該方法擴(kuò)展了現(xiàn)有基于單陣列換能器的全聚焦超聲成像方法，可適用于更多分支的陣列換能器，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供了一種新的解決思路。

2）高溫合金盤的未焊合面積型缺陷的檢測(cè)應(yīng)綜合考慮缺陷的位置和聲波的發(fā)射-接收模式，以獲得最佳檢測(cè)效果。對(duì)于上半?yún)^(qū)域位置的缺陷，采用AS-BL模式檢測(cè)精度較好；對(duì)于中間區(qū)域的矩形缺陷，采用AS-BS模式檢測(cè)精度較好；對(duì)于下半?yún)^(qū)域的矩形缺陷，采用AL-BS模式檢測(cè)精度較好。

3）提出的雙線性陣列全聚焦超聲成像方法有效檢測(cè)出了缺陷，提高了缺陷檢測(cè)精度，是一種行之有效的方法。