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        基于水平分置線性雙陣列的超聲全聚焦成像方法在粗晶材料檢測中的應(yīng)用

        2022-07-29 02:42:28莊澤宇廉國選王小民
        聲學(xué)技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:粗晶換能器試塊

        莊澤宇,廉國選,王小民

        (1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2.中國科學(xué)院,北京 100049)

        0 引言

        奧氏體鋼、鈦合金和各種復(fù)合材料由于其優(yōu)秀的物理化學(xué)特性,已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)中,如制造一些承壓部件或容器。對這類部件定期進(jìn)行無損檢測,對保障其安全運(yùn)行十分重要,超聲檢測是不可缺少的檢測方法之一[1-2]。超聲波在這類材料中傳播時,材料的微觀結(jié)構(gòu)會對超聲產(chǎn)生較強(qiáng)的散射,使得檢測的信噪比嚴(yán)重下降,影響缺陷檢出的可靠性[3]。

        提高超聲檢測信噪比的方法分兩大類。一類是對時域信號進(jìn)行濾波處理,由于晶粒噪聲對聲波頻率較敏感,選用較低頻段的超聲信號進(jìn)行檢測能有效減少結(jié)構(gòu)噪聲,但會使檢測分辨率降低。結(jié)構(gòu)噪聲與缺陷回波在相同的頻帶內(nèi),常規(guī)的多次平均、帶通濾波等方法難以奏效。為此,學(xué)者們提出了一些信號處理方法,如分裂譜法、小波變換、匹配追蹤[4-6]等。這類方法對參數(shù)設(shè)置較為敏感,實(shí)踐中一般需要多次試驗(yàn)選取最佳值。另一類是利用空間相干疊加,當(dāng)換能器位置改變時,結(jié)構(gòu)噪聲信號相對于缺陷信號的振幅和相位變化較大。利用這一特性,采集不同方向的缺陷回波并進(jìn)行波束形成或聚焦成像,一定程度上能提高缺陷的信噪比和檢出率,例如超聲合成孔徑成像[7]、陣列全聚焦成像算法(Total Focusing Method,TFM)[8]等。

        常規(guī)的陣列聚焦算法是線性算法,通過相干疊加提高缺陷信號的信噪比,但一部分結(jié)構(gòu)噪聲也會被增強(qiáng),形成偽像。聲波的多重散射效應(yīng)也會在成像時產(chǎn)生較強(qiáng)的斑點(diǎn)噪聲,干擾缺陷的識別[9]。一些學(xué)者在常規(guī)成像算法的基礎(chǔ)上,利用信號中的相位信息對成像結(jié)果進(jìn)行非線性加權(quán),可以提高成像信噪比,如相位相干成像算法[10]。但這類非線性的加權(quán)處理方式仍需要謹(jǐn)慎地選擇加權(quán)因子,否則易導(dǎo)致圖像失真[11]。

        晶粒的背向散射和多重散射是結(jié)構(gòu)噪聲的主要來源,這類聲波能量會隨著發(fā)射換能器和接收換能器距離的增加而降低[12]。因此,將陣列進(jìn)行收發(fā)分離成為一種解決方案。目前,研究人員開發(fā)了雙線陣換能器(Dual Linear Arrays,DLA)和雙矩陣換能器(Dual Matrix Arrays,DMA)[13]。DLA 可看作是傳統(tǒng)雙晶片超聲換能器的陣列化方案,能削弱界面波對成像的影響,但只能在某一深度才能達(dá)到最好的聚焦效果。DMA 采用面陣設(shè)計,可以小范圍調(diào)整聚焦深度。但在陣元數(shù)一定的情況下,難以同時兼顧面陣兩個方向的偏轉(zhuǎn)、聚焦性能。例如常見的32 通道DLA 換能器一側(cè)為16 陣元線陣,而64 通道DMA 換能器一側(cè)的面陣單元分布為8×4 方式,即沿成像平面方向只有8 個陣元。

        本文提出一種水平分置線性雙陣列(Horizontal Dual Linear Arrays,HDLA)成像檢測方法,利用在水平方向上具有一定間隔的兩個陣列,一發(fā)一收采集超聲信號。相比DLA 和DMA,陣列間距更大,在成像平面具有更好的聚焦性能。同時,使用魯棒性較強(qiáng)的TFM 算法,避免加權(quán)參數(shù)的選擇問題。此方法在原始信號層面上減少了晶粒背向散射和多重散射噪聲,削弱了其對缺陷信號的影響,有效地提高了粗晶材料超聲陣列成像的信噪比。

        1 原 理

        1.1 粗晶材料的超聲散射

        如圖1(a)所示,換能器陣元T向粗晶材料中發(fā)射超聲波時,發(fā)射陣元附近區(qū)域的聲波能量很高,晶粒之間有強(qiáng)烈的多重散射效應(yīng)。接收陣元與發(fā)射陣元距離越近,接收到的多重散射波越強(qiáng),這類干擾信號最終會表現(xiàn)為成像結(jié)果中的斑點(diǎn)噪聲。同時,如圖1(b)所示,晶粒粗大導(dǎo)致超聲背散射效應(yīng)明顯。散射波強(qiáng)度與入射角和散射角的夾角?相關(guān),散射波的能量主要分布在小角度范圍。因此,將陣列進(jìn)行收發(fā)分離可以降低多重散射和背向散射噪聲對缺陷信號的影響。

        圖1 粗晶材料超聲散射示意圖 Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic scattering of grained materials

        1.2 超聲檢測模型

        圖2 為HDLA 超聲檢測模型,陣列換能器放置在工件上方左右兩側(cè),分別記為陣列1、陣列2。兩個陣列參數(shù)一致,陣元數(shù)均為Ne,相鄰陣元中心間距為d。定義陣列1 最右側(cè)陣元中心到陣列2 最左側(cè)陣元的中心的距離為陣列間距D12。如圖2 所示,以兩陣列的對稱中心為原點(diǎn)O,定義二維坐標(biāo)系xOz,陣列探頭的陣元沿x軸排布,z軸與探頭輻射面和工件表面的法線方向一致。工件的縱波聲速為c,本文僅考慮工件中單一的縱波模式。使用全矩陣采集(Full Matrix Capture,FMC)的信號獲取方式,即每個陣元依次激發(fā)并同時采集所有通道數(shù)據(jù)。接收到回波信號表示為r(t,xr,xt),其中xr、xt分別表示接收陣元和發(fā)射陣元的橫坐標(biāo)。

        圖2 HDLA 超聲檢測方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of HDLA ultrasonic testing model

        根據(jù)發(fā)射、接收陣元所屬陣列的不同,可將FMC 數(shù)據(jù)r(t,xr,xt)分為4 個部分。分別是陣列1激發(fā)陣列1 接收(xr<0,xt<0)、陣列1 激發(fā)陣列2 接收(xr<0,xt>0)、陣列2 激發(fā)陣列1 接收(xr>0,xt<0)和陣列2 激發(fā)陣列2 接收(xr>0,xt>0);分別記為。

        根據(jù)聲場互易原理,回波信號r12與r21是對稱的,即所得聲場信息相同。而r11和r22是對成像區(qū)域分別從左側(cè)(陣列 1)和右側(cè)(陣列 2)獲得缺陷信息,二者并無本質(zhì)差別。因此,我們研究基于數(shù)據(jù)r11的收發(fā)合置的單陣列成像和基于數(shù)據(jù)r12的水平分置雙陣列(HDLA)成像。

        為對比DLA 檢測方法,本文設(shè)計了如圖3 所示的DLA 超聲檢測模型。陣列1 與陣列2 分別對稱地置于楔塊兩個斜面上。楔塊兩個斜面的法線均與x軸垂直,通過設(shè)計楔塊的角度以及高度,使雙陣列聲波路徑在工件內(nèi)缺陷處重合。使陣列1 依次激發(fā),同時陣列2 記錄各通道數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可表示為rDLA(t,xr,xt)。

        1.3 TFM 成像算法

        記τin為聲波從發(fā)射陣元(xt,0)到達(dá)缺陷(x,z)的時間,τout為缺陷散射波到接收陣元(xr,0)的時間。根據(jù)圖2 幾何關(guān)系可得:

        將FMC 中與成像點(diǎn)相對應(yīng)的延時的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,得到單陣列TFM 成像結(jié)果Is和HDLA 成像結(jié)果Id,即:

        DLA 模式下,單陣元發(fā)射聲波為柱面波。根據(jù)圖3(b)側(cè)視圖,可按二維平面雙層介質(zhì)模型(如圖4所示)計算聲傳播路徑。其中,陣元距界面高度為L1,楔塊聲速為c1,工件內(nèi)深度坐標(biāo)為。聲傳播時間τin、τout可由Snell 定律或費(fèi)馬原理計算得到。

        圖3 DLA 超聲檢測方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of DLA ultrasonic testing model

        圖4 DLA 聲程計算Fig.4 Acoustic path calculation for DLA ultrasonic testing mode

        參照對比單線陣模式(圖2),根據(jù)本文中缺陷位置,定義缺陷回波到達(dá)DLA 最右側(cè)陣元在工件表面的折射點(diǎn)到缺陷的水平距離為。

        將rDLA(t,xr,xt)中與成像點(diǎn)相對應(yīng)的延時的數(shù)據(jù)疊加,得到DLA 的TFM 成像結(jié)果IDLA:

        1.4 成像結(jié)果的評價方法

        對成像結(jié)果的評價分為分辨率和信噪比兩個方面。首先,對圖像中缺陷峰值進(jìn)行歸一化處理(單位為dB):

        橫向分辨率Rh、縱向分辨率Rv及陣列性能指標(biāo)(Array Performance Indicator,API)[8]IAP,計算方法為

        其中:Nh、Nv分別表示缺陷峰值所在位置的橫向、縱向上像素幅值大于?6 dB的像素個數(shù),?x、?z分別表示橫向、縱向的像素大小,NAPI表示缺陷峰值附近幅值大于?6 dB的像素個數(shù),λc表示信號中心頻率對應(yīng)聲波波長。

        信噪比的計算方法為缺陷峰值(單位為 dB)減去缺陷附近區(qū)域的噪點(diǎn)峰值(單位為dB)。

        2 試驗(yàn)及分析

        2.1 試驗(yàn)設(shè)置

        試驗(yàn)裝置包括相控陣主機(jī)、兩個參數(shù)一致的超聲陣列換能器(參數(shù)見表1)和計算機(jī)(Inter Core i7-9750H 2.6GHz)。實(shí)驗(yàn)試塊(如圖5所示)包括:銅質(zhì)試塊A(細(xì)晶)、銅質(zhì)試塊B(粗晶)。兩個銅質(zhì)試塊的縱波聲速均為4 500 m·s-1,高度為40 mm,長度為200 mm,正中心均有一半徑為1 mm的橫通孔缺陷。

        表1 陣列換能器參數(shù) Table 1 Parameters of phased array

        圖5 試塊照片 Fig.5 Photos of specimens

        2.2 試樣金相

        為獲得兩個銅質(zhì)試塊的晶粒大小,對兩塊試樣進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn),并統(tǒng)計晶粒度。首先,從銅試塊A、B中截取試樣,使用P180-P2500碳化硅砂紙逐級進(jìn)行研磨;而后,先使用YS拋光布配合3μm-1μm多晶金剛石拋光液對試樣進(jìn)行粗拋,再使用ET拋光布配合50 nm二氧化硅拋光液進(jìn)行精拋;最后使用腐蝕液(配比為三氯化鐵3 g、鹽酸2 ml、無水乙醇96 ml的混合液)進(jìn)行腐蝕,并用顯微鏡觀察,得到如圖6所示金相照片。

        圖6 試塊金相照片 Fig.6 Metallographic photos of specimens

        由圖6可以觀察到,試塊A晶粒較為細(xì)密,按照枝晶形態(tài)排列;試塊B的金相結(jié)構(gòu)為鑄態(tài),α相呈針狀在β基體上析出。使用GB/T6394-2017中的直線截點(diǎn)法評定試樣的平均晶粒度,得到試塊A平均晶粒度為25.87 μm,試塊B中α相的平均直徑約為82.81 μm。

        2.3 成像結(jié)果與分析

        2.3.1 細(xì)晶試塊A

        對試塊A使用單陣列、DLA和HDLA三種方法采集FMC數(shù)據(jù),G取20mm,使用式(2)、(3)、(4)進(jìn)行TFM成像。成像范圍橫向x取(?10,10)、深度方向z取(10,30),單位mm,圖像像素大小為?x=?z=0.1mm。并根據(jù)式(5),以位于圖像正中(0,20)的缺陷峰值,分別進(jìn)行歸一化處理,單位為dB,成像顯示范圍為?20~0 dB,結(jié)果如圖7 所示。

        圖7 不同超聲檢測方式的試塊A 成像結(jié)果,D12=20 mm Fig.7 Imaging results of Specimen A for different ultrasonic testing modes,D12=20 mm

        可以看出,三種成像方法對細(xì)晶試塊A 中央的橫通孔缺陷均能正確成像。其中,單陣列成像分辨率更高、像點(diǎn)更小,DLA 次之。HDLA 模式能同時接收到圓孔上下兩端的衍射信號,并在成像結(jié)果中顯示出來。

        為對比不同陣列間距D12對三種檢測方法效果的影響,進(jìn)行4 組實(shí)驗(yàn),D12分別取6、20、30 和40 mm。根據(jù)式(6),對不同D12取值下三種檢測方法對試塊A 的成像結(jié)果分別統(tǒng)計Rh、Rv和API,統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。

        表2 不同超聲檢測方式的試塊A 成像分辨率 Table 2 Imaging resolutions of specimen A for different ultrasonic testing modes

        通過對比可以看出,HDLA 成像結(jié)果的橫向分辨率明顯低于單陣列和DLA,且隨陣列間距增大,差距更明顯。這是由于,對于HDLA 而言,中央成像區(qū)域位置的總聲程隨橫坐標(biāo)變化率低,且角度越大,聲程變化越小。而對于收發(fā)合置的單陣列成像模式和DLA 而言,總聲程隨橫坐標(biāo)變化大。對于縱向分辨率,單陣列和HDLA 兩種成像模式在對稱軸上像點(diǎn)的聲程隨縱坐標(biāo)變化是一致的,故兩種模式縱向分辨率較為接近。而API 可以近似看作橫縱分辨率的綜合結(jié)果,故HDLA 成像的API 比單陣列和DLA 成像的API 大。

        2.3.2 粗晶試塊B

        采用相同的檢測圖像計算方法,在不同D12取值下,對粗晶試塊B 分別應(yīng)用單陣列、DLA 和HDLA 三種成像檢測方法,成像結(jié)果分別如圖8、9、10 所示。可以看出,相比細(xì)晶的成像結(jié)果,粗晶材料的成像結(jié)果中存在明顯的材料噪聲。隨著D12的增大,三種方法的圖像信噪比均有下降。

        圖8 為試塊B 單陣列成像結(jié)果,當(dāng)D12小時,圖像信噪比較好,可以分辨缺陷。但隨著D12的增加,單陣列成像信噪比迅速下降。圖9 為DLA 檢測結(jié)果,相較單陣列檢測,信噪比有一定的提升。圖10 為HDLA 成像檢測結(jié)果,可以看出其信噪比優(yōu)于單陣列和DLA。分別統(tǒng)計單陣列、DLA 和HDLA 成像結(jié)果的信噪比,如表3 所示。

        表3 不同超聲檢測方式的試塊B 成像信噪比 Table 3 Imaging signal to noise ratios of specimen B for different ultrasonic testing modes

        圖8 試塊B 單陣列成像結(jié)果 Fig.8 Single array imaging results of Specimen B

        圖9 試塊B,DLA 成像結(jié)果 Fig.9 DLA imaging results of Specimen B

        圖10 試塊B,HDLA 成像結(jié)果 Fig.10 HDLA imaging results of Specimen B

        從表3 中可以看出,當(dāng)D12=6 mm 和D12=20 mm時,單陣列和DLA 檢測方法對中心處缺陷可以較為清晰地成像,圖像信噪比分別為12.9、7.7 和13.5、9.5 dB,DLA 相比單陣列模式在一定程度上提高了信噪比。HDLA 的圖像信噪比分別為21.2dB、12.4 dB,較單陣列和DLA 的圖像噪聲水平更低。當(dāng)D12=30 mm 和D12=40 mm 時,單陣列成像的信噪比已降低到3 dB 以下,DLA 也無法識別缺陷,雙陣列成像依然可以識別缺陷,信噪比分別為11.0、10.6 dB。

        3 結(jié)論

        本文首先給出水平分置線性雙陣列(HDLA)成像檢測模型和算法,而后在細(xì)晶和粗晶試樣上分別進(jìn)行了單陣列、線性雙陣列(DLA)和HDLA 成像試驗(yàn),計算了不同位置缺陷的分辨率、信噪比。試驗(yàn)結(jié)果表明:

        (1)三種方法均能有效地對細(xì)晶銅質(zhì)試樣中的橫通孔缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的成像。在缺陷位于陣列邊緣下方時,三種方法的橫向、縱向分辨率以及API 幾乎相同。隨著缺陷相對陣列水平距離增加(即角度增大),單陣列成像和DLA 成像的橫向、縱向分辨率和API 均只有微弱的降低,HDLA 的縱向分辨率略有降低,但橫向分辨率和API 降低嚴(yán)重。

        (2)對粗晶材料,當(dāng)缺陷距換能器距離較近時,單陣列成像和DLA 成像可以識別缺陷,但信噪比隨著距離的增加快速降低,無法識別橫向距離較遠(yuǎn)(角度大)的缺陷。HDLA 成像的信噪比在不同的缺陷位置均優(yōu)于單陣列成像和DLA 成像,在缺陷位置較遠(yuǎn)時依然可以識別缺陷。

        綜上所述,當(dāng)晶粒較細(xì),或檢測區(qū)域距離陣列較近時,單陣列成像可以滿足一定的工業(yè)檢測需求。當(dāng)晶粒較粗且檢測區(qū)域距離陣列較遠(yuǎn)時,水平分置雙陣列成像檢測可以作為一種有效的方法。

        HDLA 超聲檢測方法對粗晶材料的成像信噪比較單陣列和DLA 方法有所改善,其主要原因是陣列在水平方向上的收發(fā)分離降低了晶粒噪聲,提高了缺陷信號本身的信噪比。相比其他濾波降噪算法,該方法無需對原始檢測信號做復(fù)雜的濾波降噪處理,避免了有用的缺陷信號被濾除的風(fēng)險,更容易被應(yīng)用到工程檢測中。文中使用的全聚焦方法是一種魯棒性較強(qiáng)的成像算法,除此外可根據(jù)實(shí)際檢測需求,使用平面波成像、合成孔徑成像或者傳統(tǒng)的相控掃查成像方式。

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