趙洲峰,黃錦瀚,羅宏建,胡宏偉*

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院,浙江 杭州 310014;2.浙江省電力鍋爐壓力容器檢驗所有限公司,浙江 杭州 310014;3.長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院,湖南 長沙 410114)

0 引言

相較于其他絕緣子,復(fù)合絕緣子具有質(zhì)量小,絕緣強(qiáng)度高,抗污閃性能優(yōu)異及運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)電網(wǎng)的各級輸電線路中。復(fù)合絕緣子在生產(chǎn)制造和長期運(yùn)行過程中會產(chǎn)生護(hù)套與芯棒脫粘的現(xiàn)象、石護(hù)套內(nèi)部出現(xiàn)氣孔和斷面等缺陷,導(dǎo)致復(fù)合絕緣子性能降低,這給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了巨大的安全隱患[1]。

為了防范這些缺陷帶來的不良影響,無損檢測方法已被應(yīng)用于檢測復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷,如射線檢測法、微波檢測法、紅外檢測法、核磁共振法、超聲波檢測法等[2]。其中超聲波檢測法具有對人體無害、成像分辨率高、靈敏度高、成像速度快及缺陷定位精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn),是最常使用的、適用范圍最廣的無損檢測方法[3-4]。鄧紅雷等[5]使用超聲導(dǎo)波法對復(fù)合絕緣子表面的一條線進(jìn)行檢測,但不易判斷出缺陷的大小和深度。高英等使用水浸超聲法檢測復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷,能夠檢測出傘裙中直徑?3 mm的缺陷。謝從珍等[6]利用相控陣超聲波檢測法對復(fù)合絕緣子內(nèi)部4種不同缺陷進(jìn)行檢測,能夠檢測出直徑?0.5 mm的氣孔缺陷。徐天勇等[7-8]針對小管徑復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷進(jìn)行了超聲相控陣檢測仿真,并提出了一種基于超聲相控陣的柔性水囊耦合檢測方法,為復(fù)合絕緣子在線檢測提供了可能?，F(xiàn)有的復(fù)合絕緣子超聲檢測法大多為脈沖回波法、超聲導(dǎo)波法[5]和常規(guī)相控陣超聲法,這些方法對于缺陷的定位和定量不夠精準(zhǔn)。全聚焦算法(TFM)被稱作相控陣超聲檢測技術(shù)中的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”算法,其具有良好的成像質(zhì)量和較高的成像分辨率。沈成業(yè)等[9]對焊縫缺陷進(jìn)行了全聚焦仿真檢測,并取得了良好的效果,展示了全聚焦方法用于曲面和高衰減性材料缺陷檢測的可能,這也表明全聚焦方法在復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷檢測中具有良好的應(yīng)用前景。

本文基于Matlab k-Wave開源工具箱,針對現(xiàn)有復(fù)合絕緣子缺陷超聲檢測仿真模型未考慮聲衰減性以及成像質(zhì)量較差的問題,對復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷進(jìn)行聲學(xué)建模和仿真模擬,實(shí)現(xiàn)了復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷的TFM成像,討論了頻率、相控陣陣元數(shù)目以及缺陷尺寸對檢測效果的影響,并開展驗證實(shí)驗。

1 理論與方法

1.1 k空間偽譜法

聲學(xué)中求解偏微分方程最常用的數(shù)值方法包括有限差分法、有限元法和邊界元法。使用上述方法求解波動方程時,每個波長需要約10個網(wǎng)格點(diǎn)來準(zhǔn)確地表示場,并使用較小的時間步長來減少預(yù)期外的數(shù)值色散,這將使求解過程變得緩慢。k-Wave是用于Matlab的第三方工具箱[10],它使用k空間偽譜求解方法對超聲波的傳播進(jìn)行時域模擬,能夠高效且準(zhǔn)確地對超聲波場進(jìn)行仿真模擬。

k空間偽譜法將傅里葉級數(shù)擬合到網(wǎng)格點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)中,可以有效地計算傅里葉分量的幅值,每個波長只需要兩個網(wǎng)格點(diǎn),相較于其他方法所需的約10個網(wǎng)格點(diǎn),極大地提高了求解效率。k空間偽譜法在計算空間梯度時使用了快速傅里葉變換,場根據(jù)k空間傳播算子在時間上向前傳播,以獲得與有限差分法相似的精度和穩(wěn)定性,這對于均勻介質(zhì)是準(zhǔn)確的,而對于非均勻介質(zhì),在使用更大的時間步長時也能獲得相同的精度[11]。

1.2 全聚焦成像

全矩陣數(shù)據(jù)采集(FMC)是一種數(shù)據(jù)采集方法,其流程如圖1所示。由圖可見,以具有N個陣元的相控陣換能器為例,相控陣換能器的N個陣元依次被激發(fā),當(dāng)激發(fā)其中一個陣元后,所有陣元都接收超聲回波信號并儲存。發(fā)射陣元的序號記為i,接收陣元的序號記為j,接收的超聲回波時域信號記為Sij,待N個陣元都激發(fā)完成后,便可得到一個N×N組的矩陣數(shù)據(jù)集,此數(shù)據(jù)集即為全矩陣數(shù)據(jù)[12-13]。

圖1 全矩陣數(shù)據(jù)采集

TFM是基于全矩陣數(shù)據(jù)的后處理成像方法,圖2為TFM檢測示意圖。由圖可見,以陣列換能器中心為原點(diǎn)O建立二維直角坐標(biāo)系xOz,其中x軸為沿試塊長度方向,z軸為沿試塊高度方向。將成像區(qū)域分成若干個大小相同的網(wǎng)格,成像區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)p(x,z),將收集到的全矩陣數(shù)據(jù)中所有接收-發(fā)射對的超聲回波信號在此點(diǎn)疊加,即可得到該點(diǎn)的幅值I(x,z)為

(1)

圖2 全聚焦檢測示意圖

由式(1)可見,由陣元i激勵的聲波傳播到網(wǎng)格點(diǎn)p(x,z)之后反射回陣元j所經(jīng)歷的渡越時間tij(x,z)為

(2)

式中c1、c2為第一、二層介質(zhì)的縱波聲速。當(dāng)試塊交界面為曲面時,根據(jù)費(fèi)馬定理,超聲聲束在經(jīng)過多層介質(zhì)時總是沿著最短的路徑傳播,結(jié)合曲面界面函數(shù)方程式即可求得界面折射點(diǎn)(xt,zt)和(xr,zr)。通過計算獲得所有網(wǎng)格點(diǎn)的超聲渡越時間,將對應(yīng)的回波幅值信息疊加得到I(x,z),即可實(shí)現(xiàn)成像區(qū)域內(nèi)的圖像表征[14-16]。

2 仿真建模與分析

2.1 建立仿真模型

本文使用基于Matlab的聲學(xué)仿真工具箱k-Wave進(jìn)行聲波場的仿真和重建。通過設(shè)置選定空間內(nèi)復(fù)合絕緣子的材料參數(shù),基于k空間偽譜法模擬超聲波在復(fù)合絕緣子中的傳播過程,由于三維模型的計算量過大,采用二維模型作為研究對象。圖3是建立的仿真模型。模型材料為復(fù)合絕緣子,由護(hù)套和芯棒兩部分組成,護(hù)套的材料為高溫硫化硅橡膠,芯棒的材料為玻璃纖維,材料的各仿真參數(shù)如表1所示。

圖3 復(fù)合絕緣子仿真模型

模型采用水浸的檢測方式,將xOz坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)為相控陣陣列中心,設(shè)定陣元寬度為0.4 mm,陣元間距為0.5 mm,有限元網(wǎng)格尺寸為0.1 mm×0.3 mm,水聲距為12 mm,在(0,15) mm處設(shè)有直徑為?0.5 mm的通孔缺陷。將1個周期的toneburst信號作為相控陣陣元的激發(fā)信號,激勵信號如圖4所示。

圖4 激勵信號設(shè)置

對復(fù)合絕緣子全聚焦檢測進(jìn)行仿真,選取32號陣元進(jìn)行激勵,使用k空間偽譜法對二維非均勻介質(zhì)的耦合一階偏微分方程進(jìn)行時域求解,得到相應(yīng)的空間聲場分布情況[17]。圖5為陣元激勵后超聲波的傳遞過程波動圖。

圖5 超聲波傳遞過程波動圖

超聲波在水中不斷向前傳播,當(dāng)遇到水-護(hù)套交界面時,超聲波發(fā)生反射和透射,反射波即為水-護(hù)套層的界面回波,透射波則在護(hù)套層中傳播,遇到缺陷時繼續(xù)發(fā)生反射和透射。由于護(hù)套層為強(qiáng)聲衰減材料,超聲波在傳遞過程中能量逐漸變小,在仿真中表現(xiàn)為顏色逐漸變淡,在遇到護(hù)套-芯棒交界面時,已經(jīng)處于能量較弱的狀態(tài)。

依次完成64個陣元的數(shù)據(jù)采集后,在Matlab軟件上用編寫的全聚焦程序進(jìn)行后處理成像,選用信噪比(SNR)和陣列性能指標(biāo)(API)兩個指標(biāo)對成像質(zhì)量進(jìn)行定量評價。SNR通常被用于表征圖像的噪聲水平,其值越大,則噪聲的影響越小,成像質(zhì)量越高,其表達(dá)式[18]為

(3)

式中:Imax為缺陷區(qū)域的最大幅值;RMS(I′)為無缺陷區(qū)域噪聲幅值的均方根。

API表示缺陷的成像分辨率,其值越小,則分辨率越高,其表達(dá)式[19]為

(4)

式中:λ為波長;A-6 dB為缺陷幅值下降6 dB所包含的缺陷面積。

2.2 頻率對檢測的影響

復(fù)合絕緣子中護(hù)套層為具有高聲衰減性的硅橡膠,超聲波在進(jìn)入硅橡膠時,硅橡膠的沾滯性阻礙質(zhì)點(diǎn)的振動,從而將部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能,這導(dǎo)致了聲波的衰減,而衰減系數(shù)也隨著聲波入射頻率的變化而變化。為探究適合于復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷檢測的頻率,分別選取頻率1 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz,使用64陣元進(jìn)行仿真模擬,成像結(jié)果如圖6所示。不同頻率下硅橡膠的聲學(xué)參數(shù)以及成像質(zhì)量如表2所示。結(jié)合圖6和表2可以看出,當(dāng)選擇頻率5 MHz和10 MHz時,超聲波在硅橡膠中的衰減系數(shù)太大,隨著頻率增大,超聲波穿透性減弱,導(dǎo)致成像結(jié)果不理想,而在頻率1 MHz、2.5 MHz下缺陷輪廓清晰完整,定位準(zhǔn)確,擁有更高的缺陷幅值、SNR及更低的API,成像效果明顯優(yōu)于5 MHz和10 MHz,但在頻率1 MHz下對缺陷大小的定量不準(zhǔn)確。綜合各項成像性能,2.5 MHz頻率的成像效果最佳。

表2 不同頻率的全聚焦成像質(zhì)量

圖6 不同頻率的全聚焦成像結(jié)果

2.3 陣元數(shù)量對檢測的影響

為探究陣元數(shù)量對檢測的影響,分別設(shè)置16個、32個、64個相控陣陣元,并選用2.5 MHz頻率進(jìn)行仿真模擬,成像結(jié)果如圖7所示。成像質(zhì)量如表3所示。

表3 不同陣元數(shù)量的全聚焦成像質(zhì)量

圖7 不同陣元數(shù)量的全聚焦成像結(jié)果

由表3可見,隨著陣元數(shù)量的增加,SNR小幅上升,但API顯著提升,總體成像質(zhì)量提高。這是由于陣元數(shù)量增加后,所得曲面輪廓和缺陷的數(shù)量增加,使兩層界面輪廓及缺陷都更清晰和完整,但同時也增加了計算時間。

2.4 缺陷尺寸對檢測的影響

側(cè)通孔是復(fù)合絕緣子的常見缺陷,為探究缺陷尺寸對檢測的影響,保持原有側(cè)通孔的深度不變,在水平方向相距3 mm處增設(shè)兩個大小相同的側(cè)通孔,分別對直徑為?0.5 mm、?1 mm、?1.5mm的側(cè)通孔進(jìn)行TFM成像,成像結(jié)果如圖8所示。分別計算每個通孔的SNR、API以及每種尺寸的平均SNR、API,結(jié)果如圖9所示。

圖8 不同缺陷尺寸的全聚焦成像結(jié)果

圖9 不同缺陷尺寸的全聚焦成像質(zhì)量

由圖8、9可見,每個側(cè)通孔都能精準(zhǔn)地定位,擁有較好的SNR和API。側(cè)通孔缺陷的尺寸對成像質(zhì)量的影響較小,但當(dāng)側(cè)通孔尺寸過大或側(cè)通孔相離過近時,聲波會產(chǎn)生更復(fù)雜的反射和衍射,進(jìn)而產(chǎn)生部分偽影并影響護(hù)套-芯棒交界面的輪廓成像。

3 實(shí)驗驗證

由仿真成像結(jié)果可知,陣元數(shù)量和缺陷尺寸對成像質(zhì)量影響較小,頻率對成像質(zhì)量影響較大。為進(jìn)一步驗證頻率對成像質(zhì)量的影響,在實(shí)驗室開展復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷超聲全聚焦成像檢測實(shí)驗,實(shí)驗裝置如圖10所示,所用復(fù)合絕緣子試塊尺寸見圖3。實(shí)驗采用水浸檢測方法,分別選取1 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz的入射頻率,使用陣元間距0.5 mm的64陣元超聲相控陣換能器采集全矩陣數(shù)據(jù),采樣頻率為62.5 MHz,對所采集的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行TFM后處理成像處理,成像結(jié)果如圖11所示,圖中白圈表示缺陷的實(shí)際大小和位置,成像質(zhì)量如表4所示。

表4 不同頻率的全聚焦成像質(zhì)量

圖10 復(fù)合絕緣子檢測實(shí)驗裝置

圖11 不同頻率的全聚焦成像結(jié)果

結(jié)合圖11和表4可以看出,10 MHz頻率下超聲成像質(zhì)量較差,難以區(qū)分背景噪聲和缺陷。5 MHz頻率下護(hù)套-芯棒交界面輪廓清晰,通孔缺陷明顯,但成像質(zhì)量仍不足,API較高且SNR較低。1 MHz、2.5 MHz頻率下能夠清晰分辨復(fù)合絕緣子的兩層交界面以及通孔缺陷,擁有較低的API和較高的SNR,均能對通孔缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位,相對誤差在0.3 mm內(nèi)。與頻率2.5 MHz時相比,1 MHz頻率的API和SNR較優(yōu),但由于探頭頻率較低,波長較長,探頭的檢測分辨力降低,導(dǎo)致缺陷面積誤差較大。綜合各項成像性能指標(biāo),選用頻率2.5 MHz的成像效果最佳。

對比仿真與實(shí)驗結(jié)果可知,當(dāng)選擇合適的檢測參數(shù)時,全聚焦方法能夠有效地檢測復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷,擁有良好的成像質(zhì)量。在實(shí)際檢測中,頻率對缺陷檢測有較大的影響,因此,在檢測復(fù)合絕緣子這類高衰減材料時,需要選擇合適的探頭頻率以獲得較強(qiáng)的聲穿透性及較好的檢測分辨力,從而獲得較好的成像結(jié)果。

4 結(jié)束語

針對復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷檢測定位和定量精度不高的問題,本文基于k-Wave工具箱對復(fù)合絕緣子內(nèi)部側(cè)通孔缺陷檢測進(jìn)行了仿真模擬,使用全聚焦方法進(jìn)行成像,并討論了頻率、陣元數(shù)、缺陷尺寸對檢測的影響。為進(jìn)一步驗證仿真結(jié)論,開展了復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷超聲全聚焦成像實(shí)驗。結(jié)果表明,當(dāng)選取合適的檢測參數(shù)時,全聚焦方法能夠較好地檢測復(fù)合絕緣子的內(nèi)部缺陷,擁有良好的成像效果。頻率對復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷檢測的影響較大,當(dāng)選用頻率較大時,聲波的穿透性減弱,在硅橡膠材料中的衰減系數(shù)增加,成像質(zhì)量大幅降低;當(dāng)選用頻率較小時,波長增加導(dǎo)致檢測分辨力下降,易造成缺陷的定量誤差,所以在檢測復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷時應(yīng)選用合適的頻率,在1 MHz、2.5 MHz、5 MHz和10 MHz中,2.5 MHz的成像效果綜合最佳。陣元數(shù)和缺陷尺寸對復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷檢測的影響較小,實(shí)際檢測中可以根據(jù)試塊大小、時間和成本選用合適的陣元數(shù)量。