馬彥利王浩然/.中國第一重型機(jī)械股份公司核電石化事業(yè)部；.大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院

特厚結(jié)構(gòu)鍛焊件的超聲信號(hào)處理方法

馬彥利1王浩然2/1.中國第一重型機(jī)械股份公司核電石化事業(yè)部；2.大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院

文章介紹了一種針對特厚結(jié)構(gòu)鍛焊件工況下的超聲檢測方法，通過選用特制的探頭和改進(jìn)的回波信號(hào)處理方法，實(shí)現(xiàn)400mm以上超常規(guī)尺寸結(jié)構(gòu)的有效探傷。

特厚結(jié)構(gòu)；超聲波；聚焦探頭；SAFT

常規(guī)尺寸的壓力容器，使用超聲和射線檢測可以有效的對焊縫進(jìn)行檢測，但是在特厚結(jié)構(gòu)鍛焊件的工況下，現(xiàn)有的射線檢測方法無力穿透或生產(chǎn)成本過高。使用超聲波檢測時(shí)，聲波在工件內(nèi)的傳播路徑明顯加大，由于波束擴(kuò)散、信噪比、超聲傳播距離等參數(shù)的影響，常規(guī)的超聲波檢測方法已經(jīng)不再適用，需要對現(xiàn)有的方法加以改進(jìn)，提供經(jīng)濟(jì)、有效的超聲波檢測方法。在本文中，我們使用了改進(jìn)的聚焦探頭來控制超聲波聲場在工件內(nèi)的擴(kuò)散，同時(shí)使用SAFT技術(shù)檢測400mm以上范圍內(nèi)的缺陷，引入新的信號(hào)處理方法，實(shí)現(xiàn)特厚結(jié)構(gòu)鍛焊件的超聲波檢測。

一、超聲回波信號(hào)的數(shù)字處理

在對大厚度焊縫進(jìn)行超聲檢測時(shí)，由于聲程很長，脈沖信號(hào)在傳播過程中衰減嚴(yán)重，缺陷信號(hào)變得很微弱，實(shí)際信噪比降低。為此而引入的高增益放大器又不可避免的引入電噪聲，這些干擾信號(hào)有可能串入高增益放大器，被放大成為“草波”。以大厚度焊縫超聲波探傷回波信號(hào)為例（見圖1），其信噪比只有3.7dB，嚴(yán)重影響正常缺陷信號(hào)的顯示。

圖1 大厚度焊縫超聲波探傷回波信號(hào)實(shí)例

為提高信噪比，降低雜波信號(hào)對缺陷顯示的干擾，我們使用小波分析與降噪技術(shù)［1］對采集到的超聲信號(hào)進(jìn)行處理。與FIR采用的固定分辨率帶通濾波技術(shù)不同的是，小波分析采用變分辨率的方法對信號(hào)進(jìn)行高通和低通濾波。高通濾波得到信號(hào)的細(xì)節(jié)，低通濾波得到信號(hào)的大致形貌，各個(gè)分辨率下的得到的細(xì)節(jié)和大致形貌共同構(gòu)成了描述信號(hào)特征的小波系數(shù)，這個(gè)過程稱為小波分解。我們對圖1中的回波信號(hào)進(jìn)行了小波分解，得到其5階分解結(jié)果。

小波處理的第二步是對各個(gè)層次的細(xì)節(jié)進(jìn)行門檻處理，門檻的選擇方法有很多種，本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定了中位數(shù)法，即選取一個(gè)與第i層細(xì)節(jié)的中位數(shù)成比例的門檻值，將第i層細(xì)節(jié)中小于這個(gè)門檻值得系數(shù)置為零。這樣處理過的細(xì)節(jié)中就只反映缺陷波而略去了噪聲。

小波處理的最后一步是信號(hào)重構(gòu)，也稱為小波逆變換，即利用閾值處理后的細(xì)節(jié)參數(shù)和最高一層的大致形貌重新構(gòu)成時(shí)域信號(hào)。

經(jīng)過多次數(shù)據(jù)試驗(yàn)，最終確定采用Sym4小波［2］［3］對大厚度焊縫的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理，可以獲得相對比較好的效果。

圖2 經(jīng)小波處理的一個(gè)回波信號(hào)的實(shí)例

確定了對回波信號(hào)的處理方法后，我們將其固化到探傷儀板卡內(nèi)，通過數(shù)據(jù)采集模塊的內(nèi)置軟件對實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行處理后，我們就得到了所期望結(jié)果。通過數(shù)字濾波技術(shù)處理后的超聲信號(hào)非常穩(wěn)定（見圖3），信噪比很高，有利于缺陷的發(fā)現(xiàn)與識(shí)別。

圖3 A掃實(shí)時(shí)顯示界面

二、基于平面掃查的SAFT技術(shù)

合成孔徑聚焦技術(shù)［4］（SAFT）是指通過綜合多個(gè)處于不同幾何位置的超聲波換能器所接收到的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)等效的大孔徑換能器，從而提高對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)反射體的分辨能力。使用合成孔徑技術(shù)進(jìn)行超聲波探傷時(shí)，橫向分辨率為基元換能器直徑的一半，與波長和縱向距離無關(guān)。當(dāng)每個(gè)探頭的孔徑為d時(shí)，橫向分辨率為的d/2。

由于合成孔徑技術(shù)針對的檢測對象為特厚尺寸焊縫、鍛件等，制造試塊的難度大，成本高，因此我們使用仿真數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

仿真研究在自行開發(fā)的一套超聲波檢驗(yàn)仿真工具軟件上進(jìn)行，其目的是驗(yàn)證直探頭、斜探頭的SAFT算法，研究尋找工藝參數(shù)對提高檢驗(yàn)分辨率的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)SAFT算法，測試算法的效率。

通過數(shù)值模擬軟件，我們模擬了不同孔徑和聚焦深度等參數(shù)變化對試驗(yàn)效果的影響。發(fā)現(xiàn)對于不同的合成孔徑長度，得到的缺陷分辨率不同。以6dB斑點(diǎn)的大小為參考量，合成孔徑長度對缺陷面積和長度的分辨率影響是，隨著合成孔徑長度的增大，分辨率逐漸提高，但是當(dāng)合成孔徑長度增加到一定量的時(shí)候，分辨率不再提高。另外，根據(jù)我們的試驗(yàn)，在方位向上進(jìn)行SAFT處理，對缺陷寬度的分辨率基本沒有影響。聚焦深度偏差對分辨率有一定的影響。模擬反射點(diǎn)的深度是450mm，當(dāng)聚焦深度大于450mm，并且逐漸增大時(shí)，6dB斑點(diǎn)的面積和長度值逐漸增加，分辨率降低。另外，在方位向進(jìn)行SAFT處理，聚焦深度對缺陷的寬度分辨率基本沒有影響。

聚焦深度的變化會(huì)影響對缺陷的精確定位。當(dāng)聚焦深度大于450mm，并且逐漸增大時(shí)，對于缺陷位置水平方向的誤差和深度方向的誤差都會(huì)產(chǎn)生影響。并且對水平方向和深度方向定位的影響趨勢是相同的。

基于上述模擬試驗(yàn)得到的結(jié)果，使用SAFT合成孔徑技術(shù)對特厚工況下的缺陷進(jìn)行超聲波無損檢測，其缺陷的定位、定量精度是可以得到保障的。

通過上述實(shí)驗(yàn)，我們確立了在大厚度工況下綜合應(yīng)用小波分析與降噪技術(shù)和SAFT合成孔徑技術(shù)，能夠在大厚度工況條件，實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位、定量。

［1］張惠，劉晴巖.基于LabVIEW軟件平臺(tái)的粗晶材料超聲信號(hào)去噪處理的研究［J］.無損檢測.2004.26（11）：558～561.

［2］Fredrik Lingvall，Tomas Olofsson，“OnTime－DomainModel－Based Ultrasonic Array Imaging”，IEEE Transactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control，VOL54，NO8，August 2007

［3］E.Pignone，“Enhancement in image quality in ultrasonic flaw detection process in rotor turbine using SAFT”，IEEE International Workshop on Imaging Systems and Techniques（IST 2004），Stresa，Italy，14 May 2004.

［4］孫寶申，沈建中.合成孔徑聚焦超聲成像（一）［J］.應(yīng)用聲學(xué)。1992。13（3）：43～48.