吳其洲，李　雅，陳友興，任陽山，王召巴

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原　030051；2.海軍青島航保修理廠，山東　青島　266071）

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基于圓柱體缺陷構(gòu)件的超聲探傷重構(gòu)研究*

吳其洲1，李雅1，陳友興1，任陽山2，王召巴1

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051；2.海軍青島航保修理廠，山東青島266071）

摘要：圓柱體構(gòu)件中非軸對稱人造缺陷偏心圓孔的超聲探傷一直是無損檢測的難點?；诿}沖反射原理設(shè)計超聲實驗平臺，根據(jù)檢測回波信號判定偏心圓孔缺陷所呈現(xiàn)的特征。在實驗研究基礎(chǔ)上，針對聲場在圓柱體工件內(nèi)部的傳播情況，根據(jù)惠更斯原理以圓柱體為發(fā)射聲源，基于k-wave仿真工具箱建立仿真平臺，并利用聲學(xué)傳感器接收聲波信號，設(shè)計的仿真平臺能夠?qū)崿F(xiàn)360°同時刻采集工件的發(fā)射信號，同時利用傳播過程中聲壓強弱的變化構(gòu)建聲場模型。根據(jù)采集的信號采用逆時反演重構(gòu)模型，直觀可視化地重構(gòu)了內(nèi)部缺陷的位置形狀信息。

關(guān)鍵詞：偏心孔缺陷，超聲探傷，逆時反演重構(gòu)，聲學(xué)傳感器

0　引言

針對偏心圓孔人造缺陷的無損檢測，探頭處發(fā)射的超聲波在缺陷位置被反射后，經(jīng)過超聲波探傷儀轉(zhuǎn)化為電信號接收，根據(jù)信號幅值所體現(xiàn)的聲壓強弱分布特性，可以對缺陷的位置和類型進行準(zhǔn)確定位識別。但由于其缺陷位置的非軸對稱性，所以超聲探傷過程中缺陷位置產(chǎn)生的散射波較難采集。根據(jù)反射定律，有效采集超聲信號需要對探頭的位置以及發(fā)射角度進行精確研究，才可以得到理想的回波信號。對于單收單發(fā)檢測原理，在實際檢測過程中很多干擾因素也會產(chǎn)生的噪聲，影響缺陷信號的識別。因此計算超聲學(xué)的仿真應(yīng)用可以有效避免噪聲干擾源，有效提取缺陷信號［1］。近些年仿真計算過程中，誤差不斷縮小，與現(xiàn)實的超聲檢測工作愈發(fā)貼合。對于許多復(fù)雜情況而言，計算超聲學(xué)聲場研究可以彌補實驗的不足之處，消除各種干擾因素對測量結(jié)果的影響。

1　聲波傳播理論

1.1波動方程

超聲波在非均勻介質(zhì)中傳播的非齊次波動方程為：

聲壓全場p（r）可以分為散射場ps（r）與入射場p0（r）兩部分和的形式：

p0（r）滿足方程式，散射場滿足。

散射區(qū)域可以看成是散射點的陣列，利用格林函數(shù)G（r-r'），可以將聲波入射時的散射場表示為

式（3）為第一類Fredholm積分方程，表明聲場聲壓可以用點源散射的疊加形式來表示。

1.2散射場的離散化

由于格林函數(shù)在二維的情況下可以用零階第一類Hankel函數(shù)來表示，根據(jù)Hankel函數(shù)離散化的性質(zhì)得：（4）

根據(jù)上述原理對散射場方程加以離散化，聲場聲壓結(jié)果為：

2　實驗平臺及設(shè)計原理

本文在水侵式超聲脈沖反射探傷原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計噴水超聲檢測平臺，實驗信號轉(zhuǎn)化采集過程如圖1所示。檢測平臺可以對圓柱體工件實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)探傷，檢測其內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的回波信號，判斷其位置、大小和形狀特性［5-6］。

圖1　實驗信號流程

如圖2所示，將單收單發(fā)的超聲探頭設(shè)置在噴水口下方，通過前后、左右、上下三軸關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，使探頭發(fā)射超聲波可以準(zhǔn)確地通過水打到工件上。根據(jù)涅斯?fàn)柗瓷涠桑{(diào)整探頭使其正對圓柱體圓心，可以有效地接收反射回波信號。360°旋轉(zhuǎn)工件實現(xiàn)圓柱體全方位的數(shù)據(jù)采集。由于人造缺陷是規(guī)則的偏心圓柱孔，所以前后移動采集到的數(shù)據(jù)一樣。圖3為偏心圓孔缺陷工件。圖4為本文利用其中一組數(shù)據(jù)繪制的B掃圖，圖中缺陷回波信號在極近區(qū)最為明顯，在極遠區(qū)能量減弱，其他區(qū)域由于散射因素，探頭沒有有效地接收到回波信號。根據(jù)極近區(qū)和極遠區(qū)缺陷回波信號的變化趨勢可以判斷缺陷在極近區(qū)和極遠區(qū)的形狀呈圓弧形，這與偏心孔的設(shè)置相符合，通過這一規(guī)律可以大體判斷回波信號呈現(xiàn)此變化趨勢時缺陷呈現(xiàn)圓弧形狀。在實際超聲檢測過程中，由于偏心圓孔的非軸對稱性，如圖4所示，除了極近區(qū)和極遠區(qū)正對圓孔區(qū)域可以接受到明顯的缺陷脈沖反射信號外，探頭在其他區(qū)域發(fā)射到缺陷的超聲波會發(fā)生散射不利于探頭接收缺陷回波信號。

圖2　噴水超聲實驗平臺

圖3　偏心圓孔工件圖

圖4　實驗結(jié)果B掃圖

3　仿真平臺

3.1k-wave仿真工具簡介

k-wave是MATLAB中一個工具箱，它基于k-space偽譜時域仿真方法模擬超聲波與光聲波的傳播。k-wave中利用一階耦合方程而不是相應(yīng)的二階波動方程有幾個優(yōu)點。首先，對聲場中每點的聲壓和速度在交錯網(wǎng)格上計算，充分提高了精度。第二，利用各向異性完全匹配層（PML）吸收聲波在計算區(qū)域的邊緣效應(yīng)，消除邊緣干擾。第三，提供了一種直觀的方式，通過質(zhì)量和力量來源的離散方程，以向量組的形式直接顯式每點粒子速度和聲強度［7-8］。k-wave工具箱利用k-space偽譜法充分減少所需的網(wǎng)格點數(shù)量，并結(jié)合第二部分的聲波傳播理論，對超聲場檢測圓柱體過程的傳播進行了精確模擬［9］，研究了其聲場聲壓分布模型。

3.2仿真原理

由于實際實驗中散射因素的影響，不能夠完整地呈現(xiàn)缺陷360°的回波信號，本文在原有設(shè)計理論基礎(chǔ)上，利用k-wave工具箱設(shè)計了超聲檢測的仿真平臺，圖6為根據(jù)圖5實際構(gòu)件尺寸設(shè)計的仿真平臺。本文根據(jù)惠更斯原理，突破采集回波信號檢測的傳統(tǒng)界限，直接以圓柱體被測工件作為聲源，圍繞工件等角度設(shè)定360個傳感器接收點，直接接收工件的發(fā)射超聲波，判斷其內(nèi)部情況［10-12］。根據(jù)這一仿真平臺設(shè)計采集到的仿真信號如圖7所示。由于每個角度都有傳感器，可以接受到不同角度散射信號，所以通過仿真可以實現(xiàn)缺陷發(fā)射信號的全方位成像結(jié)果，采集到的數(shù)據(jù)更完整，有利于后期的反演重構(gòu)。

圖5　構(gòu)件尺寸及聲波傳播路徑

圖6　偏心圓孔仿真平臺

圖7　仿真結(jié)果B掃圖

3.3缺陷仿真重構(gòu)

基于k-wave工具箱的逆時反演重構(gòu)模型，對傳感器接收到的信號進行逆時重構(gòu)，最終得到圓柱體工件的重構(gòu)結(jié)果如圖8所示，從成像結(jié)果可以明顯看出傳感器個數(shù)對重構(gòu)結(jié)果的影響。傳感器個數(shù)越多采集到散射聲波信息越多，缺陷部分的重構(gòu)結(jié)果就越明顯。

4　結(jié)論

針對圓柱體內(nèi)部偏心圓孔的B掃成像圖可看出缺陷的波形，在近孔區(qū)采集到的信號能量最強，在遠孔區(qū)能量變?nèi)?，且缺陷回波信號能量都集中在正對偏心圓孔的極近區(qū)和極遠區(qū)。其他區(qū)域由于探頭位置不在偏心圓孔半徑線上，反射回波大部分散射到其他區(qū)域，未被探頭接收。針對實驗單探頭單收單發(fā)無法全面接收散射信號這一情況，本文采用聲場模型，建立仿真平臺，在圓柱體周圍設(shè)置360個傳感器，同時接受散射信號，實現(xiàn)缺陷信號的采集，為缺陷重構(gòu)提供數(shù)據(jù)支撐，并利用逆時反演重構(gòu)模型實現(xiàn)了圓孔的定位和形狀識別。

圖8　逆時反演仿真重構(gòu)結(jié)果

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Research of Based on Circular Hole Defect Eccentric Ultrasonic Flaw Detection Reconstruction

WU Qi-zhou1，LI Ya1，CHEN You-xing1，Ren Yang-shan2，WANG Zhao-ba1
（1. School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2. Navy Maritime Security Repair Factory，Qingdao 266071，China）

Abstract：Because the non axisymmetric artificial defects of eccentric circular hole has been a difficult point of the nondestructive inspecting of ultrasonic flaw detection，in this paper，based on the design of ultrasonic pulse reflection principle experiment platform，the detection of echo signal to determine characteristic of eccentric circle hole defect are presented. On the basis of experimental research，to solve the problem of the spread of the acoustic field inside the cylinder workpiece，according to Huygens principle to the cylinder for emission source，simulation platform which is based on k - wave simulation toolbox，and by using acoustic sensor receiving acoustic signal，the design of simulation platform can achieve 360 degrees emission collection of artifacts with time signal，at the same time using the change of sound pressure in the process of the weak acoustic field model is constructed. According to the collected signals and inverse reconstruction model，the position of internal defects of shape information is reconstructed.

Key words：eccentric hole defects，ultrasonic testing，reverse time reconstruction，acoustic sensor

中圖分類號：TP391.9；TB553.8

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0640（2016）05-0170-03

收稿日期：2015-04-09修回日期：2015-05-07

*基金項目：國家自然科學(xué)基金（61201412）；山西省科技攻關(guān)項目（20110321029）；山西省青年科技研究基金資助項目（2012021011-5）

作者簡介：吳其洲（1978-），男，江蘇泗陽人，博士研究生。研究方向：信號與信息處理。