范佳偉 李光海 王 強

(1中國計量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院 杭州 310018)

(2中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

0 引言

金屬板類結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于汽車制造、船用設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域，由于受到加工工藝、運輸及使用環(huán)境的影響，在板結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部易產(chǎn)生孔洞、裂紋、腐蝕等不同類型的缺陷，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用安全，因此開展對金屬板結(jié)構(gòu)的缺陷檢測技術(shù)研究具有重要意義和應(yīng)用前景。蘭姆(Lamb)波相較于體波具有衰減小、傳播距離遠、檢測效率高的優(yōu)點而適用于板類結(jié)構(gòu)的大范圍檢測。進一步采用超聲陣列技術(shù)，對陣列信號進行成像處理可以有效提高缺陷檢測的準(zhǔn)確性和直觀性。如Prasad等[1]采用2個線性陣列分別激勵和接收Lamb波，對板材進行層析成像，可以實現(xiàn)對孔洞缺陷區(qū)域識別。郭方宇等[2]提取參考信號和損傷信號的相關(guān)性，通過損傷概率重建實現(xiàn)了鋁板上腐蝕缺陷的定位。但是上述方法需要無損情況下的參考信號作為對比，不利于實時檢測缺陷。

利用超聲陣列換能器采集全矩陣數(shù)據(jù)，通過全聚焦成像方法可以實現(xiàn)成像的實時性。劉增華等[3]采用磁致伸縮傳感器陣列激勵接收Lamb波，通過成像處理實現(xiàn)鋁板中單缺陷的識別和定位。Wilcox等[4]、Holmes等[5]在全聚焦成像的基礎(chǔ)上，將線性陣列進行子陣列劃分，增加了全矩陣數(shù)據(jù)的利用率，計算子陣列數(shù)據(jù)的方向矢量，并對子陣列數(shù)據(jù)進行合成得到缺陷的方向矢量，可以表征缺陷的類型及裂紋方向。焦敬品等[6]將全聚焦成像和矢量聚焦方式結(jié)合，并運用到板結(jié)構(gòu)Lamb波陣列成像中，得到矢量全聚焦圖像，可以有效識別板結(jié)構(gòu)中裂紋缺陷和方向。Prado等[7-8]提出了利用導(dǎo)波中的相位信息，采用全聚焦成像方法，對鋁板進行相位成像，可以減少虛像影響，但是由于相位的不連續(xù)性，在一個缺陷成像處會產(chǎn)生多個聚焦點，從而造成缺陷誤判。上述成像算法中并未考慮到Lamb波波長和激勵時長對缺陷成像的影響，進而導(dǎo)致缺陷定位不夠準(zhǔn)確。

為了減少噪聲對成像質(zhì)量的影響，解決多峰值聚焦點引起的缺陷誤判問題，本文在相位全聚焦成像的基礎(chǔ)上，提出了瞬時相位全聚焦成像的包絡(luò)算法。并分析了激勵信號對缺陷定位的影響，提出了波速補償方法，可以有效減小缺陷定位誤差，通過數(shù)值仿真和實驗分析實現(xiàn)了鋁板中多缺陷的識別和定位。

1 成像原理

1.1 幅值全聚焦成像

全聚焦成像依賴于全矩陣捕捉(Full matrix capture)數(shù)據(jù)，全矩陣數(shù)據(jù)是指將換能器陣列中所有陣元依次作為發(fā)射-接收組合，采集得到所有超聲回波時域信號[9]，對于N個陣元的換能器陣列，共采集N2組時域信號。

幅值全聚焦成像算法利用了全矩陣數(shù)據(jù)中的幅值信息，針對成像區(qū)域中的每一個離散點P，通過虛擬聚焦，將所有回波數(shù)據(jù)中與該點坐標(biāo)相對應(yīng)時間的幅值進行疊加成像，獲得表征該點信息的幅值強度I(x,z)。每個離散點P的幅值強度I(x,z)可以表示為[10]

其中，Bij(x,z)為激勵陣元i經(jīng)過離散點P(x,z)到接收陣元j的距離補償因子，υij(t)為時域信號，τij(x,z)為Lamb波由激勵陣元i到達成像點P(x,z)散射后，再到接收陣元j的導(dǎo)波傳播時間，其表達式為

1.2 瞬時相位全聚焦成像

瞬時相位成像將時域信號νij(t)替換為信號的瞬時相位φij(t)，表征每個離散點P的相位強度Iφ(x,z)表示為[6]

其中，瞬時相位φij(t)由式(4)得到

1.3 瞬時相位包絡(luò)全聚焦成像

為了減少超聲導(dǎo)波傳播過程中的多模態(tài)和頻散效應(yīng)影響，激勵信號采用多周期的窄帶信號。而信號的瞬時相位在-π到π處存在不連續(xù)的現(xiàn)象，因此瞬時相位成像圖中一個缺陷會產(chǎn)生多峰值的聚焦點，從而識別為多個缺陷。為了減少多峰值聚焦點引起的誤判缺陷，提出瞬時相位成像的包絡(luò)形式為

2 缺陷識別數(shù)值仿真

2.1 仿真模型及成像結(jié)果

基于ABAQUS有限元仿真軟件，進行超聲導(dǎo)波在三維薄鋁板中的傳播特性及成像算法研究。有限元仿真模型為1000 mm×500 mm×1 mm鋁板，如圖1所示在鋁板不同位置設(shè)定了5個不同角度的通透型裂紋缺陷，裂紋角度分別為45°(裂紋1)、25°(裂紋2)、5°(裂紋3)、35°(裂紋4)、55°(裂紋5)，大小均為5 mm×2 mm。在仿真模型中心上設(shè)置8個線性排列的激勵接收點，采用雙元激勵法[11]，在板的上下表面節(jié)點上施加反對稱的集中力，從而激勵單一S0模態(tài)的Lamb波。激勵信號采用中心頻率為300 kHz的漢寧窗調(diào)制5周期正弦信號。

圖1 ABAQUS仿真示意圖(單位:mm)Fig.1 ABAQUS simulation diagram(unit:mm)

利用ABAQUS軟件建立仿真模型， 并在ABAQUS/Explicit模塊中進行求解，以 8個激勵接收點上垂直于板平面方向的位移值作為接收信號。對于8個激勵接收陣元共產(chǎn)生64組全矩陣時域信號，并將其導(dǎo)入Matlab中進一步成像處理。1號陣元激勵、所有陣元接收的歸一化信號如圖2所示，由于在1號陣元上施加了激勵信號后，該節(jié)點的位移約束自動設(shè)置為0，因此其接收信號中只包含了激勵信號所產(chǎn)生的位移，不能有效反映缺陷回波信號，可以在后處理中將自激自收的8個信號置0處理，以減小誤差影響。

根據(jù)仿真所得的全矩陣數(shù)據(jù)，提取其中的幅值和相位信息，分別進行幅值全聚焦和相位全聚焦成像，結(jié)果如圖3所示，幅值全聚焦以dB為尺度、相位全聚焦以線性為尺度作閾值處理。

圖2 陣列回波信號Fig.2 Array echo signal

圖3 三種全聚焦成像方式的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of three total focus imaging methods

可以看出三種成像方法均能對5個裂紋缺陷進行成像識別。幅值全聚焦圖像中受到直達波和端面回波影響，在陣列布置區(qū)域和成像邊界處會有較大強度的虛像產(chǎn)生，從而產(chǎn)生盲區(qū)，導(dǎo)致成像的對比度和信噪比降低，因此不利于沒有先驗情況下對缺陷的識別。而相位全聚焦成像中，由于多周期信號的瞬時相位不連續(xù)性，在5個缺陷處有多個峰值的聚焦點，因此不利于缺陷的定位。在瞬時相位包絡(luò)全聚焦成像中，5個缺陷處的聚焦強度較高，所存在的虛像強度均低于缺陷處的強度，并且缺陷附近只有一個高強度的聚焦點，因此合理設(shè)置閾值即可有效識別和定位缺陷。為了進一步分析三種成像方式的檢測效果，以缺陷3中心橫坐標(biāo)x=550處提取沿z方向分布的強度曲線，其歸一化曲線如圖4所示。

圖4 沿缺陷3中心z方向強度曲線圖Fig.4 Strength curve along the z direction of defect 3

由z方向強度曲線可以看出，幅值全聚焦成像受近場區(qū)的直達波和邊界處的反射波影響，導(dǎo)致在板的兩側(cè)產(chǎn)生較高的聲波反射區(qū)，缺陷散射回波的聚焦強度值相對較小。對于瞬時相位全聚焦成像，由于將時域幅值信號轉(zhuǎn)換成相位信號，直達波、缺陷的散射回波、端面回波信號都轉(zhuǎn)換為(-π,π)的瞬時相位值，因此在缺陷附近(400～500 mm)表現(xiàn)為強度值高度聚焦，但是在缺陷附近產(chǎn)生了多個波峰的強度值。在瞬時相位包絡(luò)全聚焦的強度曲線中，缺陷附近的強度值高于幅值全聚焦，并且在正常區(qū)(50～450 mm)的強度值均低于幅值成像，因此瞬時相位包絡(luò)全聚焦成像具有更好的信噪比，降低了缺陷的誤檢率。除此之外，相位包絡(luò)全聚焦在缺陷附近只表現(xiàn)為一個聚焦峰值，因此更容易對缺陷進行定位。

2.2 缺陷的定位及補償

缺陷的分辨率受到脈沖持續(xù)時間Lamb波傳播速度的影響，即取決于激勵信號的周期數(shù)和Lamb波的波長。在數(shù)值仿真中激勵信號采用中心頻率為300 kHz的漢寧窗調(diào)制5周期正弦信號，產(chǎn)生的S0模態(tài)Lamb波的波長為18 mm，在一個激勵信號的周期內(nèi)Lamb傳播距離為90 mm。因此即使是數(shù)值仿真遠小于波長的5 mm×2 mm裂紋缺陷，在缺陷成像圖中會顯示為數(shù)倍于實際大小的形狀，以相位包絡(luò)成像中缺陷3為例，其成像大小約為64 mm×32 mm的矩形。對于缺陷定位坐標(biāo)一般取成像中的缺陷區(qū)域的強度最大值處，缺陷3的定位坐標(biāo)為(555,431)，與實際位置(550,400)相比較，缺陷3的橫坐標(biāo)定位較為準(zhǔn)確，其縱坐標(biāo)定位誤差較大。

Lamb波的波速c由端面回波到達時間和傳播距離計算而得，在成像算法中，由于受Lamb波長及激勵信號周期的影響，缺陷定位會有相應(yīng)的“延遲”效應(yīng)。為了補償缺陷定位的誤差，可以通過波速補償法進行定位補償，補償后的波速c由式(6)可得

其中，L為換能器陣列與邊界的距離，t為端面回波的到達時間，ta為激勵信號的持續(xù)時間。通過仿真信號計算，實際波速c=5310 m/s，補償后波速c=5020 m/s，波速補償后的相位包絡(luò)成像如圖5所示，補償后由于波速減小，導(dǎo)致成像圖中對端面回波信號也進行聚焦。表1給出了波速補償前后各個缺陷的定位坐標(biāo)。經(jīng)過波速補償后，5個缺陷的定位誤差顯著減小，補償前5個缺陷的定位誤差平均值為26.38 mm，補償后的定位誤差平均值為12.94 mm，有效提高了缺陷的定位精度。此外5個缺陷的定位精度有一定差異，其原因是因為不同缺陷相對于陣列位置不同，位于陣列垂直方向的缺陷3的定位誤差最小，由缺陷3向水平方向擴展定位誤差逐漸增大。

圖5 補償后的相位包絡(luò)全聚焦成像Fig.5 Compensated phase envelope total focus imaging

表1 仿真數(shù)據(jù)的缺陷定位Table1 Defect location of simulation data

3 缺陷識別實驗研究

3.1 實驗裝置

圖6給出了Lamb波缺陷成像實驗系統(tǒng)裝置圖。該系統(tǒng)硬件由工控機、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡(PCIAD1650)、多通道超聲激勵相控陣板卡(PHA16T)等組成[12]。待檢測鋁板尺寸為1000 mm×500 mm×1 mm，其材料參數(shù)、缺陷尺寸及分布與仿真相同。Lamb波換能器線性陣列由8片矩形壓電陣元組成，其尺寸均為6 mm×6 mm×0.5 mm，陣元間距2 mm，通過502膠水耦合于鋁板邊緣。

圖6 Lamb波成像系統(tǒng)裝置Fig.6 Lamb wave imaging system device

3.2 成像結(jié)果和定位分析

與數(shù)值仿真中的雙元激勵法不同，在實際檢測情況中，大多只能單面激勵Lamb波。因此在檢測實驗中只在鋁板一側(cè)表面上布置線性陣列，并與仿真中激勵信號相同，激勵中心頻率為300 kHz的漢寧窗調(diào)制5周期正弦信號，系統(tǒng)采樣頻率為50 MHz，每組信號共采樣20000個點，能完全對鋁板進行掃查，實驗獲取陣列回波信號如圖7所示，由于噪聲干擾和Lamb波頻散現(xiàn)象導(dǎo)致多個缺陷的回波信號發(fā)生混疊。

圖7 實驗陣列回波信號Fig.7 Experimental array echo signal

根據(jù)陣列信號端面回波到達時間計算波速c，端面回波到達平均時間為186μs，所以Lamb波的波速c為5366 m/s，與理論值相近，補償后波速為5154 m/s，圖8為補償前后的瞬時相位包絡(luò)成像圖，其中圖8(b)下方中心最亮的區(qū)域為波速補償后對端面回波信號的聚焦成像結(jié)果。

各個缺陷的定位坐標(biāo)如表2所示。實驗數(shù)據(jù)成像結(jié)果與仿真結(jié)果相似，補償前5個缺陷的定位誤差平均值為24.58 mm，補償后的定位誤差平均值為12.24 mm，經(jīng)過波速補償能有效減小缺陷的定位誤差。

圖8 瞬時相位包絡(luò)成像圖Fig.8 Instantaneous phase envelope imaging

表2 實驗數(shù)據(jù)的缺陷定位Table2 Defect location of experimental data

4 結(jié)論

針對板結(jié)構(gòu)中多裂紋缺陷的識別和定位問題，本文進行了板結(jié)構(gòu)Lamb波陣列成像方法研究，得出以下結(jié)論：

(1)提出了瞬時相位全聚焦成像的包絡(luò)形式和定位補償方式，通過數(shù)值仿真實現(xiàn)了鋁板上多裂紋缺陷的檢測和定位。

(2)通過實驗驗證了經(jīng)過波速補償后的瞬時相位包絡(luò)成像方法可以有效減小缺陷的定位誤差，經(jīng)過波速補償后的缺陷定位平均誤差為12.24 mm。