李 力，余新亮，張全林

（水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室（三峽大學），湖北 宜昌 443002）

超聲A掃描信號建模及其缺陷識別方法研究

李 力，余新亮，張全林

（水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室（三峽大學），湖北 宜昌 443002）

針對超聲檢測中A掃描信號依靠經(jīng)驗評定結(jié)構(gòu)缺陷、識別缺陷類型困難等問題，提出一種A掃描信號建模方法，計算出缺陷A掃描信號。該方法基于超聲檢測系統(tǒng)建立A掃描信號數(shù)學模型，應(yīng)用多元高斯聲束法計算模型中缺陷表面超聲波傳播質(zhì)點速度，運用基爾霍夫近似理論描述模型中缺陷散射振幅，從而獲得缺陷超聲A掃描信號。應(yīng)用CSII-1/20標準試塊平底孔（缺陷）超聲A掃描表明：該方法計算獲得試塊平底孔5#（缺陷）A掃描信號與試驗測量結(jié)果在缺陷位置和幅度基本吻合，是識別結(jié)構(gòu)孔洞類缺陷的一種有效方法。

超聲檢測；A掃描信號建模；缺陷；識別

0 引言

超聲檢測已廣泛應(yīng)用于機械制造、航空航天、石油化工、混凝土建筑等行業(yè)質(zhì)量檢測[1-4]。A型脈沖反射式超聲檢測儀是超聲檢測普遍使用設(shè)備，A型脈沖反射回波信號（簡稱A掃描信號），是超聲檢測儀常見輸出信號顯示形式。A掃描信號，橫軸顯示缺陷位置，縱軸顯示缺陷信號幅度，是目前常規(guī)超聲檢測評定設(shè)備缺陷關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，能否反映缺陷真實大小直接關(guān)系缺陷能否檢出和缺陷評定結(jié)果。實際現(xiàn)場設(shè)備超聲檢測都是直接觀察A掃描信號波形依靠經(jīng)驗識別出缺陷超聲信號后，進行缺陷位置和缺陷當量大小評定工作[5]。這種經(jīng)驗檢測很大程度受到檢測人員操作技術(shù)水平、檢測設(shè)備和檢測方法等因素影響，當檢測工件材質(zhì)和結(jié)構(gòu)復雜時，有經(jīng)驗的檢測人員也會遇到缺陷類型正確識別困難[6]。因此，目前超

聲檢測A掃描依靠經(jīng)驗評定可能會存在缺陷類型識別困難問題，本文針對這一問題展開研究，給出了一種結(jié)構(gòu)缺陷超聲檢測A掃描信號建模與計算方法，計算缺陷的A掃描信號。該方法應(yīng)用CSII-1/20標準試塊平底孔（缺陷）計算，該方法計算獲得試塊平底孔5#（缺陷）A掃描信號與試驗測量相符，是識別結(jié)構(gòu)孔洞類缺陷的一種有效方法。

1 A掃描信號建模與計算方法

圖1為超聲檢測A掃描技術(shù)，工作原理是：發(fā)射探頭向檢測結(jié)構(gòu)發(fā)射脈沖超聲波，超聲波與檢測結(jié)構(gòu)中缺陷相互作用，引起的回波經(jīng)接收探頭獲得缺陷超聲檢測A掃描信號。缺陷超聲檢測A掃描信號形成過程包括超聲波發(fā)射、超聲波與缺陷相互作用和超聲波接收3個過程。

圖1 超聲檢測A掃描技術(shù)原理示意圖

1.1 信號建模

依據(jù)A掃描信號形成原理，從頻域角度建立一個描述信號的等效數(shù)學模型[7-8]，見圖2所示模型傳遞函數(shù)為

式中：VR（ω）——輸出回波信號電壓頻域函數(shù)；

SG（ω）——發(fā)射過程傳遞函數(shù)；

SA（ω）——超聲波與缺陷相互作用過程傳遞函數(shù)；

SR（ω）——接收過程傳遞函數(shù)；

Vi（ω）——輸入電壓頻域函數(shù)。

令S（ω）=SG（ω）SR（ω）Vi（ω），有

式中：S（ω）——超聲檢測系統(tǒng)固有特性函數(shù)。

對于一個確定超聲檢測系統(tǒng)，發(fā)射和接收過程脈沖發(fā)生器、發(fā)射電纜線、發(fā)射探頭、接收探頭、接收電纜線和脈沖接收器自身物理特性是給定的，因此超聲檢測系統(tǒng)固有特性函數(shù)S（ω）是已知的[7-8]。建立A掃描信號數(shù)學模型，理論描述了實際A掃描信號產(chǎn)生3個具體過程，模型輸出回波信號是計算超聲檢測A掃描信號基礎(chǔ)。

1.2 信號計算

圖2 超聲A掃描信號數(shù)學模型

建立模型是為了求解超聲波與缺陷相互作用的過程，計算出超聲回波信號。應(yīng)用互易原則[7-8]，Thompson-Gray給出了該作用過程傳遞函數(shù)為

A（ω）——缺陷散射振幅；

ρ——檢測對象介質(zhì)密度；

c——檢測對象介質(zhì)中傳播類型超聲波聲速；

k——檢測對象介質(zhì)中傳播類型超聲波波數(shù)，

k=2π/λ；

λ——傳播類型超聲波波長；

Ze——發(fā)射探頭聲阻抗。

代入式（2），模型輸出回波信號為

式（4）傅里葉逆變換，模型輸出回波信號為

式（5）模型輸出回波信號VR（t）即為超聲檢測A掃描信號，超聲檢測A掃描信號計算方法重點在于發(fā)射接收探頭輻射檢測對象缺陷表面質(zhì)點速度和缺陷散射振幅A（ω）參數(shù)求解。

1.2.1 缺陷表面質(zhì)點速度

超聲波從一種介質(zhì)進入另外一種介質(zhì)是常見傳播形式，多元高斯聲束法可計算各向同性介質(zhì)中超聲波傳播規(guī)律[9-10]。利用該方法計算圓形晶片直探頭發(fā)射超聲波從介質(zhì)1穿過界面進入介質(zhì)2傳播，在介質(zhì)2中傳播質(zhì)點速度為

式中：γ——介質(zhì)2傳播超聲波類型，取縱波或橫波；

s1，s2——介質(zhì)1，2超聲波傳播距離；

An——多元高斯疊加常系數(shù)；

Y——坐標矩陣[x，y]。

式中：ω——角頻率；

a——圓形直探頭晶片半徑；

Bn——多元高斯疊加常系數(shù)。

1.2.2 缺陷散射振幅

基爾霍夫近似理論可以描述超聲波與缺陷相互作用的散射場，該理論忽略沿缺陷表面?zhèn)鞑サ牟?，將散射場近似為缺陷上每個點切平面反射場相加。平底孔是最具代表性的標準反射體，是缺陷當量評定重要參考[11-12]。使用基爾霍夫近似理論，平底孔反射體散射場振幅為

式中：bf——平底孔反射體半徑。

1.3 缺陷識別

兩個參數(shù)求解后，那么超聲A掃描信號計算：首先，根據(jù)實際檢測對象，確定合理超聲檢測系統(tǒng)，獲取模型中檢測系統(tǒng)固有特性函數(shù)S（ω）；其次，利用式（6）、式（7）和式（8）計算超聲波探頭輻射檢測對象缺陷表面質(zhì)點速度V0（ω）和缺陷散射振幅A（ω）；最后，將上述求解結(jié)果代入式（5）可以得到理論計算超聲檢測A掃描信號VR。因此，利用超聲A掃描信號建模，可以計算大量理論孔洞類缺陷A掃描超聲信號數(shù)據(jù)，建立孔洞類缺陷A掃描超聲特性庫，對于實際某結(jié)構(gòu)孔洞內(nèi)缺陷超聲檢測的A掃描信號，直接對比庫內(nèi)信號，就可以直接觀察識別出結(jié)構(gòu)孔洞類缺陷。

2 實例分析

選用CSII-1/20標準試塊（近似各向同性介質(zhì)）作為檢測對象，發(fā)射和接收都選用圓形縱波直探頭，中心工作頻率2.5MHz，晶片直徑20mm。選平底孔5#作為缺陷，孔直徑為φ2mm，探頭表面到平底孔平面距離L為25mm，超聲檢測試驗圖如圖3所示。選定超聲檢測系統(tǒng)參數(shù)后，求解已知超聲檢測系統(tǒng)固有特性函數(shù)S（ω），利用式（6）、式（7）和式（8）計算超聲波探頭輻射檢測對象缺陷表面質(zhì)點速度V0（ω）和缺陷散射振幅A（ω），代入式（5）計算平底孔缺陷超聲檢測A掃描信號。圖4是正向檢波歸一化后平底孔缺陷體超聲檢測A掃描信號計算方法與試驗測量結(jié)果對比，表明模型計算與試驗結(jié)果基本吻合。因此，應(yīng)用超聲A掃描信號建模及缺陷識別方法可以直接觀察識別出結(jié)構(gòu)孔洞類缺陷。

圖3 CSII-1/20標準試塊超聲檢測試驗（單位：mm）

圖4 平底孔5#缺陷體超聲檢測計算A掃描信號與試驗測量比較

3 結(jié)束語

針對超聲檢測A掃描中缺陷類型直接識別困難問題，提出了一種缺陷A掃描信號建模與計算方法，建立A掃描信號數(shù)學模型，計算獲得缺陷A掃描信號。通過實例分析應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

（1）建立A掃描信號數(shù)學模型，應(yīng)用多元高斯聲束法計算超聲波探頭輻射被檢對象缺陷表面質(zhì)點速度，運用基爾霍夫近似理論描述缺陷散射振幅，計算獲得缺陷超聲A掃描信號。A掃描信號建模與計算方法能夠提供不同平底孔缺陷A掃描超聲特性研究數(shù)據(jù)，直接參考比對實際信號，是一種直接正確識別孔洞類缺陷的有效方法。

（2）CSII-1/20試塊平底孔5#（缺陷）超聲A掃描實例應(yīng)用表明：缺陷超聲檢測A掃描信號建模與計算方法與試驗測量結(jié)果基本吻合，驗證了方法正確性。A掃描信號波形局部差異反映了數(shù)學模型需要進一步修改完善，如充分考慮超聲波探頭和被檢工件實際耦合效果等。

（3）缺陷A掃描信號建模與計算方法計算結(jié)構(gòu)缺陷理論超聲檢測的A掃描信號特性，可用作標準試塊和超聲檢測儀性能是否良好校準參考。同時，在不進行大量試驗情況下，利用缺陷超A掃描信號建模與計算方法提供不同大小孔洞類缺陷信號的超聲特性，直接用于參考比對實際信號，有利于提高超聲檢測孔洞類缺陷檢出率和定量評定結(jié)果可靠性。

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Ultrasonic A-scan signal modeling for structure defect recognition

LI li，YU Xin-liang，ZHANG Quan-lin
（Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design and Maintenance，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

A-scan signal of ultrasonic testing was always applied to evaluate structure defect.It was difficult to recognize structure defect type for the A-scan signal was directly evaluated on the basis of experience.Therefore this paper presented an approach of A-scan modeling for structure defect recognition.In this approach，an A-scan frequency-domain model was firstly developed，the multi-Gaussian beam model was given to calculate ultrasonic wave particle velocity of structure defect surface，and the Kirchhoff approximation theory was applied to describe structure defect scattering.Ultrasonic A-scan signal of structure defect was finally calculated.The results of ultrasonic testing of a flat bottom hole in CSII-1/20 standard test block showed that the waveform and amplitudeofcalculated A-scan signalwerein good agreementwith theexperimental measurements.So，the approach can be effective to recognize a flat bottom hole in structure.

ultrasonic testing；A-scan modeling；structure defect；recognition

TB551；TP391.9；TP301.6；TH878+.2

：A

：1674-5124（2014）01-0014-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.004

2013-03-05；

：2013-04-21

國家自然科學基金項目（51175401）2012三峽大學碩士學位論文培優(yōu)基金（2012PY021）

李 力（1964-），女，湖南汨羅市人，教授，博士，研究方向為機械監(jiān)測、控制與診斷，機械信號分析與處理，無損檢測技術(shù)等。