特厚結構鍛焊件的超聲信號處理方法

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

特厚結構鍛焊件的超聲信號處理方法

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

文章介紹了一種針對特厚結構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的回波信號處理方法，實現400mm以上超常規尺寸結構的有效探傷。

特厚結構；超聲波；聚焦探頭；SAFT

常規尺寸的壓力容器，使用超聲和射線檢測可以有效的對焊縫進行檢測，但是在特厚結構鍛焊件的工況下，現有的射線檢測方法無力穿透或生產成本過高。使用超聲波檢測時，聲波在工件內的傳播路徑明顯加大，由于波束擴散、信噪比、超聲傳播距離等參數的影響，常規的超聲波檢測方法已經不再適用，需要對現有的方法加以改進，提供經濟、有效的超聲波檢測方法。在本文中，我們使用了改進的聚焦探頭來控制超聲波聲場在工件內的擴散，同時使用SAFT技術檢測400mm以上范圍內的缺陷，引入新的信號處理方法，實現特厚結構鍛焊件的超聲波檢測。

一、超聲回波信號的數字處理

在對大厚度焊縫進行超聲檢測時，由于聲程很長，脈沖信號在傳播過程中衰減嚴重，缺陷信號變得很微弱，實際信噪比降低。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為例（見圖1），其信噪比只有3.7dB，嚴重影響正常缺陷信號的顯示。

圖1 大厚度焊縫超聲波探傷回波信號實例

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

小波處理的第二步是對各個層次的細節進行門檻處理，門檻的選擇方法有很多種，本項目根據實驗確定了中位數法，即選取一個與第i層細節的中位數成比例的門檻值，將第i層細節中小于這個門檻值得系數置為零。這樣處理過的細節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重構，也稱為小波逆變換，即利用閾值處理后的細節參數和最高一層的大致形貌重新構成時域信號。

經過多次數據試驗，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進行降噪處理，可以獲得相對比較好的效果。

圖2 經小波處理的一個回波信號的實例

確定了對回波信號的處理方法后，我們將其固化到探傷儀板卡內，通過數據采集模塊的內置軟件對實時信號進行處理后，我們就得到了所期望結果。通過數字濾波技術處理后的超聲信號非常穩定（見圖3），信噪比很高，有利于缺陷的發現與識別。

圖3 A掃實時顯示界面

二、基于平面掃查的SAFT技術

合成孔徑聚焦技術［4］（SAFT）是指通過綜合多個處于不同幾何位置的超聲波換能器所接收到的信號，實現一個等效的大孔徑換能器，從而提高對目標區域內反射體的分辨能力。使用合成孔徑技術進行超聲波探傷時，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。當每個探頭的孔徑為d時，橫向分辨率為的d/2。

由于合成孔徑技術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值模擬試驗進行驗證。

仿真研究在自行開發的一套超聲波檢驗仿真工具軟件上進行，其目的是驗證直探頭、斜探頭的SAFT算法，研究尋找工藝參數對提高檢驗分辨率的影響規律，設計SAFT算法，測試算法的效率。

通過數值模擬軟件，我們模擬了不同孔徑和聚焦深度等參數變化對試驗效果的影響。發現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，但是當合成孔徑長度增加到一定量的時候，分辨率不再提高。另外，根據我們的試驗，在方位向上進行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。模擬反射點的深度是450mm，當聚焦深度大于450mm，并且逐漸增大時，6dB斑點的面積和長度值逐漸增加，分辨率降低。另外，在方位向進行SAFT處理，聚焦深度對缺陷的寬度分辨率基本沒有影響。

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

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

通過上述實驗，我們確立了在大厚度工況下綜合應用小波分析與降噪技術和SAFT合成孔徑技術，能夠在大厚度工況條件，實現缺陷的精確定位、定量。

［1］張惠，劉晴巖.基于LabVIEW軟件平臺的粗晶材料超聲信號去噪處理的研究［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，Ferroelectrics，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］.應用聲學。1992。13（3）：43～48.