基于整體聚焦算法(TFM)的超聲探測技術*

馬　銳　施未來

(海軍指揮學院信息戰(zhàn)研究系　南京　210007)

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基于整體聚焦算法(TFM)的超聲探測技術*

馬銳施未來

(海軍指揮學院信息戰(zhàn)研究系南京210007)

摘要針對具有不規(guī)則表面器件的內部微觀缺陷的無損檢測問題,以超聲相控陣技術為基礎,利用聲場能量的整體聚焦法則,為器件內部微觀缺陷的精確定位和成像提供有效的解決方案。

關鍵詞無損檢測; 超聲相控陣; 整體聚焦法

Ultrasonic Phased Array Nondestructive Detection Technique Based on Total Focusing Method

MA RuiSHI Weilai

(Department of Information Warfare Research, Naval Command Academy, Nanjing210007)

AbstractAiming at the problem of nondestructive testing of micro defects at mechanical workpiece surface and internal, the total focusing method based on the ultrasonic phased array technology is used to provide an effective solution for micro defect localization and imaging.

Key Wordsnondestructive detection, ultrasonic phased array, total focusing method

Class NumberTB553

1引言

超聲無損檢測技術是通過超聲波與試件相互作用,就超聲反射、透射和散射波的性質和參數進行研究,對試件進行微觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征,并進而對其特定應用性能進行評價的技術[1]。

目前,常規(guī)的超聲檢測原理為:超聲探頭激發(fā)入射波進入工件表面和內部,如果工件某區(qū)域出現缺陷,入射波將在這些區(qū)域處被反射,該反射波被稱為界面回波;在工件質量良好的區(qū)域,超聲波將其視為均勻的同性質材料,探頭激發(fā)的入射波將直接在工件底面處被反射而回,該反射波稱為底面回波[2～4]。根據回波信號出現的時機和位置,結合超聲波在工件材料中的傳播速度以及被測工件的幾何尺寸,可以準確地分辨界面回波和底面回波,進而判斷工件的缺陷區(qū)域。

常規(guī)的超聲無損檢測技術主要根據界面和底面回波信號來判斷工件的缺陷區(qū)域,由于其工作原理和技術條件的限制,常規(guī)的超聲檢測技術存在著較多缺陷:

1) 分辨力低。超聲探頭發(fā)射出的聲場在空間縱向與橫向都存在不均勻性。不均勻的波束在不同材料分界面上傳播時,會發(fā)生聲波能量的衰減和波束的分散,降低其對于缺陷區(qū)域的分辨力,導致小尺寸缺陷難以被檢測到,或者將多個靠近的小缺陷判斷為一個大缺陷的情況,影響檢驗精度。

2) 反饋信息單一。常規(guī)的超聲檢測技術主要根據回波信號來判斷檢測區(qū)域是否存在缺陷或焊合與否,不能提供更多種類的信息,無法精確的判定缺陷的種類、尺寸和幾何特征。

3) 受被測試件的影響較大。工件表面粗糙度和平整度、邊緣側壁的散射效應、四周邊的延展、變形、開裂等均對于超聲信號的傳播與提取造成嚴重的干擾。

4) 檢測效率低下、成本較高。常規(guī)超聲檢測探頭使用單晶探頭,尺寸較小,每次掃描的區(qū)域極其有限,檢測效率低下;為提高檢測精度,檢測探頭一般配備聲學透鏡,使得聲場能量能夠聚焦到一定深度。但是聲學透鏡的聚焦深度固定,對于不同厚度的工件需要配備不同的聲學透鏡,使得檢測成本較高。

超聲相控陣無損檢測技術來源于雷達相控陣與常規(guī)超聲檢測技術的結合。超聲相控陣檢測技術使用不同形狀的多陣元換能器代替?zhèn)鹘y的聲學透鏡來產生和接收超聲波束,通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的不同延遲時間,改變聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系,實現焦點和聲束方向的變化,從而實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦。然后采用機械掃描和電子掃描相結合的方法來實現掃描區(qū)域的成像[1,5～9]。超聲相控陣探頭由多個壓電晶片按一定的規(guī)律排列組合在一起,常見的有線陣和二維面陣。工作時,探頭每個晶片能單獨發(fā)射指令給出的脈沖,通過相控陣電子設備控制每個晶片脈沖發(fā)射的延遲,或按照一定規(guī)律組合依次激勵部分晶片從而實現對聲波束的自由控制,完成對指定檢測區(qū)域的能量聚焦。信號接收時,根據發(fā)射延遲法則,控制每個晶片的接收時延,達到接收信號的同步相干,并進行各個通道內信號匯集,完成聚焦點信號的提取,其原理如圖1所示。

圖1　超聲相控陣檢測過程原理示意圖

超聲相控陣技術相對常規(guī)超聲檢測技術,其聲場聚焦手段更方便自由,可實現動態(tài)多點聚焦。在實際應用中為能達到最好的檢測效果(如精確量化缺陷尺寸),最理想的狀態(tài)莫過于在檢測區(qū)域內實現逐點聚焦。圖2顯示了聲場在檢測區(qū)域未聚焦和逐點聚焦后,對于缺陷的成像效果。可以發(fā)現,聲場在逐點聚焦后,對于缺陷尺寸的判斷具有明顯的幫助。

圖2　聲場能量逐點聚焦對于缺陷區(qū)域的成像效果影響

然而,在實際應用中,受制于待檢區(qū)域位置尺寸,檢測速度,設備性能及一些無法逾越的物理因素,很難通過直接設置相控陣探頭的延遲法則來達到逐點聚焦的目的[10～11],進而影響檢測的精度和可信度。

本文基于超聲相控陣技術,提出整體聚焦法,通過特殊的數據采集方法(全矩陣捕捉技術)加上特有的后期數據處理算法,實現實時的逐點聚焦成像技術(Total Focusing Method,TFM)。為機械工件微觀缺陷的精確定位和成像提供有效的解決方案。

2方法與試驗過程

2.1整體聚焦法(TFM)

1) 全矩陣捕捉技術(TFC)

整體聚焦法的數據采集模式稱為全矩陣捕捉技術,其處理過程是超聲探頭換能器的N個發(fā)射單元按一定延遲法則依次連續(xù)發(fā)射信號,所有接收單元同時進行信號的接收,如圖3所示。探頭陣列每一對發(fā)射/接收通道的時域信號按一定時序采集到一個N×N的二維全信號矩陣Kn(t)中等待后續(xù)處理,矩陣中的每個單元是一個A掃信號Kij(t),這條A掃信號由晶片j(發(fā)射單元)發(fā)射,并由晶片i(接收單元)接收,如圖4所示。

圖3　全矩陣捕捉技術的數據采集模式

Kn(t)　n∈[1,N×N]圖4　二維全信號矩陣結構

2) 整體聚焦成像算法

圖5顯示了運用整體聚焦法進行成像的算法處理過程。如圖5所示,整體聚焦(TFM)成像技術需要首先在檢測范圍內劃定一個成像區(qū)域(Region of Intersting,ROI)。隨后,計算成像區(qū)域ROI內每一像素點相對矩陣Kn(t)中每條A掃信號的聲程,即從相控陣探頭晶片j(發(fā)射單元)到檢測區(qū)域內一點P,再到晶片i(接收單元)的超聲波傳播時間(Tij(P))。通過聲程Tij(P)在全信號矩陣Kn(t)中找到對應的A掃信號數據Kij(t),并提取其信號幅值Aij(P),矩陣中所有Aij(P)的和,即為P點的圖像信號強度響應值Ip:

(1)

圖5　整體聚焦成像算法示意圖

以上所述,是整體聚焦法進行缺陷定位和成像的應用原理。事實上,整體聚焦法是一種后期信號處理技術,該技術能夠將檢測區(qū)域內所有掃描點的A掃信號數據存儲到二維全信號矩陣中,用戶可利用各種信號處理算法對于存儲在矩陣中的數據進行后期處理,得到其它類型的信息,在使用上具有很大的靈活度,應用范圍廣泛。具體到機械工件的微觀缺陷檢測,可以通過整體聚焦法提取其疑似缺陷區(qū)域的信號數據,綜合利用諸如擬合、對比、匹配以及特征提取等信號處理方法,提取有用的信息,從而精確描述缺陷的位置、尺寸、性質和幾何特征等信息。

2.2試驗材料和器材

檢測試件采用帶有多種類型的人工缺陷316L不銹鋼試塊作為標準檢測試塊。缺陷類型包括傾斜開裂缺陷、φ0.2mm小橫通孔、直徑0.1mm的隨機分布氣孔以及鋸齒形缺陷,如圖6所示。

圖6　標準試塊

超聲相控陣檢測設備采用法國M2M公司生產的GMKKO檢測儀,其具體參數指標如表1所示。

表1　GMKKO超聲檢測儀參數指標

2.3試驗過程

對標準試塊分別采用常規(guī)相控陣扇掃檢測和TFM法檢測。檢測方法采用接觸法,即相控陣檢測儀探頭與試塊表面直接接觸,并沿表面水平移動,移動速度控制在20mm/s～30mm/s。檢測儀探頭與標準試塊表面之間采用凈水作為耦合劑。

3試驗結果與分析

圖7顯示了對于帶有多種類型的人工缺陷316L不銹鋼試塊,分別使用常規(guī)相控陣扇掃方式和整體聚焦法(TFM)的成像效果。

圖7　常規(guī)相控陣與TFM成像效果對比

如圖7(a)所示,對于傾斜開裂+前端0.2mm孔洞的組合型缺陷區(qū)域,使用常規(guī)相控陣扇掃檢測,將距離較近的兩種類型缺陷判斷為一個較大的傾斜開裂缺陷,未能檢測出傾斜開裂缺陷前端的0.2mm孔洞。而采用TFM能夠較為精確的檢測出兩種缺陷的類型、位置和幾何尺寸。

圖7(b)顯示了對于直徑0.1mm的隨機分布氣孔缺陷區(qū)域的檢測效果。使用常規(guī)相控陣扇掃檢測,將距離較近的多個小氣孔缺陷判斷為一個較大的不規(guī)則缺陷,無法準確描繪出缺陷的類型、位置和尺寸。而采用TFM能夠成像出部分氣孔的形狀、位置和尺寸,且對于區(qū)域內缺陷的分布情況有一個基本準確的描繪。

如圖7(c)所示,對于鋸齒形缺陷區(qū)域,使用常規(guī)相控陣扇掃檢測,將鋸齒形狀的缺陷成像為一個類似于橢圓形的缺陷區(qū)域。而采用TFM能夠將鋸齒形缺陷的形狀、尺寸和位置精確的描繪出來。

產生上述現象的主要原因是,超聲相控陣采用的聲波頻率范圍一般在1MHz～10MHz,其聲束分辨力的精度小于1mm。因此,常規(guī)超聲相控陣技術,對于直徑在0.5mm以下的獨立缺陷,無法準確的成像出其幾何形態(tài)和實際尺寸,對于距離在1mm以內的組合缺陷,無法區(qū)分出缺陷的類型、數量、幾何尺寸和位置關系。

TFM采用單晶片依次發(fā)射、多晶片同時接收的探測模式,能夠實現對于檢測區(qū)域的逐點掃描。利用探頭各個晶片單元與檢測區(qū)域內各點聲程以及回波幅度的細微差別,能夠準確的提取出檢測區(qū)域內各點回波信號的特征,從而判斷出檢測區(qū)域內不同類型缺陷的信號特點,進而精確描繪出各種類型缺陷的位置、形狀和幾何尺寸。

通過實際缺陷與TFM成像圖像的對比,檢驗出TFM成像技術在機械工件的無損檢測中,可以清晰識別直徑0.1mm左右,距離在0.2mm以內的不同缺陷,并準確分辨缺陷的類型,而且能夠精確地描繪缺陷的尺寸和幾何特征,為定性和定量的研究工件表面和內部的微觀缺陷提供可靠的依據。

4結語

1) 超聲波聲場在檢測區(qū)域實現逐點聚焦后,能夠準確地檢測缺陷的幾何尺寸。

2) 常規(guī)超聲相控陣技術,由于聲束分辨力的制約,對于直徑在0.5mm以下的獨立缺陷,無法準確的成像出其幾何形態(tài)和實際尺寸,對于距離在1mm以內的缺陷組合,無法區(qū)分出缺陷的類型、數量、幾何尺寸和位置關系。

3) TFM成像技術在機械工件的無損檢測中,可以清晰識別直徑0.1mm左右,距離在0.2mm以內的不同缺陷,并準確分辨缺陷的類型,而且能夠精確地描繪缺陷的尺寸和幾何特征。

參 考 文 獻

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中圖分類號TB553

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.033

作者簡介:馬銳,男,博士,講師,研究方向:超聲學、信號與信息處理。施未來,男,博士,講師,研究方向:信號與信息處理。

*收稿日期:2015年8月14日,修回日期:2015年9月21日