基于Barker碼的一發兩收超聲TOFD技術在檢測傾斜裂紋中的應用

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(河海大學 物流網工程學院，常州 213022)

基于Barker碼的一發兩收超聲TOFD技術在檢測傾斜裂紋中的應用

王鵬，韓慶邦，姜學平，鄭豪，許洲琛

(河海大學 物流網工程學院，常州 213022)

在傳統超聲TOFD技術的基礎上，將Barker碼激勵與一發兩收TOFD技術結合起來，根據兩個接收探頭接收聲波的聲程差，準確定位裂紋的兩個端點，進而定量地檢測傾斜裂紋。有限元仿真結果表明，基于Barker碼匹配壓縮后的衍射回波信號的精度可達到0.01 μs，檢測傾斜裂紋角度的平均誤差為1.62°。

無損檢測；超聲衍射時差法；傾斜裂紋；巴克碼激勵

傳統的超聲衍射時差技術TOFD[1-2](Time of Flight Diffraction) 能精確地定量檢測焊縫中的垂直裂紋，但檢測傾斜裂紋時會帶來誤差[3]，難以有效檢測斜裂紋。

HOSEINI[4]基于超聲B掃提出一種改進型RATT(Relative Arrival Time Technique),其能夠定量檢測傾斜裂紋的長度與角度，但該技術僅限于檢測工件底部開口斜裂紋，難以定量檢測閉口斜裂紋。陳婷婷[5]提出TOFD_LWE(Locating with Ellipses of TOFD)技術，即雙橢圓超聲TOFD定位技術，可以檢測工件內部斜裂紋的角度，但并未給出解析解，也沒有進一步地驗證該方法的可行性及效率。康達[6]利用兩次B掃間隔、編碼器移動的距離差及傾斜裂紋之間的幾何關系,定量檢測裂紋傾斜角度與長度，但該方法需借助超聲B掃。

針對焊縫內部傾斜裂紋定量檢測的問題，筆者提出一種一發兩收超聲TOFD技術。該技術通過處理兩個接收陣元的聲程聲時差，可準確獲知傾斜裂紋上、下端點的坐標，進而確定其長度及角度；但在計算裂紋端點坐標中，需對聲速進行平方(詳見1.1中的推導)。故，其對時間精度的要求很高，很小的時間誤差就可能引起較大的檢測誤差，難以進行有效的檢測。為解決時間精度問題，筆者在一發兩收超聲TOFD中引入Barker碼激勵[7]。Barker激勵最先應用于雷達系統[8]，由于其能顯著提高檢測距離與檢測精度，而逐漸應用于超聲無損檢測[9]與超聲診斷中[7]。叢森等[10]將脈沖壓縮技術應用于超聲TOFD檢測中，對具有槽類裂紋的鋼板進行了檢測，并與常規的超聲TOFD檢測結果進行了對比，在較低的激勵電壓與系統增益下，實現了較高的檢測信噪比及分辨率。

筆者將Barker碼激勵與一發兩收TOFD技術結合起來，無需超聲B掃查，就可以有效地定量檢測焊縫中的傾斜裂紋，減小裂紋不在兩探頭中線上帶來的誤差。仿真結果表明，該方法能顯著提高時間精度(達到0.01 μs)，檢測傾斜裂紋深度的平均誤差為0.10 mm，長度的平均誤差為0.24 mm，角度的平均誤差為1.62°。

1 檢測理論基礎

1.1 一發兩收超聲TOFD技術的原理

一發兩收超聲TOFD技術的檢測原理示意如圖1所示。工件表面的發射陣元與兩個接收陣元放置在裂紋兩端(非對稱)；工件內部有一個閉口傾斜裂紋，斜裂紋的長度為γ，深度為d，與豎直線的夾角為θ。以工件表面水平向右為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向，建立直角坐標系，E(xE, 0)為發射陣元坐標，R1(x1, 0)，R2(x2, 0)分別為1，2接收陣元坐標，F(xF,yF)為裂紋端點坐標。

圖1 一發兩收超聲TOFD檢測原理示意

根據圖1的一發兩收模式，由聲時、聲速及聲程之間的關系可得兩個獨立的等式。

式中：t1，t2為R1，R2接收衍射回波的聲時；c為工件縱波聲速。

基于公式(1)，(2)可得含裂紋端點x向坐標的一元二次方程。

式中：

從式(3)中解出xF，即可計算出裂紋端點的坐標：

(5)

式中：

式(5)中xF表達式的“±”應根據實際情況選取，文中取“+”。重復上述步驟，即可得到裂紋上、下端點的坐標。設裂紋的上下端點坐標分別為Xu(xu,yu),Xb(xb,yb)，裂紋的深度d，角度θ以及長度γ如式(7)表示。

1.2 Barker碼激勵原理

Barker碼是最為常見的單次發射二進制編碼[7,9]，目前發現的Barker碼的最長長度是13位，尚未找到更長的Barker碼[11]。相比其他編碼方式(Golay碼，Chirp信號)，Barker碼為單次發射，操作最為簡便。

設r(t)為發射陣元輻射的信號，其由N個緊連著的子脈沖組成。接收陣元接收的衍射回波為s(t)。基于相關性原理，二相關信號的相位編碼脈沖壓縮過程為接收信號s(t)與參考信號r(t)的卷積運算:先得到接收信號與參考信號的點積，再對該點積進行反傅里葉變換。Barker碼激勵的脈沖壓縮過程示意如圖2所示。

圖2 Barker碼激勵脈沖壓縮處理過程示意

2 有限元仿真

根據實際檢測對象的特征，建立如圖3所示的有限元仿真模型。以模型左下角為原點O，水平向右與豎直向上分別為x、y軸建立直角坐標系。模型具體參數為：長90 mm，高40 mm；填充材料為鋼，縱波聲速c為5 900 m·s-1；模型網格大小為1.55×10-4m，求解時間步長為1.25×10-9s，采樣頻率為50 MHz。模型中，狹長橢圓形裂紋中心坐標為(45 mm,15 mm)，裂紋長度為6 mm，裂紋與豎直線的夾角分別為-70°,-50°,-30°,-10°,0°,10°,30°,45°,50°,70°。發射陣元激勵波形為正弦調制的5位Barker碼(見圖4)，中心頻率f=5 MHz。

圖3 有限元仿真模型

圖4 正弦調制的5位Barker碼

3 仿真結果與分析

文章所討論的僅限于基于縱波的超聲TOFD技術，因此只考慮工件中的縱波[12]。工件中只存在表面直通波、裂紋上端點衍射波、下端點衍射波和工件底面反射波[13]，根據文獻[14]中的由橫波產生的變型波一般都位于底面反射波之后，其影響幾乎可以忽略的結論，故文章只考慮工件中的縱波。

圖5是斜裂紋與豎直線的夾角θ為45°時，模型在不同時刻的聲場圖，可見，圖中可清晰分辨出裂紋上端點衍射波、下端點衍射波以及底面反射波。

圖5 裂紋與豎直線的夾角為45°時，模型在不同時刻的聲場圖

圖6 1,2接收陣元接收的聲波信號

圖6是兩個接收陣元接收的聲波信號，圖中表面直通波及底面反射波清晰可見，但是裂紋上端點衍射波與下端點衍射波的幅值極低，幾乎無法分辨而難以進行有效的檢測。圖7是對接收陣元接收的聲波進行脈沖壓縮處理后得到的窄脈沖信號，其通過匹配濾波器的方式將時域較長的信號壓縮成時域很窄的脈沖信號；圖中表面直通波，底面反射波，裂紋上、下端點衍射波均清晰可辨，有用信號的幅值及時間分辨率顯著提高，是較理想的檢測波型。

圖7 經脈沖壓縮后的1,2接收陣元接收的聲波信號

圖8 檢測的裂紋長度與設置長度的對比

從圖7可獲得裂紋上端點衍射波到達兩個接收陣元的聲時分別為：t1=9.74 μs,t2=10.99 μs。將模型中的參數及聲時代入式(5)，得到裂紋上端點的坐標(42.86 mm, 17.13 mm)；同樣地，裂紋下端點坐標為(47.11 mm, 12.86 mm)。通過式(7)得到裂紋的信息：裂紋深度d=17.09 mm，長度γ=6.17 mm，角度θ=46.28°。檢測參數與設置的參數誤差為：深度誤差ed=0.03 mm，長度誤差eγ=0.17 mm，角度誤差eθ=1.28°。

圖8是Barker碼激勵的一發兩收TOFD檢測的裂紋長度與設置長度的對比，最大誤差為0.5 mm，平均誤差0.24 mm；圖9是檢測的裂紋角度與設置角度的對比，最大誤差為3.06°，平均誤差為1.62°；圖10是檢測裂紋深度與設置深度的對比，最大誤差為0.24 mm，平均誤差為0.10 mm。

圖9 檢測的裂紋角度與設置角度的對比

圖10 檢測的裂紋深度與設置深度的對比

根據圖7，在Barker碼激勵的一發兩收TOFD技術中，斜裂紋上、下端點的衍射回波幅值顯著提高，是較理想的檢測波型。由圖8～10中的數據可知，Barker碼激勵的一發兩收TOFD能夠有效地檢測傾斜裂紋的長度、深度及角度。

4 結論

提出基于Barker碼激勵的一發兩收超聲TOFD技術，并用有限元仿真驗證了該方法的檢測能力。仿真結果表明，該方法能夠較精確地檢測傾斜裂紋的深度、長度和角度，檢測誤差能夠保持在一個較小的范圍內。

Barker激勵結合一發兩收TOFD技術的檢測范圍(上、下盲區)，檢測精度有待進一步討論。

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ApplicationofUltrasoincTOFDTechnologywithOneTransmitterandTwoReceiversBasedonBarkerCodeinDetectingInclinedCracks

WANG Peng, HAN Qingbang, JIANG Xueping, ZHENG Hao, XU Zhouchen

(College of Internet of Things Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China)

This paper combined the Barker code excitation with the modified TOFD with double receivers on the basis of traditional TOFD technique. Based on the travelling times

by the two receivers, the positions of two crack tips were acquired to quantitatively evaluate inclined cracks. FEM simulation results showed that the time resolution of the signal compressed by Barker code excitation could be up to 0.01 μs and the average error of the estimated orientation was 1.62°.

NDT; TOFD; inclined crack; barker code excitation

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0040-04

2017-05-15

國家自然科學基金資助項目(11574072,11274091);江蘇省重點研發計劃項目(BE2016056)

王鵬(1993-)，男，碩士，研究方向為通信與信息系統

韓慶邦，hqb0092@163.com

10.11973/wsjc201712009