超聲相控陣技術在起重機金屬結構損傷檢測中的應用研究

朱云鋒，李 帥

（1.廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西 南寧 530299；2.廣西科技師范學院，廣西 來賓 546199）

0 引言

超聲相控陣技術是一種能夠實現聚焦的多通道信號處理技術，其能夠實現對多通道信號進行實時動態分析，是一種能夠快速處理和分析結構內部缺陷的新型無損檢測技術，其主要通過控制換能器陣元數量來改變發射和接收信號強度，從而實現聲場分布的調整。超聲相控陣技術可用于各種不同形狀復雜表面、缺陷及半埋/埋管結構的無損檢測，其能夠實現聚焦和偏轉控制，且對聚焦與偏轉角度的控制可以通過控制聲壓或回波信號的幅度來實現[1]。起重機（特別是室外、露天使用的起重機）的金屬結構在長期使用中可能會產生疲勞、腐蝕、裂紋等損傷的缺陷，這對起重機的正常運行和安全使用構成了潛在威脅。而且由于起重機復雜的結構及其龐大的體積，采用傳統的無損檢測，會存在無法完整覆蓋整個金屬結構、檢測效率低下以及對操作員的技術要求較高等問題。為此將超聲相控陣技術引入到起重機金屬結構的檢測中，利用其陣列型傳感器，通過控制多個發射和接收元素的時間和幅度，來實現對金屬結構掃查區域內的多個角度和深度的同時探測。如此可見，超聲相控陣技術能實現更廣泛的覆蓋范圍檢測，且具有更快的掃描速度和更精確的缺陷定位能力。

1 超聲相控陣技術原理

超聲相控陣將多個壓電式傳感單元按照特定的形狀順序和結構排列，根據惠更斯理論對各壓電式傳感單元的波形、相位和幅度進行單獨調節，從而使得相控陣列按照特定的時序激勵產生超聲波，不同陣元的子波束在空間中疊加交互，形成新的合成波陣面或合成波束，從而實現聲波束偏轉和聲波束聚焦的相控制[2]。

1.1 超聲相控陣偏轉

一維線性矩陣主要通過控制陣元發射延時，實現相控陣聲束偏轉。聲束偏轉是一種壓電元件產生激勵波前或某時刻激勵波某時刻角度疊加時產生的最強聲波，超聲相控偏轉原理圖示見圖1。

圖1 超聲相控偏轉原理

以不同等差列時序對相控陣陣列壓電元件激勵信號進行激發，能夠使合成波陣面具有指向角，當相控陣波束被激發時會發生偏轉。當壓電元件激勵脈沖與上一個激勵脈沖延遲時間間隔為△τ，則壓電元件激勵信號時間延遲間隔同樣為△τ，當超聲波偏轉波束發射方向與法線之間的偏角為θS，相鄰陣元中心距為d，超聲波傳播速度為c時，則兩個相鄰壓電陣時間延遲為：

以第一個壓電陣元為基準，各陣元激勵信號脈沖延遲為：

式中：n為常數，n= 1，2，…，N；t0為延遲時間量。

通過對壓電陣元施加脈沖延遲，使超聲波發射信號在不同方向上發生偏轉[3-4]。

1.2 超聲相控陣延時計算

假設被激勵的陣元有N，線性列陣中心S與焦點P之間的間距為F，第i個陣元激勵時間為ti，超聲波合成波束與法線之間的夾角為θ，關系式如下：

對式（3）簡化可得：

采用Taylor 展開式對式（4）進行處理可得：

根據式（1）和式（4）可得相鄰壓電陣元波束聚焦延遲算式為：

由式（1）和式（5）可得陣元聲束聚焦時，i陣元與初始陣元激勵信號延遲算式為：

1.3 超聲相控陣缺陷檢測原理

超聲相控陣缺陷檢測原理如圖2 所示。

圖2 超聲相控陣缺陷檢測原理圖

壓電元件均勻分布在x軸上，并排列成線性矩陣，點目標點，點A與原點之間的距離為s，A 點波束指向角為θ。將陣列中心作為原理構建平面坐標系，i壓電元件坐標位置為（xi，0），（i= 0 ～M- 1）坐標點關系式[6]：

當陣元發射信號后，點A（s，θ）接收到的激勵信號為傳播信號的累計值，則點A（s，θ）接收信號表示為：

式中：Se（t）為激勵信號；K1為信號傳播衰減系數；δi（θ）為i壓電元件相對于O點移動至A點的時間差，δi（θ）=xicosθ/c，i= 0 ～M- 1；s/c為激勵信號由O點移動至A點的時間；c為信號波傳播速度。

由于壓電陣元激勵信號移動至A時存在時間差異，為降低該時間差異，需要對激勵信號移動時間進行補償，使所有激勵信號同一時間移動至A點[7-8]。對壓電陣元激勵信號補償△ti（θ）時間延遲后，A點所接收信號為：

當時間延遲△ti（θ）與時間差δi（θ）相等時，即△ti（θ）=δi（θ）=xicos/c，則點A（s，θ）此時信號能量值最大，點A信號表示為：

當波束指向角為θ時，激勵信號時間延遲為：

當指向角θ= 0°時，波束向陣列前方移動；當△ti（90°）=xicos90°/c時，波束與x軸90°方向移動，則i陣元接收A點返回信號為：

式中：SA為A點反射信號。

對反射信號施加時間延遲△ti（θ）后，i壓電陣元從A點所接收到的反射信號為：

如果△ti（θ）= 0～M-1，則各陣元從θ方向接收到的信號累加為：

在檢測起重機金屬結構損傷情況時，如果合成波束聚焦位置處于金屬結構損傷位置，則回波信號幅值和能量達到最大值；如果合成波束聚焦位置偏離金屬結構損傷位置，則回波信號和幅值較低，根據接收的回波信號和幅值可以判斷金屬結構的損傷方向和位置[9-10]。

2 仿真模擬

2.1 仿真建模

建立起重機主梁結構損傷模型，如圖3 所示，模型彈性模量為73.5 GPa，泊松比為0.31，損傷位置坐標為（201 mm，1 mm），主梁結構損傷為貫穿孔。建立模型時需要進行網絡劃分，確保同一波長范圍內有足夠網格單元，并且網絡單元尺寸為最小模態波長的1/10。

圖3 起重機金屬結構損傷模型

2.2 損傷檢測成像

采用超聲相控陣技術對起重機金屬結構損傷檢測時，需要計算各陣元時間延遲，分別在-30°和30°兩個方向上記錄不同角度所接收到的信號，獲得60°扇形區域損傷掃描結果，損傷掃描時每隔2°采集一次信號，聚焦次數為30 次，最終形成損傷圖像如圖4所示。

圖4 損傷檢測結果

從圖4 中可以看出，超聲相控陣損傷檢測坐標為（200 mm，0 mm），與金屬結構實際穿孔損傷位置（200 mm，1 mm）存在一定誤差，但是整體檢測結果與實際損傷區域基本吻合，由此可見，超聲相控陣技術能夠較為準確的檢測出金屬結構損傷區域。

3 結語

為了達到損傷精準定位、快速無損傷檢測目的，以起重機金屬結構為研究對象，提出了以超聲相控陣技術為基礎的起重機金屬結構損傷檢測成像方法，實現了金屬結構損傷的準確定位和快速檢測。從仿真模型結果來看，起重機金屬結構損傷成像結果準確，與實際損傷所處位置基本一致，可以為起重機設備檢測、維修等作業提供一定參考。