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

（水電機械設備設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

（水電機械設備設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掃描信號依靠經驗評定結構缺陷、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建立A掃描信號數學模型，應用多元高斯聲束法計算模型中缺陷表面超聲波傳播質點速度，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果在缺陷位置和幅度基本吻合，是識別結構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

超聲檢測已廣泛應用于機械制造、航空航天、石油化工、混凝土建筑等行業質量檢測[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，是目前常規超聲檢測評定設備缺陷關鍵性數據，能否反映缺陷真實大小直接關系缺陷能否檢出和缺陷評定結果。實際現場設備超聲檢測都是直接觀察A掃描信號波形依靠經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]。這種經驗檢測很大程度受到檢測人員操作技術水平、檢測設備和檢測方法等因素影響，當檢測工件材質和結構復雜時，有經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，給出了一種結構缺陷超聲檢測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，是識別結構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，工作原理是：發射探頭向檢測結構發射脈沖超聲波，超聲波與檢測結構中缺陷相互作用，引起的回波經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掃描技術原理示意圖

1.1 信號建模

依據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學模型[7-8]，見圖2所示模型傳遞函數為

式中：VR（ω）——輸出回波信號電壓頻域函數；

SG（ω）——發射過程傳遞函數；

SA（ω）——超聲波與缺陷相互作用過程傳遞函數；

SR（ω）——接收過程傳遞函數；

Vi（ω）——輸入電壓頻域函數。

令S（ω）=SG（ω）SR（ω）Vi（ω），有

式中：S（ω）——超聲檢測系統固有特性函數。

對于一個確定超聲檢測系統，發射和接收過程脈沖發生器、發射電纜線、發射探頭、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，因此超聲檢測系統固有特性函數S（ω）是已知的[7-8]。建立A掃描信號數學模型，理論描述了實際A掃描信號產生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。

1.2 信號計算

圖2 超聲A掃描信號數學模型

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。應用互易原則[7-8]，Thompson-Gray給出了該作用過程傳遞函數為

A（ω）——缺陷散射振幅；

ρ——檢測對象介質密度；

c——檢測對象介質中傳播類型超聲波聲速；

k——檢測對象介質中傳播類型超聲波波數，

k=2π/λ；

λ——傳播類型超聲波波長；

Ze——發射探頭聲阻抗。

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射接收探頭輻射檢測對象缺陷表面質點速度和缺陷散射振幅A（ω）參數求解。

1.2.1 缺陷表面質點速度

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

式中：γ——介質2傳播超聲波類型，取縱波或橫波；

s1，s2——介質1，2超聲波傳播距離；

An——多元高斯疊加常系數；

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。

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傳播的波，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

兩個參數求解后，那么超聲A掃描信號計算：首先，根據實際檢測對象，確定合理超聲檢測系統，獲取模型中檢測系統固有特性函數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點速度V0（ω）和缺陷散射振幅A（ω）；最后，將上述求解結果代入式（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掃描超聲信號數據，建立孔洞類缺陷A掃描超聲特性庫，對于實際某結構孔洞內缺陷超聲檢測的A掃描信號，直接對比庫內信號，就可以直接觀察識別出結構孔洞類缺陷。

2 實例分析

選用CSII-1/20標準試塊（近似各向同性介質）作為檢測對象，發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。選定超聲檢測系統參數后，求解已知超聲檢測系統固有特性函數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果對比，表明模型計算與試驗結果基本吻合。因此，應用超聲A掃描信號建模及缺陷識別方法可以直接觀察識別出結構孔洞類缺陷。

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掃描信號數學模型，計算獲得缺陷A掃描信號。通過實例分析應用，主要結論如下：

（1）建立A掃描信號數學模型，應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據，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構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，研究方向為機械監測、控制與診斷，機械信號分析與處理，無損檢測技術等。