基于自回歸譜外推的小尺寸裂紋TOFD定量檢測

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(1.大連理工大學 無損檢測研究所, 大連 116085；2.中國核工業二三建設有限公司, 北京 101300；3.核工業工程研究設計有限公司，北京 101300)

基于自回歸譜外推的小尺寸裂紋TOFD定量檢測

孫旭1,金士杰1,張東輝2,劉麗麗2,張樹瀟2,楊會敏3,張曉峰3,廖靜瑜3,林莉1

(1.大連理工大學無損檢測研究所,大連116085；2.中國核工業二三建設有限公司,北京101300；3.核工業工程研究設計有限公司，北京101300)

利用超聲衍射時差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)對合金鋼焊縫中的小尺寸裂紋實施檢測時，受脈沖寬度等因素制約，裂紋上、下端點的衍射波會發生混疊，而導致裂紋高度定量困難。采用自回歸譜外推(Autoregressive Spectral Extrapolation，ARSE)技術對混疊信號進行處理，擴展有效頻帶范圍，達到壓縮時域信號脈寬和提高時間分辨率的目的。結果表明，結合ARSE技術可有效分離混疊信號，實現厚度100.0 mm合金鋼中深度50.0 mm處高度1.0 mm裂紋的TOFD定量檢測，且相對定量誤差不超過5.3%。

超聲衍射時差法；混疊信號；自回歸譜外推；裂紋高度

裂紋是焊縫中危害最為嚴重的一類缺陷，尤其是在焊接完成后接頭處仍存在一定殘余應力和變形時，裂紋易發生擴展甚至致使構件斷裂[1]，故對其進行準確地定量檢測是十分重要的。

超聲衍射時差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)是一種基于缺陷端點衍射信號對缺陷進行定位、定量的方法[2-4]。與傳統超聲檢測方法相比，TOFD技術具有方便、準確及可重復性好等優點，在焊縫檢測和缺陷定量檢測方面極具應用價值[5-7]。但是，受脈沖寬度、系統噪聲等因素影響，采用TOFD技術對小尺寸裂紋檢測時，裂紋上、下尖端的衍射波會發生混疊，而導致時間分辨率降低[8-9]。減小TOFD探頭中心間距有助于改善信號的混疊程度，但提升效果有限。針對這一問題，國內外學者已開展了一系列研究工作。郭建中等[10]改進了維納逆濾波解卷積方法，提高了噪聲適應能力的同時壓縮了時域信號。GANG等[11]將脈沖壓縮技術應用于TOFD檢測中，將時間分辨率提高到0.34 μs。自回歸譜外推技術(Autoregressive Spectral Extrapolation，ARSE)因具有壓縮時域信號的作用，最早被應用于地震信號解卷積中[12]，后FARHANG等[13]將其應用于超聲無損檢測領域，可實現兩個直徑為1.5 mm相鄰圓孔的混疊信號的分離。

目前，ARSE技術在TOFD檢測方面的研究較少，筆者將其應用于小尺寸裂紋高度的TOFD定量檢測中，分離裂紋上、下尖端混疊信號，提高超聲檢測信號的時間分辨率，實現小尺度裂紋高度的定量檢測。

1 TOFD檢測原理與自回歸譜外推原理

1.1TOFD檢測原理

圖1 TOFD檢測原理示意

如圖1所示，TOFD檢測時采用一對頻率、尺寸、角度都相同的縱波斜探頭對稱放置。發射探頭以一定角度發射一組超聲波進入被檢結構，在裂紋的上下尖端發生衍射，衍射波在較大范圍內傳播，并被接收探頭接收。通過測量裂紋上下端衍射波的傳播時間差，根據式(1)即可實現裂紋的高度定量[14]。

式中:h為裂紋高度；t為上端衍射波傳播時間；Δt為裂紋上下端點衍射波的傳播時間差；2s為探頭中心間距；c為材料縱波聲速。

當裂紋高度h較小時，端點衍射波發生混疊，即時間差Δt不可讀，無法進行高度定量。

1.2自回歸譜外推原理

超聲TOFD檢測接收到的信號y(t)是由缺陷響應信號x(t)和超聲系統脈沖響應信號h(t)的卷積，以及噪聲n(t)構成的，其形式[8]可表示為：

用接收到的信號y(t)表示x(t)，其時間分辨率同時受到h(t)和x(t)的影響。為提高信號的時間分辨率，需要通過解卷積的方式恢復缺陷響應信號x(t)。

維納濾波是一種估計隨機信號的方法，可從實測信號y(t)中分離出x(t)，有助于提高時間分辨率。對式(2)進行維納解卷積，得到x(t)的頻域表達式如下式。

式中:H*(ω)為H(ω)的共軛復數；Sn(ω)和Sx(ω)分別為n(t)和x(t)的功率譜密度。

為進一步提高缺陷響應信號x(t)的時間分辨率，有必要將X(ω)中的有效頻帶擴寬，常以參考信號-6 dB或-3 dB頻帶寬度為有效頻帶。采用自回歸譜外推方法，將去卷積過程模型化為一個自回歸過程，通過選取有效頻帶數據，建立自回歸模型，外推有效頻帶外的數據，將原來的窄帶信號變成寬帶信號，從而實現時域信號的壓縮。

經過自回歸譜外推后的頻帶數據可以表示為：

在此基礎上，讀取上下尖端衍射波到達時間Δt，代入式(1)即可得到小尺寸裂紋高度。

2 仿真模擬

根據合金鋼焊縫試塊的聲學和彈性特性，在CIVA仿真軟件中建立相應的檢測模型，其裂紋分布示意如圖2所示。其中，模型材料為合金鋼，厚度為100.0 mm，材料縱波聲速為5 890.0 m·s-1，密度為7.8 g·cm-3。在模型中設置了底端深度50.0 mm，高度h分別為1.0，1.5，2.0 mm的裂紋。TOFD探頭主頻率為5 MHz，探頭中心間距為100.0 mm，探頭角度為45°。

圖2 試塊中裂紋分布示意

圖3給出了未混疊的上、下尖端衍射信號，以及高度1.0 mm裂紋的TOFD檢測時域混疊信號。由圖3可以看出，高度1.0 mm裂紋上下尖端衍射波具有較大程度的混疊，難以直接讀出上下尖端的時間差。

圖3 混疊與未混疊的TOFD檢測時域信號

利用自回歸譜外推技術對混疊信號進行處理。選取一次底波作為解卷積過程中的參考信號，即式(4)中的H(ω)。其時域波形和頻譜如圖4所示。

圖4 參考信號的時域波形及其頻譜

圖5 原始混疊信號頻譜、外推后信號頻譜及經過ARSE處理后的時域信號

采用圖4(b)中參考信號的-6 dB頻率窗口，對應的頻帶數據點為[21,69]。結合式(7)獲得經過自回歸譜外推處理后的頻帶數據。圖5(a)、(b)分別給出了混疊信號外推前、后的頻譜，比較可知，外推后的有效頻帶寬度明顯拓寬，高頻成分得到恢復，攜帶了更多有用信息。對擴寬后的頻帶數據進行傅里葉逆變換，得到圖5 (c)所示時域信號，從圖中可以讀出上、下尖端衍射波的傳播時間差Δt=0.24 μs。將Δt代入公式(1)，計算出裂紋高度為0.95 mm。

同理，采用自回歸譜外推技術對模型中高度1.5 mm和2.0 mm裂紋的TOFD檢測信號進行處理，并將測量得到的上下尖端衍射波傳播時間的差值代入式(1)計算。表1給出常規TOFD定量結果以及ARSE處理后的定量結果。

表1 裂紋的設計高度、TOFD定量以及ARSE處理后的定量結果

由模擬結果可知：常規TOFD僅能對高度2.0 mm裂紋進行定量，且相對誤差達到19.0%；通過ARSE處理后，混疊的上下尖端衍射波可以被有效識別，可定量的小尺寸裂紋高度達到1.0 mm，且定量結果的絕對誤差最大值為0.08 mm，相對誤差不超過5.3%。

3 分析討論

自回歸譜外推技術能夠實現混疊信號的有效分離及裂紋高度的精確定量，其主要原因包括：首先，利用維納解卷積初步改善了檢測信號的時間分辨率；其次，頻域的外推過程拓寬了有效頻帶范圍，經過傅里葉逆變換后，時域信號寬度得到壓縮，進一步提高了時間分辨率，提高了TOFD檢測中對小尺寸裂紋的定量能力。此外，通過提高探頭頻率，采用脈沖寬度更窄的信號，能夠實現更小尺寸裂紋高度的精確定量。

4 結論

將自回歸譜外推技術應用到TOFD檢測信號處理中，實現了小尺寸裂紋上、下尖端混疊信號的分離，提高了時間分辨率。由處理結果可知，該方法可實現厚度100.0 mm合金鋼中深度50.0 mm處高度1.0 mm裂紋的TOFD定量檢測，且相對定量誤差不超過5.3%。

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QuantitativeInspectionofSmallSizeCracksbyTOFDBasedonAutoregressiveSpectralExtrapolation

SUNXu1,JINShijie1,ZHANGDonghui2,LIULili2,ZHANGShuxiao2,YANGHuimin3,ZHANGXiaofeng3,LIAOJingyu3,LINLi1

(1.NDT&ELaboratory,DalianUniversityofTechnology,Dalian116085,China;2.ChinaNuclearIndustry23ConstructionCo.,Ltd.,Beijing101300,China;3.NuclearIndustryResearchandEngineeringCo.,Ltd.,Beijing101300,China)

When time of flight diffraction (TOFD) is applied to detect small size crack in alloy steel weld, the diffraction waves at upper and lower points of crack will overlap and cause difficulty in quantifying the crack height due to restriction in the pulse width. In this paper, autoregressive spectrum extrapolation (ARSE) technique was applied to deal with the overlapped signals and extend effective band range to compress time domain pulse width and improve time resolution. The results showed that ARSE technique could effectively separate overlapped signals. Focusing on 100 mm thickness alloy steel of having a crack of 1.0 mm in height and 50 mm in depth, the quantitative error of crack height was no more than 5.3%.

time of flight diffraction (TOFD); overlapped signal; autoregressive spectral extrapolation; crack height

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0008-04

2017-06-25

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2015CB057306)

孫 旭(1993-),男，碩士研究生，研究方向為超聲檢測信號處理

林 莉，linli@dlut.edu.cn

10.11973/wsjc201710002