復雜結構焊縫缺陷雙線陣全聚焦超聲成像方法

周正干，滕利臣，李洋

（1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100083；2.中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100190）

航空高溫合金盤是航空發動機的關鍵部件，其由主體渦輪盤和整體葉片環通過擴散方式連接而成［1-4］。受材料、焊接工藝等因素影響，焊接時可能產生未焊合現象，從而降低航空發動機的力學性能和使用壽命。因此，需要采用無損檢測方法評價焊接面上存在的面積型缺陷。超聲檢測技術被廣泛應用于面積型缺陷的檢測評價，如火車導軌的單通道K型掃描。然而，由于被測高溫合金盤上換能器可布置空間狹小、面積型缺陷平行于盤體母線方向等原因，目前主要采用單通道脈沖反射法沿徑向發射接收超聲回波信號。由于聲波在盤體中傳播時的擴散效應，缺陷回波信噪比低、檢測分辨率較差，目前僅能檢出面積較大的未焊合缺陷，無法滿足航空發動機對高溫合金盤質量可靠性的需求［5-7］。

陣列超聲檢測技術因其靈活的聲束偏轉聚焦及出色的檢測能力［8-11］，對于面積型缺陷有獨特的優勢，非常適合檢測對于聲束指向性要求較高的面積型缺陷。涂春磊等［12］通過仿真和實驗得出，焊縫中的面積型缺陷相控陣超聲的檢出能力優于常規超聲；李瑩瑩等［13］研究了面積型缺陷取向對相控陣超聲檢測結果的影響。然而，高溫合金盤結構復雜，采用單個陣列超聲換能器檢測時，反射回波接收困難，而采用2個陣列超聲換能器K型掃描的檢測方式可以有效克服反射回波難以接收的問題。由于高溫合金盤缺陷可能位于不同深度，在檢測不同深度缺陷時使聲束偏轉所采用的陣列孔徑和波形模式都不相同，常規基于相位控制的聲束（偏轉聚焦）發射接收檢測方法難以實現上述檢測過程，而通過對陣列超聲換能器以特殊的激發方式實現試件內部聲學信息的采集以獲取全矩陣數據，利用全矩陣數據后處理技術可以實現任何常規直接發射偏轉聚焦聲束的檢測模式。

為此，結合高溫合金盤本身結構及其缺陷類型等特點，本文提出了一種線陣全聚焦超聲成像方法。建立了雙線性陣列換能器全矩陣數據采集方案，采用全聚焦方法（TFM）實現了缺陷成像，探究了缺陷位置和聲波發射-接收模式對成像結果的影響，構建了雙線性陣列全矩陣數據采集軟硬件系統并開展了檢測實驗，檢測精度和分辨率均有明顯提高。

1 雙線性陣列檢測方案的總體設計

基于雙線性陣列全矩陣數據采集檢測方案的設計需要，綜合考慮換能器的檢測參數、布置方式及基于全矩陣數據采集檢測方法的成像原理。

全矩陣數據是由陣列換能器內所有陣元按照一定的激勵脈沖周期依次激發獲得的發射-接收陣元數組，該數據是發射陣元序列、接收陣元序列和時間采樣點數構成的三維數組，包含了發射-接收陣元序列在被測試樣內部的超聲回波信號［14-15］。采集全矩陣數據需確定合適的換能器參數，在全矩陣數據采集完成之后，利用全聚焦方法進行處理以實現高分辨率成像。

1.1 陣列換能器設計

設計參數合適的陣列換能器是全矩陣數據采集的前提，根據試樣聲速、最小檢測缺陷尺寸及換能器位置參數等條件，設計2個陣列換能器的中心頻率、陣元數量、陣元間距等主要參數，并利用聲場指向性和軸向聲壓分布情況對設計參數進行評價。所設計的雙線性陣列換能器中心頻率為5 MHz，陣元數量為32，陣元間距為0.4 mm，陣線性元寬度為0.3 mm。雙線性陣列換能器采集全矩陣數據時的排布方式如圖1所示。

圖1 雙線性陣列換能器耦合示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual-linear-array transducer coupling

1.2 基于全矩陣數據采集檢測方法的原理

基于雙線性陣列換能器的全聚焦方法旨在對全矩陣數據的加工處理，先將試樣劃分成若干小區域，該區域稱為聚焦點區，區域劃分的越小，聚焦點數越多，成像精度越高，運算量也更大。通過在試樣內部設置虛擬聚焦點數，并在每一個聚焦點實現所有發射陣元的幅值疊加，實現對試樣內部任意點數的聚焦，進而獲得高分辨率成像。

分別將陣列換能器A、B直接耦合到高溫合金盤的上下表面，并建立直角坐標系，如圖2所示。針對試樣內部任意一點P（x，z），利用延時法則將換能器中所有發射-接收陣元序列的超聲回波信號在該點疊加，獲得該點信號的幅值I（x，z）。最終得到試樣內部每一個聚焦點的幅值，完成試樣內部的成像。其中：xti和xri分別為發射和接收陣元的橫坐標；h為發射、接收陣元之間的垂直距離；c1和c2分別為不同聚焦位置下對應的縱波和橫波聲速。

圖2 全聚焦方法原理Fig.2 Principle of total focusing method

由于采用雙線性陣列換能器采集全矩陣數據，若發射聲波和接收聲波采用不同的陣列換能器，在采用全聚焦方法對全矩陣數據處理成像時，等價于采用陣列換能器透射法實現缺陷的成像，同時改變每一個換能器的陣列孔徑，可以具有較高的成像靈活性。而此時，特定聚焦點P（x，z）的幅值I（x，z）可表示為

式中：AT和AR分別為發射和接收陣列換能器的孔徑。

2 理論仿真分析

2.1 仿真模型的建立

由于基于雙線性陣列全矩陣數據的成像方法可以看成采用陣列換能器透射法進行缺陷成像，從這個角度來看，不同換能器發射、接收波形可以組合為AL（S）-BL（S）模式，其中A、B分別為發射、接收換能器，L、S分別為縱波、橫波。

根據全聚焦方法可知，成像的關鍵是確定到達聚焦點的延遲時間，而延遲時間除了與陣元位置有關之外，還取決于缺陷的位置、發射-接收聲波的模式（橫波或縱波）。由于陣元位置為已知量，針對不同位置缺陷，選擇合適的聲波發射-接收模式尤為重要，為此開展了仿真研究工作。

基于有限差分理論建立了高溫合金盤二維截面仿真模型，如圖3所示。該仿真模型忽略了盤體外側的葉片，將其簡化為二維梯形截面，由于被測高溫合金盤的高度約為36.6 mm，設置仿真模型的高度為36.6 mm。在仿真模型的高度區間內繪制了矩形缺陷以模擬未焊合面積型缺陷，定義矩形的中心點為缺陷的位置點，矩形缺陷沿x軸方向的厚度為0.3 mm，沿z軸方向長度取值范圍為0.5～2.5 mm。將缺陷位置點分別設置在距離上端面E18.3 mm、18.3 mm及28.3 mm處，如圖4所示。陣列換能器的中心頻率為5 MHz，陣元間距為0.4 mm，陣元寬度為0.3 mm，陣元數量均為32，陣列換能器A和B直接緊靠于邊E1和E2。陣列換能器中心與坐標軸原點沿水平方向的距離均為10 mm。時域有限差分所采用的時間步長Δt和空間步長Δh分別設置為5 ns和0.05 mm。縱波和橫波在高溫合金盤中的傳播速度分別設置為5 980 m/s和3 138 m/s。

圖3 高溫合金盤全矩陣數據的仿真模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation model of full matrix data for superalloy disk

圖4 仿真模型不同缺陷位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of different defect locations in simulation model

2.2 仿真結果分析

為量化仿真分析的結果，定義了DSNR作為評價缺陷信噪比的指標，采用dB作為單位，其定義如下：

腎上腺髓質增生是腎上腺髓質彌漫性或結節狀增生的改變,沒有包膜;在腎上腺的尾部及兩翼均存在髓質(正常的情況下是不存在的);腎上腺髓/皮質之比發生根本變化,腎上腺髓質的絕對重量增加2倍以上,且多為雙側性病變[2]。MEN-Ⅱ中多數合并單側或雙側腎上腺嗜鉻細胞瘤(約50%),嗜鉻細胞瘤發生在腎上腺外者很罕見;也有表現為腎上腺髓質增生;也有一側腎上腺為嗜鉻細胞瘤,另一側為髓質增生。

式中：PMax為檢測圖像中缺陷的像素峰值；PAvr為包含缺陷的矩形區域內像素平均值。

此處，設置矩形區域為6 mm×6 mm，該區域位置如圖5所示。若DSNR值越大，則表示缺陷成像效果越好，反之則越差。

圖5 仿真模型包含缺陷區域的矩形窗Fig.5 Rectangular window where simulation model contains defect areas

尺寸為1 mm×0.3 mm的矩形缺陷在不同聲波發射-接收模式下的仿真成像結果如圖6所示。由式（4）分別計算缺陷在不同位置不同聲波模式下的DSNR值，所得結果如表1所示。可以看出，不同位置矩形缺陷的成像結果差異明顯。位于z＝8.3 mm 處的缺陷，DSNR 的最大值為52.47 dB；位于z＝28.3 mm處的缺陷，DSNR的最大值為48.77 dB；位于z＝18.3 mm處的缺陷，DSNR最大值為39.60 dB。在AL-BL模式中，中間位置缺陷也較為明顯，與AS-BS模式相比，DSNR小了2.70 dB。

表1 不同位置矩形缺陷在4種模式下的DSNR值統計Table 1 DSNR values for rectangular defects of differ ent positions in four modes

圖6 矩形缺陷不同位置的檢測成像結果Fig.6 Detection and imaging results of rectangular defects in different positions

分析上述結果可知，當缺陷位于焊接面的上半區域時，在AS-BL模式下的DSNR值最大，由斯涅爾定律可知，此時入射聲線和反射聲線的波型應分別為橫波和縱波，如圖7（a）所示。當缺陷位于焊接面正中央時，如圖7（b）所示，在AL-BL模式和AS-BS模式下的DSNR值相較于另外2種均較大，由斯涅爾定律可知，此時入射和反射聲線的波型相同，然而由于縱波的全反射角小于橫波，聲線入射角度越大，縱波反射能量越少，在AL-BL模式下的DSNR值和在AS-BS模式下的DSNR值相比略小。同理，當缺陷位于焊接面的下半區域時，如圖7（c）所示，AL-BS模式的DSNR值最大，此時，入射聲線和反射聲線的波型應分別為縱波和橫波。由此可見，對于不同位置缺陷的檢測成像，先選擇合適的聲波模式非常關鍵。

圖7 聲波在不同位置對缺陷入射、反射聲線Fig.7 Sound wave’s incident and reflected sound ray on the defect in different positions

為了進一步劃分每個區域（上部區域、中部區域及下部區域）的邊界，明確具體位置對應的最佳檢測模式，從距高溫合金盤上端面3.3 mm處開始，每隔3 mm做一次仿真實驗，獲取缺陷檢測圖像，分別計算每個位置3種模式下對應缺陷檢測圖像的DSNR值，繪制了如圖8所示的折線圖。可以看出，當缺陷位置點的z坐標小于12.3 mm時，AS-BL模式的DSNR值最大，成像效果最佳；當缺陷位置點的z坐標值介于區間［12.3，24.3］mm時，AS-BS模式的DSNR值最大，成像效果最佳；當缺陷位置點的z坐標大于24.3 mm時，采用組合AL-BS的值最大，成像效果最佳。利用幾何聲線與缺陷的位置關系可知，在最佳模式的臨界點1和2處，入射角與反射角的比值分別為1.48和0.67，二者恰好互為倒數，即在最佳模式條件下，聲波在試樣厚度方向傳播存在明顯的對稱性。

圖8 不同模式下DSNR值與缺陷z坐標的關系曲線Fig.8 DSNR value versus defect at z-coordinate in different modes

3 檢測實驗分析

為了驗證理論仿真的結論，開展了高溫合金盤面積型缺陷的檢測實驗，制備了與實際渦輪盤尺寸完全相同但忽略了所有外側葉片的回轉體模擬試樣，試樣材料采用和高溫合金盤聲速接近的碳鋼。在3個不同的截面（分別記為截面＃1、截面＃2、截面＃3）上分別預埋了不同尺寸的側孔缺陷，側孔缺陷的直徑分別為2 mm、1 mm、0.6 mm，位置分別距離高溫合金盤上端28.3 mm、18.3 mm和8.3 mm處，孔底位于焊縫界面以模擬高溫合金盤焊縫中的未焊合缺陷。此外，還設計了與理論仿真參數一致的雙線性陣列換能器，并將設計的探頭連接到相控陣超聲板卡，通過設計的夾具工裝采集全矩陣數據，如圖9所示。

圖9 高溫合金盤模擬試樣及缺陷分布Fig.9 Superalloy disk simulation specimen and defect distribution

模擬試樣上位于上述3個位置的缺陷檢測成像結果如圖10所示。從圖中可以很直觀地看出不同位置缺陷的最佳成像模式。與理論仿真類似，截面＃1、截面＃2、截面＃3的最佳成像組合分別為AL-BS、AS-BS、AS-BL，采用上述組合方式成功檢測出了預埋缺陷，其中最小缺陷為φ0.6 mm。

圖10 矩形缺陷不同截面的檢測成像結果Fig.10 Detection and imaging results of rectangular defects at different cross sections

4 結 論

1）針對航空高溫合金盤構件未焊合面積型缺陷，提出了一種雙線性陣列全聚焦成像方法。該方法擴展了現有基于單陣列換能器的全聚焦超聲成像方法，可適用于更多分支的陣列換能器，為復雜結構件的檢測與評價提供了一種新的解決思路。

2）高溫合金盤的未焊合面積型缺陷的檢測應綜合考慮缺陷的位置和聲波的發射-接收模式，以獲得最佳檢測效果。對于上半區域位置的缺陷，采用AS-BL模式檢測精度較好；對于中間區域的矩形缺陷，采用AS-BS模式檢測精度較好；對于下半區域的矩形缺陷，采用AL-BS模式檢測精度較好。

3）提出的雙線性陣列全聚焦超聲成像方法有效檢測出了缺陷，提高了缺陷檢測精度，是一種行之有效的方法。