聚乙烯管道焊接接头超声波检测中的动态滤波器设计

谢长生，罗晓明，印军华，王胜辉，彭 博

（1.上海海长骄机电工程有限公司，上海 201801；2.上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333）

PE管的原材料是聚乙烯（PE），是一种高分子有机合成材料。目前，PE 管是国际上最为成熟的塑料压力管之一，许多国家把它应用于输水输气输油管道工程中，且发展迅速，而PE 管焊接质量的好坏直接影响到管道系统的安全和寿命。为了安全，必须对PE 管环焊缝进行内部缺陷的全面探伤，需要在现场进行有效的非破坏性探伤。PE 管焊缝采用超声波探伤是一个方便有效的方法［1］。

在超声检测过程中，系统的超声成像分辨率和探测深度等能力很关键，直接关系到各类缺陷的检出能力。超声检测系统中的接收动态滤波器模块对超声成像的图像分辨率和探测深度等参数有着较大的影响。普通工业探伤超声波检测仪器中不采用动态滤波器，或者有的采用了动态滤波器，但没有考虑到PE探伤情况下的超声接收回波特性匹配，造成接收回波能量弱，或不能充分利用高频回波的成像分辨率高的特性，造成探测深度和成像分辨率参数指标难以提高。为了提高超声波PE 探伤的缺陷检出能力，笔者对检测系统中的动态滤波器进行了设计。

1 超声探测深度和PE 管超声检测中的声衰减

超声波在介质中传播，随着距离的增加，超声波能量逐渐减弱的现象称为超声波衰减。引起超声波衰减的主要原因有声波的扩散衰减、介质吸收衰减和晶粒散射衰减。

声波的扩散衰减是超声波在传播过程中，由于声速的扩散，使超声波的能量随距离的增加而逐渐减弱的现象。超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，和介质的性质无关。平面波波阵面是平面，波束不扩散。

介质吸收衰减是超声波在介质中传播时，由于介质内摩擦（粘滞性）和热传导引起超声波衰减，吸收衰减可以用吸收衰减因子αa来描述：

式中：c1为材料的吸收系数；f为超声波频率，频率越高吸收衰减越严重。

晶粒散射衰减是超声波在传播过程中，由于遇到声阻抗不同的界面产生散乱反射引起衰减的现象。散射衰减与材料的晶粒尺寸、超声波的频率密切相关，当材料的晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引起草状回波，使A 扫描信号信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波，影响探伤效果［2］。

在PE 管热熔焊缝中，散射衰减可用散射衰减系数αs来描述，其主要与超声波的波长λ和晶粒尺寸大小d有关，具体为：

式中：C2，C3，C4为材料散射系数；F为材料的各向异性因子。

从式中看出，当晶粒尺寸d一定时，f越大，散射衰减越大，杂波越高。

PE、有机玻璃、聚枫、20 钢的声波衰减系数依次分别为0.684，0.506，0.434，0.063dB／mm，从中可以看出聚乙烯材料的衰减系数较大，因此在探伤PE管时可以选择较低的频率探伤。

因此，如果要提高超声的探测深度，相应的采用低频进行超声成像。其中低频包括发射频率和接收匹配滤波器的频率。对于固定的发射频率，可以调节接收匹配滤波器的中心频率来改变超声的探测深度能力［3］。

2 空间分辨率和其确定因素

2.1 横向分辨率

超声波传播时是随距离发散的，波束形成是采用电子聚焦的方法，即通过变换各个换能器通道的相位（或改变时间）来实现聚焦。焦点处的波束宽度，即侧向分辨率可表示为：

式中：D为换能器的发射孔径（上式的结果为理想结果，没有考虑换能器的波束指向性）；λ为发射脉冲的波长；R为焦点深度。

因此，提高发射脉冲的频率和发射孔径，可以提高波束的横向分辨率。

2.2 纵向分辨率

纵向分辨率是指沿着超声波束轴线方向上可区分的两个点的最小距离。当脉冲持续时间很短时，其纵向分辨率δ主要由脉冲持续时间τ和声速c来决定，而脉冲持续时间τ是由脉冲个数n和脉冲频率f决定的，

所以，纵向分辨率是和发射脉冲的频率即波长有关。发射频率越高，纵向分辨率也越高［2］。

3 动态滤波器原理

超声在PE材料中的衰减主要有吸收衰减和散射衰减，衰减幅度不仅与超声的传输距离有关，还与超声信号的频率有关。

可以用动态滤波器对不同频率衰减进行补偿。在声场的近场，回波频率成分主要集中在频带的高端，随着探测深度的增加，回波频率成分逐渐向频带的低端偏移。这是因为随着深度的增加，高频成分的衰减要比低频成分的衰减大。为了获得探测深度内最佳分辨率的声图像，动态滤波器对接收回波信号在材料表面通带集中在中高频，材料深部通带集中在低频。

动态滤波器实质上是一组随时间变化、取不同中心频率的带通滤波器，它一方面对频率进行补偿，另一方面还起到匹配滤波器的作用。

动态滤波器的设计可以通过改变带通滤波器的截止频率，得到一组带通滤波器系数。例如对于3.5 MHz的中心频率，利用下面的公式可以得到一组滤波器的截止频率。

式中：fL为下截止频率；fH为上截止频率；α为一个系数，可以调节滤波器之间的间隔；i为不同的深度，其取值范围为1～64，随着检测深度的增加i增加，取值为1时代表待测材料表面，取值为64时代表待测材料最深处。对每组截止频率，可以采用固定阶数的FIR 滤波器来实现［4］。

4 动态滤波器设计

匹配滤波用32 阶FIR 滤波器实现，滤波器参数采用海明窗口法设计，计算公式如下：

式中：ωc为带宽；ω0为中心频率；n为－15.5～＋15.5。

32个匹配滤波系数具有偶对称性：

令a0＝h（0.5），a1＝h（1.5），a2＝h（2.5），a3＝h（3.5）……a15＝h（15.5），

对应一种归一化发射频率ωT的动态滤波器包含64种匹配滤波器，这64种匹配滤波器的中心频率ω0和带宽ωc按规律变化：

对于低频探头：

对于高频探头：

归一化发射频率ωT是指实际发射角频率与32 MHz系统时钟频率的比值。对于3.5 MHz发射频率，第17 组匹配滤波系数的频率特性如图1所示。

图1 动态滤波器的频率特性

当发射频率是3.5MHz时。从近场的3.5 MHz向远场的2.6MHz过渡，如图2所示。

图2 针对发射频率3.5MHz的动态滤波器波形

当发射频率是4MHz的时候，动态滤波器的各个深度的FIR滤波器的中心频率是从近场的4MHz向远场的3MHz逐渐过渡，如图3所示。

图3 针对发射频率4 MHz的动态滤波器波形

当发射频率是5 MHz时，从近场的5.3 MHz向远场的4 MHz过渡，如图4所示。

图4 针对发射频率5 MHz的动态滤波器波形

当发射频率是7.5 MHz时，从近场的8 MHz向远场的5.5 MHz过渡，如图5所示。

图5 针对发射频率7.5 MHz的动态滤波器波形

5 实际应用

为了分析动态滤波器的设计效果，首先做了一个PE测试试块，如图6所示。

图6 用于测试的PE试块

在PE测试试块上钻孔，孔直径1.2mm，共分4行，每行6个孔洞。孔洞深度距离表面分别为：0.5，1.5，2.5，3.5cm［5］。

横向6个孔，可用来验证超声波扫描成像的分辨率。4行孔可用来测试超声波的检测深度。通过不同深度上的检测图像，就可以看出使用动态滤波器和不使用动态滤波器对图像质量（分辨率和缺陷亮度）的影响，以及不同动态滤波器参数设置之间的差异。

用超声相控阵系统对PE 试块进行超声B 扫描成像。由于孔洞深度不是很深，故选择发射频率7.5MHz。为了验证匹配滤波器的效果，列出4种测试情况，分别是：①使用中心频率7.5MHz的固定滤波器。②中心频率5.5MHz的固定滤波器。③中心频率从7.5 MHz逐渐过渡到6 MHz的动态滤波器。④中心频率从7.5MHz到5.5MHz的动态滤波器。

检测结果分别对应于图7中的从左到右的4列图像。

图7 使用动态滤波器与固定滤波器检测图像效果比较

（1）使用中心频率7.5 MHz的固定滤波器，虽然近场的空间分辨率好，但2.5cm 处的孔洞很难看清楚，如图7（a）所示。

（2）使用中心频率5.5 MHz的固定滤波器，虽然能看清楚2.5cm 处的孔洞，但近场的空间分辨率变差了，如图7（b）所示。

（3）中心频率从7.5MHz逐渐过渡到5.5MHz的动态滤波器，近场的空间分辨率好，并且也可以看到2.5cm 处的孔洞，如图7（c）所示。

（4）中心频率从7.5 MHz逐渐过渡到6 MHz的动态滤波器，探测深度虽不及中心频率从7.5 MHz到5.5MHz的动态滤波器，但远场的空间分辨率相对要好一些，也是可供选择的动态滤波器设置，如图7（d）所示。

实际工程中，使用的是中心频率从7.5MHz到5.5 MHz的动态滤波器，因为，PE 材料的声衰减较大，希望获得好的探伤深度能力。

6 结论

在PE管道焊接缺陷超声相控阵检测项目的实施过程中，通过在超声相控阵检测系统中设计一个针对PE 材料声特性的接收动态滤波器模块，提高了超声扫查成像性能（提高了图像空间分辨率、超声波探测深度等指标），从而提高了缺陷的检测能力。结果应用到相应的超声相控阵产品和工程实践中，取得了满意的效果。

［1］梅胜.PE管应用技术发展的现状及前景分析［J］.广州大学学报：自然科学版，2004，3（3）：226－280.

［2］冯若.超声手册［M］.南京：南京大学出版社，1999.

［3］周盛，李仙琴，王晓春，等.全数字B超动态滤波器的设计与实现［J］.中国生物医学工程学报，2010，29（3），418－421.

［4］伍士添.医学超声设备原理设计应用［M］.北京：科学技术文献出版社，2012.

［5］丁守宝，郭伟灿，郑津洋，等.聚乙烯管道电熔接头超声检测［J］.无损检测，2008，30（5）：267－270.