超声A扫描信号建模及其缺陷识别方法研究

李 力，余新亮，张全林

（水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室（三峡大学），湖北 宜昌 443002）

超声A扫描信号建模及其缺陷识别方法研究

李 力，余新亮，张全林

（水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室（三峡大学），湖北 宜昌 443002）

针对超声检测中A扫描信号依靠经验评定结构缺陷、识别缺陷类型困难等问题，提出一种A扫描信号建模方法，计算出缺陷A扫描信号。该方法基于超声检测系统建立A扫描信号数学模型，应用多元高斯声束法计算模型中缺陷表面超声波传播质点速度，运用基尔霍夫近似理论描述模型中缺陷散射振幅，从而获得缺陷超声A扫描信号。应用CSII-1/20标准试块平底孔（缺陷）超声A扫描表明：该方法计算获得试块平底孔5#（缺陷）A扫描信号与试验测量结果在缺陷位置和幅度基本吻合，是识别结构孔洞类缺陷的一种有效方法。

超声检测；A扫描信号建模；缺陷；识别

0 引言

超声检测已广泛应用于机械制造、航空航天、石油化工、混凝土建筑等行业质量检测[1-4]。A型脉冲反射式超声检测仪是超声检测普遍使用设备，A型脉冲反射回波信号（简称A扫描信号），是超声检测仪常见输出信号显示形式。A扫描信号，横轴显示缺陷位置，纵轴显示缺陷信号幅度，是目前常规超声检测评定设备缺陷关键性数据，能否反映缺陷真实大小直接关系缺陷能否检出和缺陷评定结果。实际现场设备超声检测都是直接观察A扫描信号波形依靠经验识别出缺陷超声信号后，进行缺陷位置和缺陷当量大小评定工作[5]。这种经验检测很大程度受到检测人员操作技术水平、检测设备和检测方法等因素影响，当检测工件材质和结构复杂时，有经验的检测人员也会遇到缺陷类型正确识别困难[6]。因此，目前超

声检测A扫描依靠经验评定可能会存在缺陷类型识别困难问题，本文针对这一问题展开研究，给出了一种结构缺陷超声检测A扫描信号建模与计算方法，计算缺陷的A扫描信号。该方法应用CSII-1/20标准试块平底孔（缺陷）计算，该方法计算获得试块平底孔5#（缺陷）A扫描信号与试验测量相符，是识别结构孔洞类缺陷的一种有效方法。

1 A扫描信号建模与计算方法

图1为超声检测A扫描技术，工作原理是：发射探头向检测结构发射脉冲超声波，超声波与检测结构中缺陷相互作用，引起的回波经接收探头获得缺陷超声检测A扫描信号。缺陷超声检测A扫描信号形成过程包括超声波发射、超声波与缺陷相互作用和超声波接收3个过程。

图1 超声检测A扫描技术原理示意图

1.1 信号建模

依据A扫描信号形成原理，从频域角度建立一个描述信号的等效数学模型[7-8]，见图2所示模型传递函数为

式中：VR（ω）——输出回波信号电压频域函数；

SG（ω）——发射过程传递函数；

SA（ω）——超声波与缺陷相互作用过程传递函数；

SR（ω）——接收过程传递函数；

Vi（ω）——输入电压频域函数。

令S（ω）=SG（ω）SR（ω）Vi（ω），有

式中：S（ω）——超声检测系统固有特性函数。

对于一个确定超声检测系统，发射和接收过程脉冲发生器、发射电缆线、发射探头、接收探头、接收电缆线和脉冲接收器自身物理特性是给定的，因此超声检测系统固有特性函数S（ω）是已知的[7-8]。建立A扫描信号数学模型，理论描述了实际A扫描信号产生3个具体过程，模型输出回波信号是计算超声检测A扫描信号基础。

1.2 信号计算

图2 超声A扫描信号数学模型

建立模型是为了求解超声波与缺陷相互作用的过程，计算出超声回波信号。应用互易原则[7-8]，Thompson-Gray给出了该作用过程传递函数为

A（ω）——缺陷散射振幅；

ρ——检测对象介质密度；

c——检测对象介质中传播类型超声波声速；

k——检测对象介质中传播类型超声波波数，

k=2π/λ；

λ——传播类型超声波波长；

Ze——发射探头声阻抗。

代入式（2），模型输出回波信号为

式（4）傅里叶逆变换，模型输出回波信号为

式（5）模型输出回波信号VR（t）即为超声检测A扫描信号，超声检测A扫描信号计算方法重点在于发射接收探头辐射检测对象缺陷表面质点速度和缺陷散射振幅A（ω）参数求解。

1.2.1 缺陷表面质点速度

超声波从一种介质进入另外一种介质是常见传播形式，多元高斯声束法可计算各向同性介质中超声波传播规律[9-10]。利用该方法计算圆形晶片直探头发射超声波从介质1穿过界面进入介质2传播，在介质2中传播质点速度为

式中：γ——介质2传播超声波类型，取纵波或横波；

s1，s2——介质1，2超声波传播距离；

An——多元高斯叠加常系数；

Y——坐标矩阵[x，y]。

式中：ω——角频率；

a——圆形直探头晶片半径；

Bn——多元高斯叠加常系数。

1.2.2 缺陷散射振幅

基尔霍夫近似理论可以描述超声波与缺陷相互作用的散射场，该理论忽略沿缺陷表面传播的波，将散射场近似为缺陷上每个点切平面反射场相加。平底孔是最具代表性的标准反射体，是缺陷当量评定重要参考[11-12]。使用基尔霍夫近似理论，平底孔反射体散射场振幅为

式中：bf——平底孔反射体半径。

1.3 缺陷识别

两个参数求解后，那么超声A扫描信号计算：首先，根据实际检测对象，确定合理超声检测系统，获取模型中检测系统固有特性函数S（ω）；其次，利用式（6）、式（7）和式（8）计算超声波探头辐射检测对象缺陷表面质点速度V0（ω）和缺陷散射振幅A（ω）；最后，将上述求解结果代入式（5）可以得到理论计算超声检测A扫描信号VR。因此，利用超声A扫描信号建模，可以计算大量理论孔洞类缺陷A扫描超声信号数据，建立孔洞类缺陷A扫描超声特性库，对于实际某结构孔洞内缺陷超声检测的A扫描信号，直接对比库内信号，就可以直接观察识别出结构孔洞类缺陷。

2 实例分析

选用CSII-1/20标准试块（近似各向同性介质）作为检测对象，发射和接收都选用圆形纵波直探头，中心工作频率2.5MHz，晶片直径20mm。选平底孔5#作为缺陷，孔直径为φ2mm，探头表面到平底孔平面距离L为25mm，超声检测试验图如图3所示。选定超声检测系统参数后，求解已知超声检测系统固有特性函数S（ω），利用式（6）、式（7）和式（8）计算超声波探头辐射检测对象缺陷表面质点速度V0（ω）和缺陷散射振幅A（ω），代入式（5）计算平底孔缺陷超声检测A扫描信号。图4是正向检波归一化后平底孔缺陷体超声检测A扫描信号计算方法与试验测量结果对比，表明模型计算与试验结果基本吻合。因此，应用超声A扫描信号建模及缺陷识别方法可以直接观察识别出结构孔洞类缺陷。

图3 CSII-1/20标准试块超声检测试验（单位：mm）

图4 平底孔5#缺陷体超声检测计算A扫描信号与试验测量比较

3 结束语

针对超声检测A扫描中缺陷类型直接识别困难问题，提出了一种缺陷A扫描信号建模与计算方法，建立A扫描信号数学模型，计算获得缺陷A扫描信号。通过实例分析应用，主要结论如下：

（1）建立A扫描信号数学模型，应用多元高斯声束法计算超声波探头辐射被检对象缺陷表面质点速度，运用基尔霍夫近似理论描述缺陷散射振幅，计算获得缺陷超声A扫描信号。A扫描信号建模与计算方法能够提供不同平底孔缺陷A扫描超声特性研究数据，直接参考比对实际信号，是一种直接正确识别孔洞类缺陷的有效方法。

（2）CSII-1/20试块平底孔5#（缺陷）超声A扫描实例应用表明：缺陷超声检测A扫描信号建模与计算方法与试验测量结果基本吻合，验证了方法正确性。A扫描信号波形局部差异反映了数学模型需要进一步修改完善，如充分考虑超声波探头和被检工件实际耦合效果等。

（3）缺陷A扫描信号建模与计算方法计算结构缺陷理论超声检测的A扫描信号特性，可用作标准试块和超声检测仪性能是否良好校准参考。同时，在不进行大量试验情况下，利用缺陷超A扫描信号建模与计算方法提供不同大小孔洞类缺陷信号的超声特性，直接用于参考比对实际信号，有利于提高超声检测孔洞类缺陷检出率和定量评定结果可靠性。

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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

国家自然科学基金项目（51175401）2012三峡大学硕士学位论文培优基金（2012PY021）

李 力（1964-），女，湖南汨罗市人，教授，博士，研究方向为机械监测、控制与诊断，机械信号分析与处理，无损检测技术等。