复合绝缘子内部缺陷超声全聚焦检测仿真及实验研究

赵洲峰,黄锦瀚,罗宏建,胡宏伟*

(1.国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江 杭州 310014;2.浙江省电力锅炉压力容器检验所有限公司,浙江 杭州 310014;3.长沙理工大学 汽车与机械工程学院,湖南 长沙 410114)

0 引言

相较于其他绝缘子,复合绝缘子具有质量小,绝缘强度高,抗污闪性能优异及运行维护方便等优点,被广泛应用于国内电网的各级输电线路中。复合绝缘子在生产制造和长期运行过程中会产生护套与芯棒脱粘的现象、石护套内部出现气孔和断面等缺陷,导致复合绝缘子性能降低,这给电网的运行带来了巨大的安全隐患[1]。

为了防范这些缺陷带来的不良影响,无损检测方法已被应用于检测复合绝缘子内部缺陷,如射线检测法、微波检测法、红外检测法、核磁共振法、超声波检测法等[2]。其中超声波检测法具有对人体无害、成像分辨率高、灵敏度高、成像速度快及缺陷定位精准等优点,是最常使用的、适用范围最广的无损检测方法[3-4]。邓红雷等[5]使用超声导波法对复合绝缘子表面的一条线进行检测,但不易判断出缺陷的大小和深度。高英等使用水浸超声法检测复合绝缘子内部缺陷,能够检测出伞裙中直径∅3 mm的缺陷。谢从珍等[6]利用相控阵超声波检测法对复合绝缘子内部4种不同缺陷进行检测,能够检测出直径∅0.5 mm的气孔缺陷。徐天勇等[7-8]针对小管径复合绝缘子内部缺陷进行了超声相控阵检测仿真,并提出了一种基于超声相控阵的柔性水囊耦合检测方法,为复合绝缘子在线检测提供了可能。现有的复合绝缘子超声检测法大多为脉冲回波法、超声导波法[5]和常规相控阵超声法,这些方法对于缺陷的定位和定量不够精准。全聚焦算法(TFM)被称作相控阵超声检测技术中的“黄金标准”算法,其具有良好的成像质量和较高的成像分辨率。沈成业等[9]对焊缝缺陷进行了全聚焦仿真检测,并取得了良好的效果,展示了全聚焦方法用于曲面和高衰减性材料缺陷检测的可能,这也表明全聚焦方法在复合绝缘子内部缺陷检测中具有良好的应用前景。

本文基于Matlab k-Wave开源工具箱,针对现有复合绝缘子缺陷超声检测仿真模型未考虑声衰减性以及成像质量较差的问题,对复合绝缘子内部缺陷进行声学建模和仿真模拟,实现了复合绝缘子内部缺陷的TFM成像,讨论了频率、相控阵阵元数目以及缺陷尺寸对检测效果的影响,并开展验证实验。

1 理论与方法

1.1 k空间伪谱法

声学中求解偏微分方程最常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和边界元法。使用上述方法求解波动方程时,每个波长需要约10个网格点来准确地表示场,并使用较小的时间步长来减少预期外的数值色散,这将使求解过程变得缓慢。k-Wave是用于Matlab的第三方工具箱[10],它使用k空间伪谱求解方法对超声波的传播进行时域模拟,能够高效且准确地对超声波场进行仿真模拟。

k空间伪谱法将傅里叶级数拟合到网格点的所有数据中,可以有效地计算傅里叶分量的幅值,每个波长只需要两个网格点,相较于其他方法所需的约10个网格点,极大地提高了求解效率。k空间伪谱法在计算空间梯度时使用了快速傅里叶变换,场根据k空间传播算子在时间上向前传播,以获得与有限差分法相似的精度和稳定性,这对于均匀介质是准确的,而对于非均匀介质,在使用更大的时间步长时也能获得相同的精度[11]。

1.2 全聚焦成像

全矩阵数据采集(FMC)是一种数据采集方法,其流程如图1所示。由图可见,以具有N个阵元的相控阵换能器为例,相控阵换能器的N个阵元依次被激发,当激发其中一个阵元后,所有阵元都接收超声回波信号并储存。发射阵元的序号记为i,接收阵元的序号记为j,接收的超声回波时域信号记为Sij,待N个阵元都激发完成后,便可得到一个N×N组的矩阵数据集,此数据集即为全矩阵数据[12-13]。

图1 全矩阵数据采集

TFM是基于全矩阵数据的后处理成像方法,图2为TFM检测示意图。由图可见,以阵列换能器中心为原点O建立二维直角坐标系xOz,其中x轴为沿试块长度方向,z轴为沿试块高度方向。将成像区域分成若干个大小相同的网格,成像区域内任意一点p(x,z),将收集到的全矩阵数据中所有接收-发射对的超声回波信号在此点叠加,即可得到该点的幅值I(x,z)为

(1)

图2 全聚焦检测示意图

由式(1)可见,由阵元i激励的声波传播到网格点p(x,z)之后反射回阵元j所经历的渡越时间tij(x,z)为

(2)

式中c1、c2为第一、二层介质的纵波声速。当试块交界面为曲面时,根据费马定理,超声声束在经过多层介质时总是沿着最短的路径传播,结合曲面界面函数方程式即可求得界面折射点(xt,zt)和(xr,zr)。通过计算获得所有网格点的超声渡越时间,将对应的回波幅值信息叠加得到I(x,z),即可实现成像区域内的图像表征[14-16]。

2 仿真建模与分析

2.1 建立仿真模型

本文使用基于Matlab的声学仿真工具箱k-Wave进行声波场的仿真和重建。通过设置选定空间内复合绝缘子的材料参数,基于k空间伪谱法模拟超声波在复合绝缘子中的传播过程,由于三维模型的计算量过大,采用二维模型作为研究对象。图3是建立的仿真模型。模型材料为复合绝缘子,由护套和芯棒两部分组成,护套的材料为高温硫化硅橡胶,芯棒的材料为玻璃纤维,材料的各仿真参数如表1所示。

图3 复合绝缘子仿真模型

模型采用水浸的检测方式,将xOz坐标系的原点设为相控阵阵列中心,设定阵元宽度为0.4 mm,阵元间距为0.5 mm,有限元网格尺寸为0.1 mm×0.3 mm,水声距为12 mm,在(0,15) mm处设有直径为∅0.5 mm的通孔缺陷。将1个周期的toneburst信号作为相控阵阵元的激发信号,激励信号如图4所示。

图4 激励信号设置

对复合绝缘子全聚焦检测进行仿真,选取32号阵元进行激励,使用k空间伪谱法对二维非均匀介质的耦合一阶偏微分方程进行时域求解,得到相应的空间声场分布情况[17]。图5为阵元激励后超声波的传递过程波动图。

图5 超声波传递过程波动图

超声波在水中不断向前传播,当遇到水-护套交界面时,超声波发生反射和透射,反射波即为水-护套层的界面回波,透射波则在护套层中传播,遇到缺陷时继续发生反射和透射。由于护套层为强声衰减材料,超声波在传递过程中能量逐渐变小,在仿真中表现为颜色逐渐变淡,在遇到护套-芯棒交界面时,已经处于能量较弱的状态。

依次完成64个阵元的数据采集后,在Matlab软件上用编写的全聚焦程序进行后处理成像,选用信噪比(SNR)和阵列性能指标(API)两个指标对成像质量进行定量评价。SNR通常被用于表征图像的噪声水平,其值越大,则噪声的影响越小,成像质量越高,其表达式[18]为

(3)

式中:Imax为缺陷区域的最大幅值;RMS(I′)为无缺陷区域噪声幅值的均方根。

API表示缺陷的成像分辨率,其值越小,则分辨率越高,其表达式[19]为

(4)

式中:λ为波长;A-6 dB为缺陷幅值下降6 dB所包含的缺陷面积。

2.2 频率对检测的影响

复合绝缘子中护套层为具有高声衰减性的硅橡胶,超声波在进入硅橡胶时,硅橡胶的沾滞性阻碍质点的振动,从而将部分声能转换为热能,这导致了声波的衰减,而衰减系数也随着声波入射频率的变化而变化。为探究适合于复合绝缘子内部缺陷检测的频率,分别选取频率1 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz,使用64阵元进行仿真模拟,成像结果如图6所示。不同频率下硅橡胶的声学参数以及成像质量如表2所示。结合图6和表2可以看出,当选择频率5 MHz和10 MHz时,超声波在硅橡胶中的衰减系数太大,随着频率增大,超声波穿透性减弱,导致成像结果不理想,而在频率1 MHz、2.5 MHz下缺陷轮廓清晰完整,定位准确,拥有更高的缺陷幅值、SNR及更低的API,成像效果明显优于5 MHz和10 MHz,但在频率1 MHz下对缺陷大小的定量不准确。综合各项成像性能,2.5 MHz频率的成像效果最佳。

表2 不同频率的全聚焦成像质量

图6 不同频率的全聚焦成像结果

2.3 阵元数量对检测的影响

为探究阵元数量对检测的影响,分别设置16个、32个、64个相控阵阵元,并选用2.5 MHz频率进行仿真模拟,成像结果如图7所示。成像质量如表3所示。

表3 不同阵元数量的全聚焦成像质量

图7 不同阵元数量的全聚焦成像结果

由表3可见,随着阵元数量的增加,SNR小幅上升,但API显著提升,总体成像质量提高。这是由于阵元数量增加后,所得曲面轮廓和缺陷的数量增加,使两层界面轮廓及缺陷都更清晰和完整,但同时也增加了计算时间。

2.4 缺陷尺寸对检测的影响

侧通孔是复合绝缘子的常见缺陷,为探究缺陷尺寸对检测的影响,保持原有侧通孔的深度不变,在水平方向相距3 mm处增设两个大小相同的侧通孔,分别对直径为∅0.5 mm、∅1 mm、∅1.5mm的侧通孔进行TFM成像,成像结果如图8所示。分别计算每个通孔的SNR、API以及每种尺寸的平均SNR、API,结果如图9所示。

图8 不同缺陷尺寸的全聚焦成像结果

图9 不同缺陷尺寸的全聚焦成像质量

由图8、9可见,每个侧通孔都能精准地定位,拥有较好的SNR和API。侧通孔缺陷的尺寸对成像质量的影响较小,但当侧通孔尺寸过大或侧通孔相离过近时,声波会产生更复杂的反射和衍射,进而产生部分伪影并影响护套-芯棒交界面的轮廓成像。

3 实验验证

由仿真成像结果可知,阵元数量和缺陷尺寸对成像质量影响较小,频率对成像质量影响较大。为进一步验证频率对成像质量的影响,在实验室开展复合绝缘子内部缺陷超声全聚焦成像检测实验,实验装置如图10所示,所用复合绝缘子试块尺寸见图3。实验采用水浸检测方法,分别选取1 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz的入射频率,使用阵元间距0.5 mm的64阵元超声相控阵换能器采集全矩阵数据,采样频率为62.5 MHz,对所采集的全矩阵数据进行TFM后处理成像处理,成像结果如图11所示,图中白圈表示缺陷的实际大小和位置,成像质量如表4所示。

表4 不同频率的全聚焦成像质量

图10 复合绝缘子检测实验装置

图11 不同频率的全聚焦成像结果

结合图11和表4可以看出,10 MHz频率下超声成像质量较差,难以区分背景噪声和缺陷。5 MHz频率下护套-芯棒交界面轮廓清晰,通孔缺陷明显,但成像质量仍不足,API较高且SNR较低。1 MHz、2.5 MHz频率下能够清晰分辨复合绝缘子的两层交界面以及通孔缺陷,拥有较低的API和较高的SNR,均能对通孔缺陷进行准确定位,相对误差在0.3 mm内。与频率2.5 MHz时相比,1 MHz频率的API和SNR较优,但由于探头频率较低,波长较长,探头的检测分辨力降低,导致缺陷面积误差较大。综合各项成像性能指标,选用频率2.5 MHz的成像效果最佳。

对比仿真与实验结果可知,当选择合适的检测参数时,全聚焦方法能够有效地检测复合绝缘子内部缺陷,拥有良好的成像质量。在实际检测中,频率对缺陷检测有较大的影响,因此,在检测复合绝缘子这类高衰减材料时,需要选择合适的探头频率以获得较强的声穿透性及较好的检测分辨力,从而获得较好的成像结果。

4 结束语

针对复合绝缘子内部缺陷检测定位和定量精度不高的问题,本文基于k-Wave工具箱对复合绝缘子内部侧通孔缺陷检测进行了仿真模拟,使用全聚焦方法进行成像,并讨论了频率、阵元数、缺陷尺寸对检测的影响。为进一步验证仿真结论,开展了复合绝缘子内部缺陷超声全聚焦成像实验。结果表明,当选取合适的检测参数时,全聚焦方法能够较好地检测复合绝缘子的内部缺陷,拥有良好的成像效果。频率对复合绝缘子内部缺陷检测的影响较大,当选用频率较大时,声波的穿透性减弱,在硅橡胶材料中的衰减系数增加,成像质量大幅降低;当选用频率较小时,波长增加导致检测分辨力下降,易造成缺陷的定量误差,所以在检测复合绝缘子内部缺陷时应选用合适的频率,在1 MHz、2.5 MHz、5 MHz和10 MHz中,2.5 MHz的成像效果综合最佳。阵元数和缺陷尺寸对复合绝缘子内部缺陷检测的影响较小,实际检测中可以根据试块大小、时间和成本选用合适的阵元数量。