Page 93 - 无损检测2021年第七期
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钟芳桃, 等:

            航空金属薄板分层缺陷的频率 - 波数域超声相控阵全聚焦法成像检测


            测成本和检测范围等优于其他无损检测方法的                       [ 1 ] 。  供了一种新方法。
            孟翔震等     [ 2 ] 使用空气耦合 Lamb波实现了金属薄板
            内部缺陷的检测。吴时红等              [ 3 ] 针对金属薄板分层缺         1  相控阵全聚焦法成像原理
            陷检测, 提出了超声喷水穿透 C 扫描检测方法。张                         1.1  全矩阵数据采集
            闯等   [ 4 ] 采用电磁加载方式激励超声波, 利用非线性                       全聚焦成像与传统相控阵成像方式不同, 全聚
            超声实现了对铝板闭合裂纹的检测。                                   焦成像之前要先进行全矩阵数据采集( FMC ), 通过
                 分层缺陷是金属板材中常见的缺陷, 金属薄板的                        对全矩阵数据后处理可以得到多种成像方式                    [ 15 ] 。
            检测方法有导波法和斜入射横波反射法, 但导波或横                               全矩阵数据采集过程如图 1 所示。有 N 个阵
            波检测时, 这种与表面平行且在内部具有坡度的分层                           元的相控阵探头, 阵元 1~N 依次以相同的重复周
            缺陷会导致超声波反射面减小, 检测信号弱, 容易漏                          期发射超声信号, 全部阵元接收反射信号。例如: 第
            检 [ 5 ] 。常规的超声检测方法对缺陷判别不直观, 对检                    1 个阵元发射超声信号, 全部阵元接收反射信号, 完
            测信号不能快速判别, 难以对缺陷成像。                                成第 1 次数据采集, 得到数据 S 1 j       , 其中 j=1 , 2 ,…,
                 近年来, 基于超声相控阵检测的全聚焦成像方                        N ; 下一次第 2 个阵元发射超声信号, 全部阵元接收
            法( TFM ) 受到越来越多学者的关注。与传统相控                         反射信号, 完成第 2 次数据采集, 得到数据 S 2 j             ; 当
            阵 B 型、 C 型、 D 型、 S 型成像相比, TFM 有更高的                 完成第 N 次数据采集时全矩阵数据采集完成, 全
            信噪比和分辨率, 其可解决常规相控阵对尺寸小于                            矩阵数据以三维矩阵 的 形 式 储 存, 数 据 为 S i j t
                                                                                                        (),
            声波半波长的微小缺陷检测精度不高的问题                     [ 6 ] 。传   其含义表示为第i 阵元发射, 第 j 阵元 t 时刻接收
            统时域上的全聚焦算法存在运算效率低等问题, 为                            的 A 扫回波信号。
            了得到更高的运算效率, 使用频率 - 波数域算法全聚
            焦成像能够有效解决运算效率低的问题                    [ 7 ] 。 20 世
            纪 70 年代, 波数域算法最初由 STOLT 提出               [ 8 ] , 应

            用 在 地 震 学 成 像 中,以 提 高 横 向 分 辨 率。
            BERTORA 等    [ 9 ] 将频率 - 波数域反向传播技术应用

            于平面波和柱面波中, 来获得图像数据。 GARCIA
            等 [ 10 ] 将频率 - 波数域 Stolt偏移应用于平面 波成像                          图 1  全矩阵数据采集过程示意
                                                              1.2  传统全聚焦成像
            中, 得到了比传统延时叠加算法 更高质量的图像。
            STEPINSKI等    [ 11 ] 提出频域合成孔径聚焦技术, 该                  传统 TFM 是一种在时域上延时求和的成像算
            技术在提高纵向分辨率和横向分辨率, 以及降低目                            法, 其在 FMC 的基础上成像, TFM 是虚拟聚焦的
                                                               方法  [ 16 ] 。 TFM 成像算法原理如图 2 所示, 以相控
            标函 数 旁 瓣 等 方 面 都 有 明 显 的 改 善。 HUNTER
            等 [ 12 ] 将频 率 - 波 数 域 算 法 应 用 在 全 聚 焦 成 像 技 术      阵阵元中 心 为 原 点 O , 将 相 控 阵 阵 元 方 向 设 为 x
            上。刘增华等       [ 13 ] 提出了在频率 - 波数域内分析激光              轴, 待测工件的深度方向设为 z 轴, 建立二维直角
            Lamb波传播特性的方法, 利用波数和铝板厚度之                           坐标系; 将待检测区域划分成网格节点, 任意一个点
            间的关系, 实现了对缺陷深度的定量检测。张海燕                            可以看成虚拟焦点, 假设待检测区域内有一点 F , 坐
            等 [ 14 ] 使用16通道的多收多发相控阵检测仪, 对薄铝                    标为( x , z ), 坐标为( u , 0 ) 的阵元i 发射超声波信号
            板的表面缺陷检测应用了频率 - 波数域算法, 在薄铝                         到达F 点, 反射后被坐标为( v , 0 ) 的阵元 j 接收。
            板的缺陷检测上取得了良好的缺陷重建效果, 验证了                           根据费马原理, 声波沿最短路径传播, 因此i 阵元传
            频率 - 波数域算法在薄铝板缺陷检测上的有效性。                           播到F 点后被 j 阵元接收的总飞行时间 t i j             为  [ 17 ]
                 笔者将相控阵频率 - 波数域全聚焦算法应用于                                  ( u-x )  +z 2     ( v-x )  +z 2
                                                                                                  2
                                                                                 2
                                                                  t i j =              +                  ( 1 )
            金属薄板分层缺陷的检测中。使用两种型号超声相                                            c                 c
            控阵探头对不同厚度薄板中的不同形状分层缺陷进                             式中: t i  为声波从 i 阵元传播到F 点的时间; t j          为声
            行检测, 并分别采用传统全聚焦和频率 - 波数域算法                         波从 F 点反射到 j 阵元的接收时间; 在被测介质是
            进行全聚焦成像, 实现了金属薄板分层缺陷的定量                            均匀各向同性的情况下, c 为超声波在被测试件中
            检测, 为航空金属薄板分层缺陷的有效可靠检测提                            的传播速度。


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                                                                                               无损检测
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