Page 101 - 无损检测2022年第十二期

薛 岩, 等:

在役储罐底板的兰姆波检测

文章通过对钢质储罐底板兰姆波激励及传播模 础, 其基本原理为: 依次激发探头中所有晶片, 阵列
式进行研究, 确定兰姆波检测工艺, 建立了兰姆波检 中所有晶片接收回波信号, 最终接收到 N ×N 个 A
测全聚焦成像算法, 开发了一套储罐底板兰姆波检 扫波型, 即首先使换能器中第 1 个晶片激励超声波,
测软件系统, 并开展了储罐底板模拟缺陷检测试验 所有晶片并行接收, 所获得的回波数据定义为 S 1 j
以验证软件系统的可靠性。 ( =1 , 2 ,…, N ), 共获得 N 组数据, 然后依次激励
j
换能器中各晶片, 重复上述过程。将发射晶片i 、 接
1 兰姆波检测模态及成像算法
收晶片 j 采集的超声回波数据记为S i j , 为全矩阵数

1.1 兰姆波检测模态 据的第i 行第 j 列的数据。 S i j 为一组数据, 包含每
兰姆波为多模式复合波 [ 10 ] , 传播质点具有不同 个时间采样点时接收信号的幅值 [ 11 ] 。全矩阵数据
的振动模式, 根据声波质点振动位移形态的特点, 分 采集过程如图 2 所示。全矩阵采集方法所得到的数
, ,…), 描述 据集包含了所有单个晶片发射和所有晶片接收的组
, ,…) 和反对称型( A 0 A 1
为对称型( S 0 S 1

兰姆波的声速分为群速度和相速度。 合关系, 即接收数据的完备集。

试验待测的储罐底板壁厚为 8 mm , 因此进行

8mm 厚度钢板频散曲线模拟, 得到的频散曲线如
图 1 所示。

图 2 全矩阵数据采集过程示意
利用全矩阵数据进行全聚焦成像时, 首先建立
成像坐标系, 定义阵列成像检测探头中每个阵元在
坐标系中的位置以及每个成像像素点在坐标系中的
, 分别
位置, 全聚焦成像原理如图3 所示( 图中d i d j

图 1 8mm 厚钢板频散曲线
为发射和接收阵元到点 P 距离)。通过采集的全矩
图 1 所示频散曲线中红色曲线代表对称型模态 阵数据计算声波在激励阵元、 成像点 P 、 接收阵元
, ,
( S 0 S 1 之间的传播时间, 依据传播时间从全矩阵数据中提
, ,…), 蓝色曲线代表反对称型模态( A 0 A 1
…), 在某一频率下, 结构中同时存在多种模态的声 取对应时刻的幅值, 即
波, 随着频率的增加, 模态数量也会逐渐增加, 不同 1 N N
I ( x , z ) = h i j t i j x , z )] =
[ (

模态声波的群速度和相速度各不相同, 尤其在高频 N 2 ∑∑
i = 1 j=1
段表现得更为明显。 1 N N ( x i -x ) z + 2 + 2
2
2
+

2 ∑∑
板中存在的兰姆波模态越多, 应用分析起来越 N i = 1 j= 1 h i j c ( x j -x ) z

两种
困难, 由图1 可以看出, 板中最少存在 A 0 和 S 0 ( 1 )
模式作为兰姆
j
模态的波。因此笔者选择 A 0 和 S 0 式中: N 为阵元个数; i 为激励阵元; 为接收阵元;
波检测模式。 为全矩阵数据; t i j x , z ) 为时间延时; c 为波速,
(
h i j
1.2 兰姆波成像算法 x 为阵列方向坐标; z 为垂直于阵列方向坐标。
在超声检测技术中, 利用全聚焦成像技术可对
工件进行检测成像。通过对采集的超声全矩阵数据 2 兰姆波检测软件系统开发
进行后期延时、 加权叠加合成等数据处理, 获得声波 以兰姆波传播模态分析结果及全聚焦成像算法
与工件内部缺陷互相作用后的超声回波信号, 此时 为基础, 开发了一套储罐底板兰姆波检测软件, 该软
的声波没有在工件内部实现真实的聚焦, 而是一种 件 包括三大主要模块, 分别为兰姆波检测参数设置
数据后处理方式, 是超声阵列对成像区域内的所有 模块、 兰姆波检测数据采集模块与兰姆波缺陷成像
点进行虚拟聚焦。 模块, 三个模块共同实现储罐缺陷的超声波阵列检
全矩阵数据采集技术是全聚焦成像技术 的基 测 。 该软件采用LabVIEW开发环境, 使用相应的动
3
6
2022 年 第 44 卷 第 12 期
无损检测