Page 90 - 无损检测2025年第三期

周志鹏，等：

基于 SSA-VMD-DTW 的绝缘子脱黏缺陷成像

用的难度较大，而相控阵超声检测技术具有安全性
介质1 介质2
高、灵敏度高、检测速度快、成本较低等突出优点，
较为适用于廉价且用量大的复合绝缘子检测。谢从
P P
[9]
珍等 利用相控阵超声波检测仪对4种复合绝缘子 0 t
典型内部缺陷进行了定性识别。陈海燕等 [10] 提出了
一种基于水囊柔性耦合的相控阵检测方法，该方法
P
适用于带电现场检测。梁进祥等 [11] 采用了仿真模拟 r
与试验相结合的方式对复合绝缘子的内部破损和贯
图 1 超声传播简化模型
穿缺陷进行了定性分析。然而，上述研究均未对脱
黏缺陷信号进行深入研究。  Z 2 -Z 1
 r =
在实际检测中发现，复合绝缘子的直径较小，相  Z 2 +Z 1 （1）

控阵换能器难以精确对准绝缘子中心，且声能会被曲  T = 2Z 2

面部分反射，同时硅橡胶材料声能的高衰减性会导致  Z 2 +Z 1
回波信号幅度大幅下降 。因此，为了提升分层界面 式中：Z 为介质1的阻抗；Z 为介质2的阻抗。
[12]
2
1
的回波幅值，需将采集增益调到最大才能分辨出有效 查阅 资料可知，常 温下空气 的声阻抗 为
2
2
信号，但也产生了较大的固有电路噪声和结构噪声， 0. 000 41 g/(cm · s)；硅橡胶的声阻抗为1. 4 g/(cm · s)；
2
严重影响信号分析及成像。另外，由于复合绝缘子的 玻璃纤维的声阻抗为 6. 04 g/(cm · s)。根据式（1）
黏接结构特点，一旦涂胶过量，硅橡胶/玻璃纤维双 可计算出从橡胶到空气的声压反射率约为−1，从橡
层结构会转变为硅橡胶/黏接胶层双层结构，从而导 胶到玻璃纤维的声压反射率约为0. 62，所以脱黏处
致C扫描成像中出现异常高亮区域，严重影响对缺陷 界面回波的相位应与黏接良好处界面回波的相位相
的判断 。故亟需一种信号处理方法消除这些影响。 反并且幅值更大。
[13]
曹弘毅等 [14] 利用相控阵超声技术对复合材料层 1.2 信号去噪原理
压板的分层缺陷进行了C扫描成像和定量评估，但未 1.2.1 变分模态分解原理
提出C扫描图像的优化方法。常青等 [15] 为了提高对 变分模态分解（Variational mode decomposition，
钛合金扩散焊接界面中微小缺陷的识别，提出基于小 VMD）是在2014年由DRAGOMIRETSKIY等 [18] 提
波变换的C扫描图像融合算法，提高了图像的对比度， 出的一种信号处理算法。
但不适用于黏接界面异常信号的消除。吴杰等 [16] 为 首先构造约束变分模型，经典约束变分模型为
提升玻璃纤维复合材料的C扫描成像效果，提出一种      2 
t
基于VMD的相关性分析成像算法，提升了成像质量， min  ∂ t  δ( )+ j  ut  -j ω k t  ∑ （2）
( ) e
k
{ }{ }   π   t   k
ω k
u k
，
但是VMD参数需要人工试验，且其相关性分析只用  2 
到了信号合成，并不能解决异常高亮图像的问题。 K
s.t. ∑ u =f （3）
综上所述，文章采用相控阵超声检测方法对复 k =1 k
合绝缘子的脱黏缺陷进行试验，针对C扫描图像中
式中：f为原始输入信号；K为信号分解的模态个数；
存在异常高亮区域、对比度低的问题，提出一种基于
， 分别为各模
SSA-VMD的DTW相关性分析方法。
态分量及其中心频率；t为时间；δ(t)为狄拉克函数；
1 原理 ∂ 为u (t)的单边频谱。
k
t
引入拉格朗日乘子λ 和二次惩罚项α，原始模型
1.1 绝缘子脱黏缺陷检测基本原理
转换为非约束问题，得到增广拉格朗日表达式
由于异质材料的声学性质不同，超声波P 0 从一
种物质透射进入另一种物质时，除了产生透射声波
P t 外，还会在异质界面处返回一种界面回波P r ，其简
化模型如图1所示。
声压反射率r和声压透射率T与介质阻抗的关
系 [17] 为 （4）
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2025 年 第 47 卷 第 3 期
无损检测