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1.2 超聲檢測技術的研究現狀

1.2.1 超聲檢測數值模擬方法

目前超聲檢測模擬和仿真主要應用和發展三種方法:解析法、數值法和半解析法。解析法包括角譜法(Angular Spectrum Method,ASM)、多元高斯聲束疊加法(Multi-Gaussian Beam Method)和射線追蹤法(Ray Tracing Method),其特點是計算速度快,但不適用于太復雜的情況,引入假設簡化后計算精度會大大降低;數值法包括有限差分法(Finite Difference Method,FDM)、有限元法(Finite Element Meth-od,FEM)、邊界元法(Boundary Element Method,BEM)、彈性動力學有限積分技術(Elastodynamic Finite Integration Technique,EFIT),這四種方法各有特色,其特點是能夠處理復雜問題,計算結果精確,但計算量大、速度慢;半解析法主要包括瑞利積分、離散點源法(Distributed Point Source Method,DPSM)、幾何衍射理論(Geometrical Theory of Diffraction,GTD)、基爾霍夫近似理論等,半解析法是一種在計算過程中采用部分解析解或解析函數的數值方法,該方法在保證計算精度的同時提高了計算速度。目前超聲檢測仿真和模擬主要集中于聲場傳播的計算及缺陷與超聲波的相互作用兩個領域。

角譜法[96]的基本思路是將探頭發射的波分解成無數個平面波,分別計算每個平面波在介質中的傳播和衰減,然后基于一定的加權函數將所有平面波疊加起來模擬聲場的傳播。該方法可處理較復雜的各向異性介質中的聲場分布,但處理過程中可能需要用到數值法求解。建立在近軸近似理論基礎上的高斯聲束模型計算速度快,可以有效模擬復雜形狀和復雜材料中聲場的傳播,但要注意該方法適用的場合是滿足近軸近似理論的遠場及外半場范圍。Schmerr Lester W[97]采用多元高斯聲束模型模擬了平面探頭或聚焦探頭以任意角度輻射或穿過曲線固液界面時在超聲傳播區域產生的有效聲束。Song Sung-jin[98]的模擬結果表明,當高斯聲束在界面上傳播時,由于入射角的關系,可能會導致不滿足近軸近似條件,從而產生較大的計算誤差。射線追蹤法通過計算聲線在介質中的傳播路徑及振幅衰減,給出聲線在介質中的傳播狀態。了解聲線在工件中的傳播路徑對于檢測工藝的設計和檢測能力的驗證非常有幫助。Ye Jing[99]采用聲線模型模擬了非均勻各向異性焊縫中聲線的傳播狀態,但該方法無法給出場強分布圖,所以不適用于聲場的定量計算。

有限元法[100]的理論基礎是分割原理和能量原理,有限元法對不同類型問題的適應能力優于其他方法,不僅能模擬復雜介質和結構中的聲場分布,而且能精確地描述模型結構上任意點的位移波形,缺點是有限元法計算量大,通常將計算區域限定在一定范圍內,需要處理比較復雜的人工邊界問題。近30年來,國內外很多學者對人工邊界條件進行了廣泛而深入的研究,基于各種思想提出了許多人工邊界條件[101-104],大致可分為全局和局部人工邊界條件,后者由于其時空解耦特性和廣泛適用性,受到研究者的重視。Dattad D[105]等利用二維有限元法建模并引入吸收邊界條件模擬了超聲波在各向同性及正交各向異性的介質中傳播時,遇到內部缺陷發生散射的過程,數值結果與實驗吻合較好,揭示了聲波在缺陷附近所發生的反射、折射、模式轉換等復雜現象。Hassan Waled[106]等采用引入黏彈性人工邊界條件的三維有限元模型,模擬了瑞利波與表層缺陷相互作用產生的反射波的波形特征,研究結果表明,當缺陷深度與超聲波波長比值小于0.3時,理論值、數值模擬結果和實驗結果三者有很好的一致性;當比值大于0.3時,理論不再適用。文獻[107]采用引入應力人工邊界條件的二維有限元模型,模擬了各向同性45鋼介質中氣孔、裂紋、夾雜物缺陷的散射聲場特征,結果表明,雖然三種缺陷的散射聲場特征明顯不同,但探頭接收到的A掃描信號波形差別很小,因此通過A掃描信號判別缺陷類型存在一定困難。

有限差分法在網格尺寸和缺陷邊界處理上和有限元法基本相同,不同之處在于有限差分法采用的是標準四邊形網格,處理規則邊界時非常有效,而有限元法能夠采用四邊形或三角形等多種網格形式,處理非規則邊界比較方便。采用差分法計算時,當相鄰兩介質聲阻抗突變時,差分計算會變得不穩定,徐娜、李洋[108]等人提出將界面兩邊介質的聲學參數進行平均的方法有效解決了這個問題。魏東、周正干[109]采用有限差分法分析了固液耦合情況下各向異性固體介質中超聲波的傳播特性,通過完全匹配層方法對截斷邊界的吸收處理,取得了與光彈法物理實驗相一致的結果,因此研究脈沖超聲波傳播過程對實際超聲檢測的信號分析具有重要的借鑒意義。

邊界元法是以積分方程為基礎,結合有限元的離散技術而發展起來的一種數值方法。其優勢在于只對邊界進行離散,減少了計算量;并且計算誤差只是來自于離散的邊界,減少了誤差的來源;采用加權余量法得到積分方程,使得誤差合理分配,避免了尋找泛函的麻煩。邊界元法的主要缺點是它的應用范圍以存在相應微分算子的基本解為前提,對于非均勻介質等問題難以應用。Zhao George[110]采用邊界元法結合垂直模式擴展技術研究了超聲導波經過各向同性介質表面及內部缺陷時的散射過程。事實上,要借助于聲波信號的幅值與相位信息對缺陷進行定量評價還有待理論研究上的突破。Cho Younho和Rose Joseph L[111-112]利用混合邊界元法模擬了不同頻率和模態的Lamb波在經過曲率不同的弧形表層缺陷時發生的散射聲場,為利用超聲波特征進行表層缺陷類型識別提供了必要的理論參考與豐富的數據儲備。

彈性動力學有限積分技術是德國學者首先提出的一種主要用于模擬非均質介質超聲檢測的數值計算方法。彈性動力學有限積分技術在計算非均質材料時有明顯的優越性。然而,非均質材料,特別是缺陷處的網格劃分必須要保證各個網格的應力應變是連續的,交錯網格的劃分必須滿足彈性動力學有限積分技術方法的穩定性和收斂條件。這在一定程度上限制了該方法的應用。Han T、Y Kohler B和Schmitz V[113]等人將聲線跟蹤法和彈性動力學有限積分技術相結合,模擬了含晶間應力腐蝕裂紋的厚壁奧氏體焊縫的超聲檢測,其結果顯示,超聲波在奧氏體焊縫中會沿金屬結晶方向發生偏轉,并在焊縫邊界上發生散射,因此聲線跟蹤法和彈性動力學有限積分技術結合應用,有助于超聲檢測參數的選取。

半解析法在保證計算精度的前提下,提高了計算速度,因此已經成為超聲檢測模擬仿真的主流方法。Gengembre N[114]采用瑞利積分結合pencil法建立了聲場計算模型,可模擬任意探頭(聚焦探頭、雙晶探頭、相控陣探頭等)發射聲場在任意復雜界面處的反射和折射,以及在任意介質中的傳播。Lhemery Alain[115]基于基爾霍夫近似理論建立了裂紋回波模型,用于處理各種體積型類缺陷(不含夾渣)和裂紋類缺陷,由于基爾霍夫近似忽略了二次衍射項,因此不能計算裂紋尖端衍射產生的沿裂紋表面傳播的瑞利波。Chapman R K和Pearce J E[116]基于GTD理論建立了邊緣回波模型作為裂紋回波模型的補充,用于處理裂紋尖端的衍射。基爾霍夫及GTD缺陷回波模型都是基于高頻近似,適用于處理尺寸較大的體積型和面積型缺陷,對于尺寸較小的夾渣,以上兩種方法處理誤差較大,因此引入基于低頻近似的波恩近似理論[117],聲場與缺陷相互作用模型可以準確模擬夾渣類缺陷回波。另外,半解析法已經被成功應用于許多商業超聲檢測仿真軟件(如CIVA、simSUNDT、Vitual NDE、UTSIM等)。

總結國內外研究現狀可知,基于超聲傳播理論的超聲檢測聲場分析,與缺陷檢測模擬仿真具有理論和工程應用意義。通過對現代工業廣泛應用的各向異性材料和復雜結構零部件進行超聲檢測模擬研究,可提高檢測的精度,拓寬超聲檢測應用范圍;開發超聲檢測模擬仿真商業應用軟件,可提高實際檢測方法的實用性和可靠性,實現檢測工藝的優化。現代超聲檢測技術已經成為信息技術的一部分,虛擬現實技術的引入將會使超聲仿真軟件發展到一個更高的層次,各種三維場景的出現將會使檢測結果的分析更為直接、便捷。

1.2.2 超聲檢測信號處理技術

在超聲檢測中,無論是探測材料表層及內部缺陷,還是對材料組織結構進行表征和應力評價,超聲波回波信號都非常重要。一方面,超聲波回波信號中攜帶了大量與被測對象特性有關的豐富信息;另一方面,超聲波回波信號會受到儀器、探頭、耦合、被測材料等多方面因素的影響,因此,如何最大限度地剔除這些不利因素的影響,獲取與被測對象特性有關的有用信息,就成為超聲檢測技術的關鍵環節之一。傳統的超聲檢測技術主要基于超聲傳播時間和回波幅度分析來獲得介質特性的有關信息,由于僅僅利用了波形所包含的大量信息中的一小部分,因此不但大大限制了超聲檢測技術的應用范圍,而且導致檢測結果可靠性不高,且存在一定的主觀性。因此,近年來超聲檢測信號的處理方法已成為研究熱點。

從信號處理分析域角度來看,當前用于超聲波信號處理的不單是時域分析,還有頻域分析以及時頻分析。已經使用和正在研究的信號處理方法主要有空間平均、自適應濾波、Gabor變換和小波分析、頻譜分析、裂譜分析等。

空間平均是早期時域信號處理方法,超聲檢測過程中,通過小幅度隨機移動探頭(探頭移動距離與晶粒尺寸相當),使得來源于儀器電路、模數轉換過程等外部檢測條件和環境的散射信號產生隨機變化,而缺陷信號基本不變,將多次測量的信號相加取平均值,能夠有效剔除散射信號的影響,提高信噪比。由于這種檢測方法要取多次測量的平均值(次數越多,效果越好),所以效率比較低,而且還會引起信號失真。

自適應濾波[118]是一種特殊的有限沖擊響應Wiener濾波,利用前一時刻獲得的濾波結果,自動調節現時刻的濾波器參數,以適應信號和噪聲的未知特性,從而實現最優濾波。最優的準則:最小均方誤差準則(Minimum Mean Square Error,MMSE),即使誤差的均方值最小;最小二乘準則(Least Square Error,LSE),即使誤差的平方和最小。實踐表明,這種方法無法檢測出小缺陷,而且對粗晶材料超聲信號處理效果一般。

頻譜分析技術是在頻率域內揭示及分析信號或系統特性的一種技術方法。自1960年Gericke將基于傅里葉變換原理的頻譜分析技術用于探測材料內部的不連續性以來,超聲頻譜分析在材料的超聲檢測與評價中獲得了廣泛應用,不但能夠提供有關缺陷取向、表面粗糙度、內含物等用傳統的波形分析難以獲得的缺陷信息,而且對材料組織結構、性能以及粘結質量等的檢測、表征和評價成為可能。因此,基于頻譜分析方法的信號處理技術已經成為現代超聲檢測技術的重要組成部分。國內外很多學者進行了這方面的研究,并取得了許多研究成果。如Gericke O R[119]采用高阻尼的鈦酸鋇探頭,對含有3.2mm(1/8in)和0.8mm(1/32in)圓柱形孔的鋁試樣進行了一系列超聲波實驗,時域波形和頻域波形如圖1-5所示。可以看出兩種試樣對應的時域波形幾乎相同,但是在5~14MHz范圍內進行頻譜分析得到的結果卻有明顯差別,由此可見,頻譜分析技術對于區分缺陷尺寸具有重要作用。Anders From和Sandstrom將基于頻譜分析技術的現代圖像處理方法用于鋼種帶狀組織的無損評價。

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圖1-5 鋁試樣上不同直徑圓柱孔的超聲波時域信號波形和頻譜圖

a)3.2mm(1/8in) b)0.8mm(1/32in)

盡管頻譜分析技術在超聲檢測領域已經得到了廣泛應用,但現有的商業化儀器或系統仍然采用的是傳統的時域信號處理方法,因此,只有將頻譜分析信號處理功能以軟件或硬件實現,并將其用于商業化儀器和系統設計中,頻譜分析技術的研究成果才能更好地推廣和普及。

時頻分析[120-121]是局部化信號分析技術的總稱,時頻分析方法主要包括窗口傅里葉變換(Gabor變換)、小波變換、Wigner-Ville分布、希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang Transform,HHT)。時間和頻率是描述信號的兩個最重要的物理量,時頻分析方法提供了時間域與頻率域的聯合分布信息,清楚地描述了信號頻率隨時間變化的關系,能夠揭示出更豐富的信號內涵。

美國的Malik M A[122]博士通過對超聲信號多種時頻分布效果的對比得出小波分析是適合于超聲時頻表達的最佳時頻分析方法。Malik M A博士的研究工作是以最佳的時頻分析方法來表達超聲信號,1998年,Malik M A提出基于時頻集中函數的超聲信號窗口傅里葉變換時頻表達的參數優化方案,他的工作沒有涉及如何從超聲時頻圖像中提取特定信息的方法研究。與傅里葉變換相比,小波變換是時間(空間)頻率的局部化分析,它通過伸縮平移運算對信號(函數)逐步進行多尺度細化,最終達到高頻處時間細分,低頻處頻率細分,能自動適應時頻信號分析的要求,從而可聚焦到信號的任意細節,解決了Fourier變換的困難問題,因此,小波變換在超聲檢測領域得到了廣泛應用。目前,超聲檢測領域應用的小波變換分為離散小波變換和連續小波變換,其變換的基本思想都是通過在信號的小波分解系數上作用閾值算子,將大部分噪聲及接近噪聲強度的小波系數均視為零而舍去,使信號中隱含的能量集中反映在少數幾個振幅較大的小波系數上。在此過程中,要做到既去除大部分噪聲,又不會引起重建信號的明顯失真,關鍵在于閾值的選擇與量化。因此,很多學者提出了多種理論和經驗閾值模型,例如Heursure閾值、Minmax閾值、Sqtwolog閾值、Donoho閾值等。2002年,西班牙學者Lazaro J C[123]等人對3種閾值(Universal,Minmax,Sure)在超聲連續小波分析中的應用進行了研究。

超聲檢測信號中的噪聲可分聲學噪聲和非聲學噪聲兩大類。聲學噪聲來源于介質內部不同阻抗(如晶粒)界面上的反射、折射和散射,反映的是介質的微觀結構。非聲學噪聲主要包括電子電路噪聲、脈沖噪聲等,來源于儀器電路、模數轉換過程等外部檢測條件和環境。兩類噪聲之間有本質區別,分析和處理方式也不同。非聲學噪聲是白噪聲,與缺陷回波信號不相關,在整個觀測時域內服從均值為0的高斯分布,采用小波變換能夠實現缺陷信號與非聲學噪聲的近似最優分離[124-126]。Karpur P、Shankar P M、Rose J L[127]等的研究表明,聲學噪聲在部分時間區間上與缺陷回波信號是相關的,采用常用的信號處理方法(如小波變換、信號平均技術、濾波技術等)去噪效果不是很理想。因此,如何有效去除此類噪聲,成為近年來超聲檢測信號處理的難點和熱點。

為了有效去除超聲檢測信號中的各類噪聲(非聲學噪聲和聲學噪聲),提高對材料中各類缺陷,尤其是小缺陷的檢出率,清華大學的張秀峰博士[128]提出了基于匹配追蹤的超聲時頻圖像信息提取方法并通過對典型粗晶材料的檢測實驗證明,這種方法能夠有效去除超聲檢測信號中的晶粒散射信號(聲學噪聲),能達到對0.6mm晶粒平均直徑的粗奧氏體不銹鋼中0.8mm平底孔和0.5mm橫孔的超聲檢出能力。同濟大學聲學研究所的劉鎮清[129]等人采用維格納(Wigner)變換提取信號的特征,結合人工神經網絡識別超聲檢測信號,并通過實驗驗證了該方法的有效性。西安交通大學的陳岳軍、史耀武[130]采用小波變換模極大值方法提高信噪比,利用此算法對粗晶奧氏體不銹鋼的超聲檢測信號進行分析,效果良好。

綜合上述超聲信號的時頻分析方法可知,目前,提取超聲檢測信號中有用信息的方法主要有兩種:模式識別和降低噪聲(增強缺陷回波)。模式識別一般要結合人工神經網絡技術,該方法的準確性和可靠性取決于預先檢測信號的樣本數,因此局限性顯而易見;降低噪聲一般采用小波變換方法,但目前小波函數的理論水平有待進一步提高,例如目前對小波基的選取還沒有嚴格的準則和適宜的方法,而不同小波基的選取會對超聲信號分析結果產生很大的影響。因此,如何解決上述問題,需要今后進一步探索和分析。

1.2.3 超聲檢測儀器的研發

縱觀國內外,超聲檢測的相關理論和方法及應用基礎性研究正在不斷深入,新型的超聲檢測儀器及檢測技術也隨之出現,超聲檢測儀器正朝著數字化、智能化、圖像化、小型化和多功能方向發展。超聲成像是一種令人瞻目的新技術,超聲圖像可以提供直觀和大量信息,反映材料的力學和聲學性質,如超聲波C掃描成像儀、超聲波P掃描成像儀、超聲相控陣儀[131-133]等。普通單晶探頭對處在不利位置或遠離聲束軸線位置的缺陷容易漏檢。相控陣技術[134]通過改變探頭中按一定方式排列的晶片的激發時間,實現聲束的偏轉和聚焦(見圖1-6),這樣可以在不移動探頭或盡量少移動探頭的情況下,掃查厚大工件和形狀復雜工件的各個區域。圖1-7所示為發動機曲軸的結構示意圖,曲軸內部結構較復雜,并且曲軸連桿軸頸處存在R角(曲軸斷裂的危險區域),采用相控陣技術,用0~40°范圍的聲束對其進行扇形掃查檢測,即可保證曲軸失效的危險區域被聲束掃查到(見圖1-8)。激光超聲[135]是利用激光來激發和檢測超聲的一種新技術,與傳統的壓電換能器相比,激光超聲技術具有非接觸、激發源高保真及點源/點接收等優點,因此非常適用于常規壓電檢測技術難以檢測的薄膜、復合材料及材料的高溫特性研究等方面的研究。法國的Rosa G[136]利用激光超聲檢測技術分析了氧化物涂層與金屬基體的結合強度。英國的Hoyes J B、Shan Q等人利用波長為1.6μm的Q開關Nd:YAG激光器作為激光光源(功率2MW、脈寬2ns)在樣品表面產生超聲波,用共焦的法布里-珀羅標準具接收,對鋁板中的人工缺陷進行了檢測,得到了令人滿意的缺陷圖像。相比于傳統的超聲檢測方法,這些檢測方法優點很明顯,但由于設備比較昂貴,使用條件受限制等原因,使得這些檢測方法的推廣和普及受到一定程度的限制。因此,通過分析激光熔覆再制造零件自身及外部影響因素,采用常規超聲檢測技術,實現表層及內部缺陷的無損評價尚需進一步深入研究。

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圖1-6 相控陣的延遲法則所產生的聲束偏轉和聚焦

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圖1-7 發動機曲軸結構示意圖

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圖1-8 相控陣扇形掃查示意圖

綜上所述,隨著超聲檢測相關理論及方法研究的不斷深入,新型的超聲檢測儀器及檢測技術不斷出現,該項技術的應用必將進一步推廣,但針對包含再制造涂層及基體材料的超聲無損評價研究仍處于初級階段,尚有許多問題亟待解決或完善。

1)超聲檢測缺陷類型的判定。目前采用的方法(如波形判斷法、相位分析法、動態回波法、底波高波損失法)主要是以A掃描信號時域波形的細微差別為依據。這種判定方法很大程度上依賴于檢測人員的經驗,技術水平,以及對特定產品的特性、制造工藝的了解程度,其局限性顯而易見。通過超聲成像獲得缺陷的幾何輪廓形狀能夠實現對缺陷類型判定,但全局超聲掃描和數據合成過程耗時較長,無法滿足對實時性要求高的在線檢測需要。非成像式超聲檢測缺陷類型判定方法實時性較高,但準確性和可推廣性有待進一步提高。對再制造零件進行超聲檢測時,缺陷類型判定不準確,會將一些具有危險性缺陷(如擴展性裂紋)的產品判定為合格品,直接威脅再制造產品的使用安全。因此,提高非成像式超聲檢測缺陷類型判定方法的準確性和可推廣性非常必要。這種缺陷識別方法通過提取超聲檢測回波信號的特征參數,分析特征參數與缺陷之間的對應關系判別缺陷類型。因此,建立超聲檢測數學模型,模擬超聲檢測過程中材料內部不同類型缺陷的散射聲場,探索超聲波聲場與缺陷相互作用的規律,分析探頭接收到的缺陷回波信號與缺陷之間的對應關系是解決問題的關鍵。

2)各向異性材料超聲檢測數值模擬。實踐表明,激光熔覆層在具備優良性能的同時,其彈性性能呈現出聲學各向異性,使得超聲波在傳播過程中出現偏轉、分離和聚焦等復雜物理現象,為聲學檢測帶來困難,因此如何檢測和評價這類材料成為聲學檢測領域研究的難點和熱點問題。數值模擬是研究各向異性介質中超聲波聲場特征和傳播規律的有效手段,目前超聲檢測數值模擬大多是針對各向同性材料的,對于各向異性激光熔覆材料的數值模擬還鮮有報道,因此建立激光熔覆再制造零件超聲檢測系統數學模型,通過數值模擬深入研究此類材料中超聲波的傳播規律和聲場特征,可以為激光熔覆再制造零件的超聲無損評價提供重要的理論依據和豐富的數據儲備,為實際檢測工藝方案的制定提供有益的參考。

3)各向異性材料應力的超聲檢測。在材料應力的檢測與評價方面,超聲波具有快速、安全、非破壞性等優勢,目前主要應用在聲彈效應明顯材料(如鋁及其合金、航空透明玻璃等)的應力評價中。激光熔覆層組織具有明顯的各向異性特征,超聲波傳播過程中的影響因素(如組織形態、工藝參數等)較多,如何提高此類材料應力檢測的可靠性非常關鍵。目前的研究方法主要有兩種,第一,結合彈塑性變形理論,推導適用于各向異性材料的聲彈公式;第二,采用特定的波形(如SH波)或兩種以上波形組合,通過實驗建立能夠分離或削弱組織效應的聲彈公式。雖然采用上述方法取得了一些研究成果,但不足之處也非常明顯,例如理論推導得到的聲彈公式大多包含彈性應變、塑性應變、強作硬化等復雜參數,這些參數的測定比較困難,因而難以在實際中推廣應用。采用特定的波形或不同類型波形組合,需要研制專用的超聲換能器,檢測步驟較為繁瑣。因此如何實現激光熔覆材料應力的無損、快捷、精確檢測尚需進一步探索、研究。

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