基于合成孔径聚焦的超声SH导波成像检测_图文

1、ISSN 1000 0054CN 11 2223/N 清华大学学报(自然科学版 2011年第51卷第5期J T sing hua Un iv (Sci &Tech , 2011, V o l. 51, N o. 523/31687 692基于合成孔径聚焦的超声SH 导波成像检测朱新杰, 韩赞东, 都 东, 陈以方, 原可义(清华大学机械工程系, 先进成形制造教育部重点实验室, 北京100084摘 要:超声水平剪切(shear hor izo nt al, SH 导波成像检测旨在解决平板检测中检测距离增加时分辨力降低的问题。该文运用合成孔径聚焦原理, 构建了16通道超声SH 导波成像检测

2、实验系统, 通过分析阵列信号时频域特征揭示了声波与缺陷间相互作用的规律, 对SH 导波合成孔径聚焦成像算法进行了讨论, 阐明了导波阵列信号时空域信息合成在聚焦成像中的应用。研究结果表明:合成孔径聚焦可用于超声SH 导波成像检测, 所成图像能够表征钢板中检测距离2m 以上、尺寸当量大于 5mm 的缺陷信息, 为深入开展工业在役大尺度结构板材的缺陷成像检测和结构健康监测提供了基础。关键词:合成孔径聚焦; 超声水平剪切导波; 成像检测中图分类号:T B 553文章编号:1000 0054(2011 05 0687 06文献标志码:A用于板材质量无损检测的超声导波常有水平剪切(shear hor iz

3、ontal, SH 导波、垂直剪切(shear vertical, SV 导波、Lamb 导波等。其中SH 导波结构简单, 波型转换较少, 有利于进行声波信号分析和成像, 其传播只决定于板材面内质点位移, 而板材表面有无液体、污物等对其传播影响不大, 在工业在役大尺度结构板材的长距离无损检测及健康监测中有重要应用价值。超声SH 导波在检测应用中需要使用高粘度专用耦合剂, 会导致换能器(阵元 移动受限、检测灵活性降低。但相对于单换能器检测来说, 超声阵列有易成像、检测质量好等优点1, 如将多个SH 导波换能器布置成阵列, 同时对板材进行区域成像检测、结构健康监测, 将能有效发挥SH 导波检测的长

4、处。超声体波检测中通过对声波信号进行 移相合成 的处理方法能使信号得到增强, 但时移平均算法3、梯度下降算法4等信号处理方法在用于Lamb 导波检测时, 检测距离不够远。本文将特制的SH 导波换能器布置成阵列, 将 移相合成 的合成孔径方法用于板中超声SH 导波成像, 为深入开展工业在役大尺度结构板材的长距离检测、结构健康监测提供了基础。2Imaging and inspection of u ltrasonic S H guidedwave by synthetic aperture focusingZH U Xinjie, HAN Zan dong, DU Dong, CHEN Yifan

5、 g, YU AN Keyi (K ey Laboratory for Advanced Materials Proces sing T echnology of the Min istry of Education, Department of Mechanical Engin eering,Ts inghua University, Beijing 100084, ChinaAbstract:Systems are n eed ed to identify steel plate defects at long distances. An inspection and im aging s

6、 ystem w ith 16ch ann els of u ltrasonic shear horiz on tal (SH guided w aves w as developed bas ed on the theory of synthetic aperture focusing for long dis tance inspections. Tim e and frequen cy domain analyses w ere used to study th e interactions betw een the u ltras ound signals an d defects.

7、An aperture focu sing and imaging algorithm w as developed for th e S H guided w aves usin g space tim e domain inform ation for focu sing and imaging of the array signals. T he im aging experiment show s th at apertur e focusing can be us ed for imaging of u ltras onic S H guided w aves for plate i

8、n spection s an d th at the im ages can identify defects w ith 5mm more than 2m from steel plates. T his m ethod provides defect in spection and structu ral m onitorin g of large industrial plates in situ.Key words:synthetic ap erture focusing; ultras onic shear horizontaland 1 超声SH 导波成像检测实验系统及参数本文设

9、计了16通道合成孔径聚焦成像检测实验系统, 如图1所示。系统由信号源、示波器、成像电脑、SH 导波换能器、钢板试样等组成。信号源用于发射400V 方波脉冲并接收回波信号, 成像电脑用于信号采集、处理和成像。钢板试样尺寸规格为收稿日期:2010 11 19基金项目:国家自然科学基金资助项目(60871101 作者简介:朱新杰(1977 , 男(汉 , 宁夏, 博士研究生。:都东, , E mail:dudongedu. cn3000m m 1000m m 9. 5mm , 材料为16M nR, 制作的人工缺陷A 、C 、D 分别为 10mm 、 20m m 、 5m m 的通孔, B 为3. 5

10、mm 35mm 大小、深2 5m m 的刻槽, E 区域为钢板内部的条状夹杂缺陷, 如图2所示。根据压电效用横波晶片研制了SH 导波换能器(阵元 , 钢板试样上布置有16个SH 导波换能器构成的检测阵列, 布阵间距5m m, 主频为1MH z, 带宽在0. 22MH z 之间, 激励脉冲激发换能器在钢板中产生的超声SH 导波模态以0阶模态SH 0为主, 人工缺陷回波信号主频在0. 45M H z 左右。实验测定钢板右侧各次回波幅度与信号源脉冲激励频率间的关系, 如图3所示。考虑到可选择的方波脉冲激励频率为0. 5M H z 时各次回波幅度最大, 故最佳脉冲激励频率取为0. 5M H z 。图1

11、 超声SH 导波成像实验系统单位:mm图2 钢板试样及SH 导波阵列布置信号的双曲线特征非常明显, 不同缺陷的散射特征各异。图4a 为3#阵元发射全阵元接收的人工缺陷阵列信号, 孔A 、槽B 的回波信号较强, 槽B 回波信号后面紧跟着强烈的衍射声波信号, 形成衍射区, 孔D 淹没在其中且不可见。图4b 为9#阵元发射全阵元接收的人工缺陷阵列信号, 在孔A 回波的后面出现与之近似平行的回波信号簇A 1、A 2, 经过计算得知A 1是由于声波到达孔A 后沿孔A 圆柱面绕行一周后再次反射所致, A 2由孔A 的反射声图3 钢板右侧各次回波幅度与脉冲频率的关系波被钢板下侧边界反射后形成; 孔C 信号及

12、其信号簇C 1、C 2的关系类似于孔A; 由于发射阵元下移, 槽B 声波衍射区减小, 孔C 回波信号得到加强, 但孔D 回波信号依然不可见。图4c 为16#阵元发射全阵元接收的人工缺陷阵列信号, 此时槽B 回波信号达到最小, 其后声波衍射区基本消失, 孔C 信号及C 1、C 2仍清晰可见, 孔A 信号及A 1、A 2更加清晰, 且A 2成为2条平行线簇。2 超声SH 导波合成孔径阵列信号分析节1实验系统得到的成像检测阵列信号能够反映出较多人工缺陷检测信息, 可揭示部分声波与缺陷的相互作用, 有利于对超声图像进行解释。2. 1 阵列信号时域特点 的衍射区相对应, 反映了声场衍射特征。导波成像检测

13、中的这些特点为判定和识别不同类型的缺陷提供了条件。图5 散射体信号时频特征3 超声SH 导波合成孔径聚焦成像3. 1 超声SH 导波合成孔径聚焦在本文中, 超声SH 导波合成孔径用 准动态孔径 来描述, 聚焦用 全场域聚焦 来描述。准动态孔径对于合成孔径来说是指超声SH 导图4 超声SH 导波阵列信号波阵列在接收信号开始时只有少数通道打开, 其他通道关闭, 随着接收深度的增加, 全部接收通道打开。全场域聚焦是指一次扫描就完成了对成像区域内所有散射体的聚焦。一次扫描即n 个阵元依次 一发多收 , 得到每组n 个共n 组信号, 即共n n 个信号, 这些信号包含了成像区域内所有散射体的位置信息,

14、提取这些信息进行 移相合成 的时空域信息处理, 就完成了对扫描区域内所有散射体的聚焦。在坐标系中平板SH 导波阵列布置形式如图2所示, 设一发射阵元坐标为(x 0, y 0 , 在t i 时刻第i 2. 2 阵列信号频域特点通过对散射信号做短时Fourier 变换(short time Fourier transform, ST FT 进行时频分析, 可以看到孔和槽的声波信号频带在0. 30. 6M H z 之间, 如图5所示, 在对阵列信号进行滤波处理时可参考该值。槽的声波信号中心频率接近0. 5M H z, 大于孔的声波信号中心频率0. 42M H z, 槽的信号频带也比孔的频带略宽。从图

15、5b 可以看到, 紧跟在槽B 之后有一条频带范围与其大体一致且略倾斜的条 带P (x , y 反射后被第j 个阵元接收, 引入比例因子k 0、k i, j , k 0反映反射信号(能量 S i, j 与点P (x , y 反射信号回波幅度U ij (x , y 平方的正比关系, k i, j 反映反射合成信号(能量 S (t, r , 与点P (x , y 反射信号总回波幅度U(x , y 平方的正比关系, 那么每个阵元依次发射、所有阵元分别接收到散射体P(x , y 反射的合成信号能量为S(x , y =i=1j =1号为信号基点, 在其他阵列信号中找到该缺陷信号并与基点信号比较后, 按二者

16、的相位差将其作相应的移相, 即得到图6a 所示移相信号, 将其叠加就得到了移相聚焦信号, 如图6b 所示, 聚焦信号比单通道信号增加了至少20dB 。将这样处理后的16个聚焦信号再做同样处理, 那么信号总幅度将会进一步加强, 限于篇幅不再赘述。这样, 根据式(5 即可完成合成孔径 全场域 合成聚焦成像。n nS i, j (t i - j . (1对信号进行 移相合成 的时空域信息处理, 就完成了对点P(x , y 的 全场域 合成孔径聚焦。通过式(1 可得到对散射体P (x , y 信号聚焦后总信号回波幅值为U(x , y =i=1j =1k ij U ij (t i - j .2(2SH

17、导波群速度c g 是频率f 的函数, 与SH 导波模态有关, 式(2 中的渡越时间为t i =t i + t i =2x -x 0 +(y -y 0 /c g +i =1, 2, , n.i, (3其中:l i 为第i 个阵元结构参数, 意为从阵元内PZT 到阵元前沿的当量声程; c 为成像区域内平均声波速度, 可按 c =c g 进行处理。3. 2 SH 导波波幅成像设待检测材料衰减系数为 , 考虑补偿声波的衰减, 则散射体P (x , y 在256级图像中的像素值灰度为minf (x , y =256.U max -U minr(4图6 SH 波合成孔径阵列信号时空域合成处理将式(2 代入

18、式(4 , 就得到成像区域内任意散射体P (x , y 与该区域内所成图像对应像素点的灰度值为f (x , y =e i 256r4 超声SH 导波合成孔径聚焦成像实验根据以上分析, 对超声SH 导波成像系统进行. (5合成聚焦成像实验, 结果如图7所示。图像可以对不同尺寸当量大小的人工缺陷进行表征。图7a 中像A 、B 、C 、D 分别与图2中孔A 、刻槽B 、孔C 、孔D 相对应; 在成像距离20002400m m 范围内, 刻槽B 的成像最清晰, 孔A 、C 、D 按尺寸当量大小依次减弱, 图7b 是钢板内部的条状夹杂缺陷E 的成像, 该缺陷位于检测距离1400mm 处, 清晰可见。不同

19、性质缺陷的判定与识别可根据其声波信号时频特征来进行。槽的声波信号中心频率(接近0i=1j =1ki jU ij (t i - j -U min2U max -U min3. 3 合成孔径阵列信号时空域信息合成阵列信号发射与接收在时间上有先后, 存在时间(或相位 差, 在空间中不同位置散射体所对应待成图像像素位置和像素值灰度大小也不同, 需要将时空域相关联进行信息合成, 为成像做好准备。根据式(2 , 现以图4a 所示3#阵元发射全阵元接收的槽B 阵列信号为例说明时空域信息合成。 槽的信号频带也比孔的频带略宽; 由于声场衍射, 声波经过槽之后的反射波信号频率在时间上呈现的斜带分布特征也有别于孔,

20、 如图5所示。这些时频特征可以用来判定与识别槽、孔等不同性质的缺陷。图像可反映检测区域声场特点。由于声波经过槽B 后在其后面形成了较大声波衍射区, 图7a 图像中刻槽B 之后出现的高亮度区域和条纹状区域即是声波衍射的反映, 在横向上扩展较大; 孔D 淹没在该衍射区域中且在阵列信号中不能以波形显示, 但在图像上则能略微可见; 图像中反映的声场衍射、声波与缺陷散射体的相互作用与图4阵列信 号所反映的信息相一致。需要指出的是, 用电磁超声(electr omagneticaco ustic transducer, EM AT 技术激发SH 导波进行检测时虽不需要耦合剂, 但EMA T 转换效率较低,

21、 特别是在长距离检测中进入材料中的声波能量有限, 检测灵敏度随换能器与检测对像表面距离增大而迅速降低。Lam b 导波在高频(2MH z 时有较高的检测分辨力, 但检测距离较小, 在低频(如50kH z 低阶S0模态利用穿透法对搭接焊缝的钢板层析成像距离达到了8m, 但对腐蚀区域的检测能力有限。为了对大尺度焊接结构板中较小缺陷用导波进行长距离成像检测, 本文所用到的SH 导波换能器由笔者自行设计研制, 采用1MH z 主频, 带宽较宽, 能接收到9. 5m m 厚钢板表面上相当于检测距离12m 处、长35mm 深2. 5m m 的刻槽回波。本实验系统用于兰 成 渝输油管线兰州输油站石油储罐的焊

22、接结构底板成像检测, 取得了较好的效果。11 12105 结 论本文以工业在役大尺度焊接结构板材检测为背景, 基于合成孔径聚焦, 重点对板中超声SH 导波成像检测进行了研究, 得到以下结论:1 超声SH 导波换能器阵列信号时域信息与频域信息能够互相印证, 阵列信号能形象反映出较多的板材结构与缺陷信息, 有助于解释声波与缺陷间的相互作用。2 合成孔径聚焦用于板中超声SH 导波成像检测是可行的, 聚焦信号比单换能器信号有大幅度增强, 合成孔径阵列信号时空域信息合成方法能够有效用于板中SH 导波信号处理及成像。3 超声SH 导波图像能反映检测区域声场特点, 能够有效表征材料中的缺陷信息, 该方法为进

23、一图7 超声SH 导波合成孔径聚焦成像步开展工业在役大尺度焊接结构板材缺陷成像检测和健康监测提供了基础。本文采用了线形阵列形式。板中导波环形阵列、稀疏阵列等布阵形式以及非接触方法用于孔、槽等规则人工缺陷成像检测研究也有了一定进展, 但检测距离较小。在实现缺陷定位的同时, 缺陷在图像上表征为一定的尺寸当量大小5 9参考文献 (References1Drin kw ater B W ,Wilcox P D.Ultras on ic arrays forNDT &Enon des tru ctive evaluation :2A review J ., 由于导波频散I nternationa

24、l , 2006, 39:525 541.杨奕, 陈以方, 付德永. 超声相控阵用于无损检测的一种新方法J. 传感器世界, 2003, 5:5 8.YAN Yi, CH EN Yifang, FU Deyong. A new m ethod of phased array ultrasonic us ed in NDT J . Sensor W or ld , 2003, 5:5 8. (in Chin eseM ichaels J E, M ich aels T E. Guided w ave signal process ing an d im age fusion for in situ

25、 damage localization in plates J. e M 44: 特性等原因, 特别在对大尺度结构进行长距离导波检测时, 不同性质缺陷的形态或形貌等信息仅通过图像还不能较好地判定或识别。此外, 本文研究还存在其他需要深入研究解决的问题, 如图像横向分3692 4 清 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 K im K , Eom H . U l t rasoni c N DE discrim inat ion wit h t he gradient descent alg orit h m an d SA FT image process ing J . N DT &a

26、mp; E Int er nati onal , 2009, 42: 250 259. 9 2011, 51( 5 Jhang K Y , Shin M J, Lim B O . A pplicat ion of t he laser gen erat ed focu sed Lamb w ave f or non cont act imaging of def ect s in pl at e J . Ul tr asoni cs , 2006, 44( 12 : 1265 1268. 5 M ichael s J E, M ich aels T E. Enhanced dif ferent

27、 ial m et hods f or guided wave phased ar ray imaging usin g spat ially di st ribut ed piez oelect ric transdu cers J . AIP Conf Pr oc , 2006, 820( 3 : 837 844. 10 冯若. 超声手册 M . 南京: 南京大学出版社, 1999. FEN G N u o. U lt rasonics H andb ook M . N anjing: N an jing U ni versit y Press , 1999. ( in Chinese 11 刘广文, 陈次昌. 立式储罐在线检测技术与研究进展 J . 油 气储运, 2009, 28( 9 : 1 4. LIU G uangw en, CH EN Cich ang. S tudy and progress of on line inspect ion t echnolog