金屬柱狀體工件內(nèi)缺陷超聲檢測的特征分析*

陳友興，吳其洲，劉藺慧，高 捷

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051）

金屬柱狀體工件內(nèi)缺陷超聲檢測的特征分析*

陳友興1，2，吳其洲2，劉藺慧2，高 捷2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051）

超聲技術(shù)是檢測金屬柱狀體工件內(nèi)部缺陷的常用方法，但是在缺陷的重構(gòu)和類型識別方面還缺乏有效的方法。針對超聲檢測金屬柱狀體工件內(nèi)部缺陷的情況，研究單個圓周截面上360°檢測得到回波信號特征的分布規(guī)律。為了深入全面地分析規(guī)律普遍性，采用ansys仿真軟件得出不同情況下仿真回波信號，并經(jīng)證實仿真回波有效；結(jié)合實際的缺陷類型和缺陷回波特點，分析了不同位置圓形、橢圓形、矩形缺陷的仿真回波信號幅值和時間延時的規(guī)律，為進(jìn)一步的缺陷識別和重構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

缺陷檢測，柱狀體，超聲檢測，ansys仿真

Abstract：Ultrasonic technology is a common method to detect the internal defects of metal cylinder.However，there is still a lack of effective methods in the reconstruction and type identification of defects.In order to detect defect in metal cylindrical object more effectively，the circumferential distribution of the echo signal characteristics with 360 degree in one circular cross section is studied.In order to deeply and comprehensively analyze the regularity of the general，ANSYS software is used to simulate the echo signal of different defects，and it is proved being effective.Combining with the actual defect types and defect echo characteristics，the amplitude and time delay of the simulated echo signal with different positions of circular，elliptical and rectangular defects are analyzed，which lays the foundation for subsequent defect recognition and reconstruction.

Key words：defect detecting，cylindrical object，ultrasonic testing，ansys

0 引言

金屬柱狀體工件廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，如汽車的零部件、武器裝備中的彈體以及機(jī)械裝備中的連接軸等。這些工件一般由原料經(jīng)鑄造或溫擠工藝制作成坯料，再經(jīng)其他工藝加工成產(chǎn)品。在坯料制作過程中，由于工藝和原材料的原因會造成產(chǎn)品內(nèi)部存在氣泡、裂紋、夾雜等缺陷，這些缺陷勢必會影響到產(chǎn)品的最終使用，因此，在生產(chǎn)過程中或者產(chǎn)品出廠前需要對其檢測［1-3］。現(xiàn)有的方法主要通過超聲檢測，除了檢測工件內(nèi)部是否存在缺陷外，有些場合還要求對缺陷進(jìn)行類型分類、重構(gòu)和尺寸計算。

關(guān)于柱體內(nèi)缺陷的超聲檢測，在2006年～2012年期間北京工業(yè)大學(xué)采用born近似和Kirchhoff近似開展了方形孔、槽型、圓形孔的缺陷模型的仿真、理論模型和重構(gòu)技術(shù)研究［4-6］，從機(jī)理上看上述的方法只能適用于某種形狀（如圓或方形）的缺陷，并不適用于實際，近年來也沒有見到后續(xù)的報道。浙江大學(xué)針對金屬材料小缺陷，研究了散射模型和缺陷定位技術(shù)［7］。本課題組近幾年來也開展柱狀體聲場仿真、缺陷檢測和重構(gòu)技術(shù)研究［8-10］，k-wave是一種比較新的仿真重構(gòu)方法［11］，但是該方法與前面的born和Kirchhoff近似一樣，是基于模型分析的，實際適用性不強(qiáng)；邊界輪廓線的方法能夠?qū)崿F(xiàn)實際任意形狀缺陷的重構(gòu)，但是邊界的準(zhǔn)確確定是本方法的關(guān)鍵問題［9］；國外近幾年關(guān)于柱狀體方面檢測報道相對較少，主要集中在聲場和傳播特性分析［12-14］；雖然醫(yī)學(xué)重構(gòu)方法可以應(yīng)用于工業(yè)中，但是醫(yī)學(xué)成像也存在不易進(jìn)行缺陷邊界確定和類型識別的問題［15-17］。

1 缺陷回波信號分析

1.1 實際檢測缺陷回波

采用本實驗室自行研制的超聲自動檢測系統(tǒng)［18］，對金屬柱狀體工件進(jìn)行超聲檢測數(shù)據(jù)采集，以圖1的工件為例，直徑100 mm鋁柱狀體，在離中心25 mm處有一個直徑為4 mm的孔缺陷，當(dāng)探頭移動到工件正下方時，探頭不動，工件每旋轉(zhuǎn)1°采集一個回波信號，一圈共采集360個信號。圖1顯示了工件旋轉(zhuǎn)過程中，探頭與缺陷的相對位置變化情況，圖中相對運動中探頭到達(dá)A（B）位置時，聲束遠(yuǎn)方（近方）垂直入射到缺陷表面。圖2是采集一個圓周截面的B掃描圖，圖3是探頭正對缺陷的回波信號。

圖1 工件及檢測示意圖

圖2 一圈檢測回波信號的B掃描圖

圖3 探頭正對缺陷時的檢測回波信號

從圖2可以看出，探頭正對著缺陷時會有較大的缺陷回波信號，隨著探頭的偏移，缺陷回波的幅度和位置也在發(fā)生變化，隨著探頭的偏移角度增大，回波幅值也越來越小直到?jīng)]有，在近端（B位置）附近，回波越來越靠后，在遠(yuǎn)端（A位置）附近，回波越來越靠前。圖2所表現(xiàn)的現(xiàn)象主要是由于探頭發(fā)射和接收回波時存在一定擴(kuò)角度，所以在探頭不是正對缺陷時也會存在缺陷回波，但是在偏離很遠(yuǎn)（角度很大）時，此時理論上的回波信號很小，因此，采集卡是采不到的。一周中缺陷回波的變化規(guī)律與缺陷的形狀、位置、尺寸有關(guān)。

1.2 基于ansys的缺陷回波仿真

ansys是基于有限元分析的計算分析軟件，利用其瞬態(tài)動力學(xué)單元，可以模擬超聲波在傳播過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，從而達(dá)到模擬超聲波傳播過程，并獲取回波信號。圖4是模擬圖1工件得到的仿真回波信號B掃描圖。

圖4 仿真回波信號的B掃描圖

仿真時的網(wǎng)絡(luò)單元長度和時間步長遵循有限元網(wǎng)絡(luò)細(xì)分原則［19］：

式中，L0為網(wǎng)格單元長度，t0為時間步長，cL為聲速，f0為激勵信號的中心頻率。

從圖4的仿真結(jié)果可以看出，本文的方法能夠很好地仿真柱狀體內(nèi)缺陷的超聲檢測，規(guī)律與圖2基本相同。為了進(jìn)一步說明ansys軟件有限元仿真的有效性。下頁圖5列出了實際采集信號和仿真回波信號缺陷特征回波的幅值和時間延時信息，為了方便比較圖5（a）中的仿真信號回波幅值是經(jīng)過比例放大以后的。

從圖5中可以看出，探頭在A位置和B位置附近所得到特征回波的規(guī)律基本一致，不同之處在于，仿真信號在探頭角度偏離比較大時仍然有信號，主要原因是采用有限元仿真時激勵信號是一個點源，沒有方向性。但角度偏離大時，缺陷回波信號很小，不影響與實際信號的對比分析。

圖5 仿真回波信號

2 缺陷回波信號的特征分析

2.1 圓形缺陷回波信號的特征分析

圖6是針對不同位置、直徑為10mm的圓形缺陷采用第1節(jié)的ansys仿真方法得到的回波幅值和時間延時。圖中的4條曲線分別代表缺陷中心與工件中心的距離為0mm、10mm、18mm、20mm時的情況。

圖6 不同位置圓形缺陷的特征分布

由圖6可以看出，對于偏離中心的缺陷，探頭在缺陷近端（圖1的B位置，仿真是以該位置為起始0°）時回波最大，當(dāng)探頭向兩邊移動時，回波幅值會隨著減小，當(dāng)探頭移動到遠(yuǎn)端（圖1的A位置，圖6的180°）時，回波幅值又會出現(xiàn)一個極大值，但是幅值會比0°的小。如果考慮周期性，圖中的曲線以0°、180°偶對稱，回波幅值的谷底在90°和270°處。缺陷偏離中心越遠(yuǎn)，上述的變化規(guī)律越明顯，反之，變化趨勢越趨于平趟，當(dāng)缺陷在正中心時，探頭在任意位置的回波幅值都一樣。

2.2 橢圓形缺陷回波信號的特征分析

由于橢圓是有方向的，本文先按圓形的方法進(jìn)行分析，圖7是3個相同橢圓缺陷（尺寸相同、方向相同，短軸與直徑重合）不同位置一周的探測回波幅值和時間延時曲線。橢圓缺陷的長軸為10 mm，短軸為5 mm。缺陷中心與工件中心的距離分別為 0 mm、10 mm、20 mm。

圖7 離中心不同距離的橢圓形缺陷特征分布

從圖7中可以看出，一圈回波信號幅值規(guī)律與圓形基本一樣，但是幅值的谷底（圖7（b））并不在90°方向，缺陷越偏離中心，谷底越靠近0°方向。缺陷在正中心時，谷底剛好在90°方向，這個結(jié)論似乎不合邏輯，因為中心缺陷的90°方向正是長軸的位置，此時超聲波正對缺陷（曲率最小處）入射，缺陷回波理應(yīng)較高，但卻最低。其實回波除了和入射方向有關(guān)外，還和入射表面有關(guān)，對于橢圓來說，長軸對應(yīng)位置的曲率最小，實際被探頭接收到的反射回波是最少的，因此，其回波沒有想象的那么大。當(dāng)然這里還存在另一個原因，就是1.2節(jié)所述的，采用ansys仿真時由于沒有考慮探頭的方向性，把本來不是正對缺陷處的回波信號也有所加大。

由于橢圓形狀具有方向性，本文還研究了其他位置缺陷的回波情況，圖8（a）所示的位置，圖中橢圓的長軸為5 mm，短軸為2.5 mm，4個缺陷（A、B、C、D）的中心是邊長為10 mm的正方形的頂點，缺陷A的中心與工件A的中心重合。

圖8 不同位置橢圓形缺陷的特征分布

從圖8的4條曲線比較發(fā)現(xiàn)，曲線A、B、C還有一定的規(guī)律，呈一定的對稱性，在0°和180°附近幅值較大，而曲線D就基本上找不出相應(yīng)的規(guī)律。因此，對于橢圓形缺陷的長軸或短軸與工件直徑重合的情況（A、B、C），可以通過一周回波的幅值或時間延時曲線分析其缺陷特征；但對于其他位置（即長軸方向與工件直徑成一定角度）的橢圓形缺陷所呈現(xiàn)的規(guī)律就很復(fù)雜。本課題組將繼續(xù)研究更多位置的缺陷的特征，以分析其規(guī)律性，為氣泡缺陷分析提供更加全面的依據(jù)。

2.3 矩形缺陷回波信號的特征分析

圖9是不同位置正方形缺陷的回波幅值和時間延時分析。正方形缺陷邊長為10 mm，缺陷中心分別距離工件中心0 mm、5 mm、15 mm、20 mm。

圖9 不同位置方形缺陷的特征分布

從圖9中可以看出，當(dāng)探頭正對正方形的邊時，回波幅值最大，并形成一個一個的波峰。從圖9（b）看，遠(yuǎn)端的波峰持續(xù)時間長，近端持續(xù)時間短，但峰值相對較大，這個與圖6圓形缺陷的規(guī)律類似。

圖10是中心長方形缺陷，缺陷長度不同所得到的回波規(guī)律。從圖10可以看出，缺陷回波隨著缺陷長度的增加而增加。

圖10 不同長度矩形缺陷的特征分布

矩形缺陷與橢圓形缺陷類似，也存在方向性，本課題組將繼續(xù)研究更多情況矩形缺陷的特征，為夾雜、裂紋缺陷分析提供更加充分的依據(jù)。

3 結(jié)論

本文針對金屬柱狀體工件內(nèi)部缺陷的超聲檢測回波信號，分析了一個截面360°探頭的回波信號，并通過ansys仿真軟件，分析了不同缺陷形狀、位置的仿真缺陷回波幅值和時間延時的規(guī)律，得出如下結(jié)論：

①不同的缺陷一周的回波信號呈現(xiàn)了不同的規(guī)律，在實際的缺陷檢測中可以利用這一特點對缺陷進(jìn)行分類和缺陷重構(gòu)；

②由于橢圓形和矩形都具有方向性，因此，如果要得到更加全面的缺陷情況，還要作進(jìn)一步的分析，由于超聲是高頻信號，采用ansys仿真時，需要很多的網(wǎng)格和很細(xì)的時間步長，仿真速度慢，又由于本文的分析方法，每種缺陷情況需要仿真360組數(shù)據(jù)，整體仿真速度很慢。如果要得到更加全面、更多類型缺陷的特征分布，還需要課題組長期不懈地仿真和分析。

③采用ansys仿真軟件可以仿真超聲檢測的回波信號，仿真回波信號的規(guī)律與實際缺陷回波的規(guī)律在主要特征分布上是相同的，但由于采用ansys軟件進(jìn)行仿真時，沒有考慮超聲探頭的擴(kuò)散角問題，造成實際沒有反射回波區(qū)域也有反射回波，對于分析復(fù)雜特征缺陷（橢圓、矩形在不同位置、不同角度）規(guī)律性造成一定的影響，因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)該克服這些問題，這也是本課題組進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

［1］戚勵文，金永，王召巴，等.合金彈體棒狀坯料超聲檢測方法研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2009，29（4）：269-272.

［2］金永，王召巴，丁戰(zhàn)陽，等.一種小口徑火箭彈彈頭超聲檢測方法［J］.固體火箭技術(shù)，2010，33（1）：115-118.

［3］陳友興，吳其洲，趙建輝，等.合金火箭彈彈體缺陷超聲自動檢測及信號處理［J］. 固體火箭技術(shù)，2013，36（5）：706-710.

［4］吳斌，鄭鋼豐，何存富.用Kirchhoff近似法對桿中球型缺陷的重構(gòu)［J］. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2007，15（1）：97-103.

［5］吳斌，鄭鋼豐，何存富.用二維逆born近似法對桿中方形缺陷的重構(gòu) ［J］. 北 京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，33（3）：229-234.

［6］鄭鋼豐，吳斌，何存富.用改進(jìn)的Kirchhoff方法重構(gòu)非均勻介質(zhì)中缺陷形狀 ［J］. 壓電與聲光，2012，34（1）：118-120.

［7］葉錢.噪聲背景下金屬材料小缺陷超聲檢測關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2015.

［8］陳友興，席海軍，郭文靜，等.基于多元高斯聲束模型的圓柱體三維聲場仿真［J］.火力與指揮控制，2015，40（6）：140-144.

［9］肖兆騫，陳友興，任陽山，等.基于體繪制的圓柱體構(gòu)件缺陷三維重構(gòu)方法［J］. 火力與指揮控制，2015，40（3）：22-25.

［10］李雅，陳友興，任陽山，等.基于k-wave超聲場時域仿真研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（11）：132-134+139.

［11］BRADLEY E.TREEBY B T，Cox.k-Wave.MATLAB toolbox for the simulation and reconstruction of photoacoustic wave fields［J］.Journal of Biomedical Optics，2010，15（2）：021314（1-12）.

［12］WANG J T，JURG D.Theoretical and numerical calculation of the acoustic radiation force acting on a circular rigid cylinder near a flat wall in a standing wave excitation in an ideal fluid［J］.Ultrasonics，2012（52）：325-332.

［13］LIN C I，LU Y，HE C F.Cylindrical rayleigh surface waves on a layer-coated cylinder measured by PVDF transducer and defocusing measurement method［J］.NDT&E International，2015，（74）：43-49.

［14］RAJAGOPAL P，PATTANAYAK R K.Ultrasonic guided waves in elliptical annular cylinders［J］.Acoust.Soc.Am.，2015，138（3）：EL336-341.

［15］COATRIEUX J L，VELUT J，DILLENSEGER J L，et al.From medical imaging to image-guided therapy［J］.M S-Medecine Sciences，2010，26（12）：1103-1109.

［16］ZADICARIO E，RUDICH S，HAMARNEH G，et al.Image-based motion detection using the concept of weighted directional descriptors［J］.IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine，2010，29（2）：87-94.

［17］WEN Q N，WAN S R，LIU Z L，et al．Ultrasound contrast agents and ultrasound molecular imaging ［J］.J Nanosci Nanoteehn01，2014，14（1）：190-209.

［18］陳自立，陳友興.圓錐形物體超聲自動檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2013，21（11）：2947-2949.

［19］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Ultrasonic Characteristics of Defects in Metal Cylindrical Object

CHEN You-xing，WU Qi-zhou，LIU Lin-hui，GAO Jie
（1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.School of Information&Communication Engineering，Taiyuan 030051，China）

TP23

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.09.035

1002-0640（2017）09-0158-04

2016-08-08

2016-09-19

國家自然科學(xué)基金（61201412）；山西省青年科技研究基金（2012021011-5）；山西省青年學(xué)術(shù)帶頭人計劃資助項目

陳友興（1978- ），男，福建福安人，博士，副教授。研究方向：超聲檢測及信號處理。