應(yīng)用超聲干涉特征識(shí)別微小缺陷

沙正驍 曾甘露 梁 菁 陸銘慧 何方成 陸傳雨

(1 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 北京 100095)

(2 南昌航空大學(xué) 南昌 330063)

(3 航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100095)

(4 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100095)

0 引言

隨著金屬材料制造水平的提高，航空飛行器中的合金材料性能提升巨大，同時(shí)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也越發(fā)嚴(yán)格，材料內(nèi)部允許存在的微小缺陷，如微夾雜、微氣孔、微裂紋等的當(dāng)量尺寸越來(lái)越小，這給無(wú)損檢測(cè)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。超聲檢測(cè)是常用的無(wú)損檢測(cè)方法，具有靈敏度高、高效、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)超聲脈沖反射法存在諸多限制，當(dāng)待測(cè)工件厚度較大、缺陷微小時(shí)，缺陷的底波幅值低，極易使得小缺陷波信號(hào)湮沒(méi)在噪聲中。針對(duì)微小缺陷的超聲識(shí)別遇到的困難，本文開(kāi)展了以下研究：一是研究聲波經(jīng)過(guò)微小缺陷后的傳播規(guī)律；二是改進(jìn)和發(fā)展新的超聲檢測(cè)技術(shù)。

前人對(duì)于微小缺陷的超聲檢測(cè)進(jìn)行了理論和實(shí)踐研究。Rose 等[1]對(duì)超聲波在金屬材料內(nèi)部的傳播和散射作用進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。楊辰龍等[2]對(duì)含微小缺陷金屬材料超聲脈沖反射信號(hào)的成分進(jìn)行分析，建立了基于散射聲場(chǎng)與高斯底波理論的優(yōu)化超聲底波模型。Zhong等[3]通過(guò)對(duì)梁結(jié)構(gòu)的振型數(shù)據(jù)使用小波變換和振型曲率的方法進(jìn)行了微小缺陷識(shí)別。劉述煌[4]采用超聲動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)和時(shí)間反轉(zhuǎn)自適應(yīng)聚焦技術(shù)成功檢測(cè)出φ0.4 mm 平底孔，信噪比可達(dá)6 dB 以上。林起本等[5]在Zhong 的研究成果基礎(chǔ)上，提出了基于離散小波變換和移動(dòng)質(zhì)量法對(duì)板梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行微小缺陷識(shí)別。王少軍等[6]用超聲散射法成功檢測(cè)φ0.1 mm 的微小缺陷及埋藏深度1 mm 的近表面缺陷。唐曉明等[7]提出波形干涉法，利用管波和地層波干涉來(lái)調(diào)制陣列波數(shù)據(jù)。Pacheco 等[8]根據(jù)激勵(lì)點(diǎn)和接收點(diǎn)位置，給出了散射波對(duì)散射介質(zhì)特性、尾波觀察時(shí)間等微小缺陷敏感性的解析式。張濤等[9]提出介質(zhì)散射形成的尾波由于多次經(jīng)過(guò)缺陷，比入射波更易發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的微小變化。趙元明等[10]簡(jiǎn)要介紹了尾波干涉理論，并搭建數(shù)值仿真平臺(tái)，反演了微小缺陷的大小、形狀和位置分布。

本文研究了入射波與微小缺陷散射波的干涉機(jī)理，利用有限元仿真方法對(duì)超聲波經(jīng)過(guò)微小缺陷時(shí)的聲場(chǎng)變化以及波形變化進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)制作了6 塊鋁合金微小缺陷試樣，利用超聲特征掃描成像系統(tǒng)對(duì)鋁合金試樣全面掃查，采集包含干涉特性的完整底波，進(jìn)行底波尾部波列特征成像，成功檢出所有預(yù)置的平底孔缺陷。

1 入射波與缺陷散射波的干涉理論

如在一球坐標(biāo)系rθφ，θ= 0 是z軸，坐標(biāo)原點(diǎn)存在一個(gè)半徑為r的圓形小缺陷，一列沿z軸正方向傳播的平面入射波入射到微小缺陷表面，并以缺陷為二級(jí)聲源向四周輻射球面聲波，球面波在缺陷周?chē)B加形成“散射波”[11]，微小缺陷的散射波聲場(chǎng)表示為球面波的疊加。

圖1 圓形小缺陷處的散射Fig.1 Scattering from small circular defects

入射平面波可以寫(xiě)成

式(1)中，k為波數(shù)。

散射波為Pr，總聲場(chǎng)為P=Pi+Pr。在球坐標(biāo)系下，入射波展開(kāi)為多個(gè)球函數(shù)的級(jí)數(shù)，表示為

式(2)中，l為球函數(shù)的階數(shù)，P0～Pl為球函數(shù)0～l階的聲壓，jl為l階貝塞爾函數(shù)。

散射波公式為

式(3)中，hl為l階球漢克函數(shù)。

其遠(yuǎn)場(chǎng)解為

因遠(yuǎn)場(chǎng)具有平面波的性質(zhì)，遠(yuǎn)場(chǎng)散射波聲強(qiáng)可以寫(xiě)成

式(5)中，I0=|P0|2/(2ρ0c)是入射波聲強(qiáng)，D是散射波的指向性，為待定系數(shù)。

以原點(diǎn)為中心，在近似球面的小缺陷上對(duì)上述聲強(qiáng)公式積分，得到總散射功率：

當(dāng)頻率很低、kr0很小時(shí)，散射總功率很小，與(kr0)4成正比[12]。這個(gè)結(jié)論對(duì)其他形狀的散射物也適用。頻率增加，散射總功率增大，高頻時(shí)趨于缺陷截面積入射功率的兩倍。所以為了加大散射總功率，在滿足反射波能量要求和控制衰減的前提下，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加大超聲探頭的發(fā)射頻率。

當(dāng)kr0?1時(shí)，可得平均散射功率的近似式為

當(dāng)kr0?1時(shí)，有

當(dāng)入射波頻率很小或者微小缺陷尺寸很小時(shí)，平均散射功率對(duì)比平均入射功率占比很小[13]，隨著頻率和微小缺陷尺寸的減小，平均散射功率呈指數(shù)形式下降。這結(jié)果表明，在微小缺陷識(shí)別時(shí)，當(dāng)超聲激勵(lì)頻率過(guò)低、超聲波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于微小缺陷尺寸時(shí)，微小缺陷對(duì)入射波的影響較小，大部分入射波會(huì)直接繞過(guò)缺陷向前傳播。當(dāng)發(fā)射頻率較高、入射波波長(zhǎng)較短時(shí)，散射波將分成兩部分[14]，一部分跟隨入射波前進(jìn)，作為一種相干波與入射波發(fā)生干涉作用增強(qiáng)或者減弱，另一部分改變方向，向與入射波相反的方向傳播。

2 仿真研究

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為了研究超聲波在微小缺陷處的干涉現(xiàn)象，本文利用有限元仿真軟件對(duì)內(nèi)部含有微小缺陷的試樣進(jìn)行了仿真。其中，試樣的尺寸為40 mm×20 mm，缺陷埋深為30 mm。此外，為確定缺陷尺寸對(duì)干涉現(xiàn)象的影響，本文分別設(shè)置了4 種對(duì)比試樣并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，它們分別為1 號(hào)試樣，無(wú)缺陷；2 號(hào)試樣，內(nèi)部含有尺寸為0.1 mm×1.6 mm 的微小缺陷；3 號(hào)試樣，內(nèi)部含有尺寸為0.2 mm×1.6 mm 的微小缺陷；4 號(hào)試樣，內(nèi)部含有尺寸為0.3 mm×1.6 mm 的微小缺陷。接著，在軟件材料庫(kù)中將母材屬性設(shè)置為7075 鋁合金，缺陷屬性設(shè)置為空氣。試樣的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 仿真試樣Fig.2 Sample model

為了模擬超聲波在真實(shí)試樣中的傳播情況，本文將試樣的下邊界設(shè)置為自由邊界，以觀察聲波在底面的反射情況。同時(shí)，為了防止側(cè)壁中的反射底波對(duì)接收波形的干擾，將其設(shè)置為低反射邊界。其中，自由邊界就如同介質(zhì)的邊界一樣，對(duì)聲波具有全反射作用。而低反射邊界則更類(lèi)似于吸收層，對(duì)聲波具有吸收效果。

為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常，仿真中的最大網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于聲波波長(zhǎng)的1/5。在本文中，由于超聲探頭的激勵(lì)頻率為10 MHz，超聲波在7075 鋁合金中的聲速為6300 m/s，因此，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.1 mm。在上邊界的指定位置處設(shè)置激勵(lì)源，其中，激勵(lì)源的波形為高斯調(diào)制的余弦波函數(shù)。其表達(dá)式如下：

式(8)中，f為激勵(lì)信號(hào)頻率，t為信號(hào)傳播時(shí)間，激勵(lì)信號(hào)的波形圖如圖3所示。

圖3 激勵(lì)信號(hào)圖Fig.3 Excitation signal diagram

對(duì)于厚度為40 mm的鋁合金試樣，超聲波在介質(zhì)中的往返時(shí)間約為12.7 μs。為了獲得完整底波信息，設(shè)置求解時(shí)間為16μs。在距試樣上表面0.5 mm處設(shè)置一維截線，用于超聲信號(hào)接收。

2.2 仿真結(jié)果

根據(jù)上文中參數(shù)進(jìn)行有限元仿真，獲得的瞬態(tài)應(yīng)力云圖如圖4所示。圖中色標(biāo)表示介質(zhì)中不同位置處的聲波能量，顯然，由多條紅綠色長(zhǎng)帶構(gòu)成的條紋是超聲脈沖信號(hào)。

圖4中的4 幅圖分別描繪了超聲脈沖信號(hào)在傳播至φ0.1 mm微小缺陷前后的聲場(chǎng)分布情況?？梢钥闯?，入射波傳播至φ0.1 mm 缺陷時(shí)，大部分波繞過(guò)微小缺陷繼續(xù)向前傳播。同時(shí)，由惠更斯-菲涅耳原理可知，入射波作用于微小缺陷上，使其成為了一個(gè)二級(jí)聲源，產(chǎn)生了向四周傳播的球面散射波。由于微小缺陷產(chǎn)生的散射波與入射波相位相反，因此，散射波會(huì)與入射波產(chǎn)生干涉相消現(xiàn)象，具體過(guò)程如圖4(b)～(d)中紅色方框內(nèi)所示。

由于散射波對(duì)入射波尾部的干涉現(xiàn)象，入射波尾部波列產(chǎn)生了畸變，因此可以通過(guò)入射波的尾部波列來(lái)表征散射波與入射波的干涉情況。此外，對(duì)比圖4(c)和圖4(d)可看出，隨著聲波傳播距離增大，聲波能量持續(xù)衰減，干涉作用效果減弱。各試樣在一維截線處接收的信號(hào)時(shí)域波形如圖5所示。

圖4 2 號(hào)試樣內(nèi)部瞬態(tài)應(yīng)力圖Fig.4 Internal transient stress diagram of No.2 sample

圖5(a)為16 μs內(nèi)接收到的完整波形圖，圖5(b)為接收到的底波尾部波列(圖5(a)中黑色框線框選中位置)的波形放大圖。由圖5(b)中可看出，無(wú)缺陷試樣底波尾部波形較為平滑，而另外3 種缺陷試樣的底波尾波受散射波干涉的影響，尾部波列的波峰幅值都發(fā)生了變化。通過(guò)對(duì)圖5(b)中框選的波形進(jìn)行分析，得到在t= 13.6 μs 時(shí)，1 號(hào)試樣接收到的底波尾部波峰幅值為157.4 μm；而2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)有缺陷試樣接收到的底波尾部波峰幅值依次降低0.42 μm、1.25 μm、3.14 μm。這一結(jié)果表明，散射波干涉作用會(huì)引起底波尾部波列幅值變化，且變化幅度與缺陷尺寸相關(guān)，缺陷尺寸越大，幅值變化越大。

圖5 一維截線處的信號(hào)時(shí)域波形Fig.5 Time-domain waveform at the receiving end

仿真結(jié)果表明，超聲波經(jīng)過(guò)微小缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生散射波與入射波的干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致底波尾部波列幅值降低，說(shuō)明以底波尾部波列作為特征參量對(duì)材料內(nèi)部存在的微小缺陷進(jìn)行成像識(shí)別是可行的。

3 超聲特征掃描成像實(shí)驗(yàn)

3.1 試樣設(shè)計(jì)制作

7075 鋁合金具有良好的聲學(xué)性能和深度鉆孔性能。因此，本文利用其設(shè)計(jì)并制作了小厚度和大厚度的缺陷試樣各3 塊。小厚度試樣用于測(cè)試干涉法對(duì)于近表面微小缺陷的檢測(cè)能力，其厚度分別為5 mm、10 mm、20 mm。大厚度試樣則用于測(cè)試干涉法對(duì)試樣中埋深較大的微小缺陷的檢測(cè)能力，其厚度分別為40 mm、60 mm、80 mm。值得注意的是，在大厚度試樣中，厚度為40 mm和80 mm 的試樣為圓柱體設(shè)計(jì)，其余試樣為長(zhǎng)方體設(shè)計(jì)。試樣缺陷分布如圖6所示。具體參數(shù)如表1所示。

圖6 試樣缺陷分布設(shè)計(jì)圖(單位: mm)Fig.6 Defect distribution design diagram of sample(Unit: mm)

表1 試樣具體參數(shù)Table 1 specific parameters of sample

3.2 特征掃描成像實(shí)驗(yàn)

本文采用超聲特征掃描成像系統(tǒng)(F-scan)對(duì)上述試樣進(jìn)行檢測(cè)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于全波列采集完整的超聲回波，并根據(jù)有無(wú)缺陷處的波形特征差異進(jìn)行成像。實(shí)驗(yàn)采用5077超聲發(fā)射接收儀進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和接收，探頭選用頻率為10 MHz 的水浸聚焦直探頭。試樣厚度為5～80 mm，跨度較大，為達(dá)到最佳檢測(cè)效果，根據(jù)試樣厚度的不同，使用了4個(gè)不同晶片尺寸和焦距的探頭。探頭參數(shù)如表2所示。

表2 探頭具體參數(shù)Table 2 Specific parameters of probe

為了保證探頭能量能聚焦到缺陷位置，獲得較好的成像效果，需要計(jì)算水層厚度，計(jì)算公式為

式(9)中，L為試樣的厚度，c2和c3分別為水和鋁合金材料中的聲速。

以5 mm厚度試樣為例，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：將試樣平整地?cái)[放在超聲水浸系統(tǒng)的水槽中，從表2可知，5 mm 厚度試樣的檢測(cè)應(yīng)選擇1 號(hào)探頭，按公式(9)計(jì)算得到水層厚度為15.3 mm。打開(kāi)超聲脈沖發(fā)射接收儀，設(shè)置發(fā)射電壓400 V 和激勵(lì)頻率10 MHz，同時(shí)調(diào)節(jié)增益使得底波尾部波列與噪聲的信噪比達(dá)到最佳。掃查步進(jìn)設(shè)為0.2 mm，掃查速度設(shè)為30 mm/s，為確保掃查范圍覆蓋整個(gè)試樣，掃查范圍設(shè)置為90 mm×90 mm。掃查完成后，框選底波尾部波列進(jìn)行成像。

3.3 成像結(jié)果與分析

小厚度試樣灰度成像如圖7所示。從圖7(a)～(c)可看出，試樣中的無(wú)缺陷區(qū)域灰度值較低，底波尾部波列幅值較高；而有缺陷區(qū)域，灰度值較高，底波尾部波列幅值較低；由灰度差異構(gòu)成的圖像將孔徑為φ0.1 mm～φ0.4 mm 的微小缺陷顯現(xiàn)出來(lái)，且隨著試樣厚度增大，缺陷圖像有被放大的趨勢(shì)；5 mm 試樣中的兩個(gè)相距1 mm、φ0.2 mm 缺陷可以清晰分辨，而10 mm、20 mm試樣中相距1 mm的φ0.2 mm 缺陷圖像發(fā)生重疊，無(wú)法清晰分辨。因此，以底波尾部波列為特征參量進(jìn)行成像，能夠有效檢出不同埋深的近表面缺陷，且當(dāng)缺陷埋深小于5 mm 時(shí)，能夠有效分辨相距1 mm、φ0.2 mm 的相鄰平底孔微缺陷。

圖7 小厚度試樣灰度成像圖Fig.7 The gray scale image of small thickness sample

大厚度試樣灰度成像如圖8所示。從圖8可以看出，與小厚度試樣相比，大厚度試樣成像效果更差，因此將整體成像灰度值調(diào)高，從而提高對(duì)比度，使缺陷顯示更清晰。試樣厚度較大時(shí)，側(cè)壁干涉會(huì)引起試樣側(cè)壁附近的底波尾部波列幅值降低，灰度值變大，調(diào)高整體成像灰度值后，側(cè)壁附近部分影像缺失。由于缺陷位置不在側(cè)壁附近，受側(cè)壁干涉的影響小，不會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。由圖8可知，大厚度試樣中孔徑為φ0.1 mm～φ0.4 mm 的微小缺陷均可用干涉成像法檢出，隨著試樣厚度增大，缺陷的放大作用更加明顯，且缺陷周?chē)霈F(xiàn)明顯的干涉條紋。分析認(rèn)為產(chǎn)生缺陷放大現(xiàn)象的原因有二：一是大厚度試樣檢測(cè)使用的探頭晶片尺寸較大，對(duì)微小缺陷有放大作用；二是散射波與底波尾部波列的干涉作用引起微小缺陷圖像的放大，且隨著厚度增大，超聲波的擴(kuò)散作用使得缺陷的放大得到加強(qiáng)。

圖8 大厚度試樣灰度成像圖Fig.8 The gray scale image of big thickness sample

本文選擇5 mm 試樣的時(shí)域波形圖分析近表面缺陷對(duì)底波尾部波列的影響，選擇80 mm 試樣的時(shí)域波形圖分析大厚度工件中埋深較大的微缺陷對(duì)底波尾部波列的影響。80 mm 試樣的厚度較大，全波列采集界面波至一次底波的完整波形會(huì)造成底波波列壓縮，導(dǎo)致底波尾部波列無(wú)法被框選，故只采集底波尾部波列。5 mm 和80 mm 試樣的時(shí)域波形如圖9所示。

圖9 時(shí)域波形圖Fig.9 Time domain waveform

從圖9可看出，5 mm和80 mm試樣中的φ0.1 mm～φ0.4 mm 缺陷處的底波尾部波列幅值對(duì)比無(wú)缺陷處有所下降，且80 mm 試樣的底波尾部波列下降幅度更小，原因是隨著試樣厚度增大，散射波的衰減增大，散射波干涉作用減弱，所以大厚度試樣的底波尾部波列下降幅度更小。對(duì)比φ0.1 mm～φ0.4 mm 缺陷處的底波尾部波列幅值可知，底波尾部波列幅值大體上隨缺陷尺寸的增大而減小，這一結(jié)果與仿真結(jié)果相符。從圖9(b)可看出，無(wú)缺陷處的底波尾部較為平滑，而有缺陷處的底波尾部存在明顯的“尾波干涉”現(xiàn)象，加劇了底波尾部的波形震蕩，這一現(xiàn)象佐證了散射波干涉理論的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文首先結(jié)合散射波干涉理論與有限元仿真方法，研究了超聲波遇到微小缺陷后的聲場(chǎng)和波形變化規(guī)律。設(shè)計(jì)了多個(gè)鋁合金微小缺陷試樣，利用底波尾部波列幅值特征進(jìn)行灰度成像，得出以下結(jié)論：

(1)有限元仿真結(jié)果表明，微小缺陷處的散射波和底波(或入射波)尾部波列的干涉作用會(huì)使得底波(或入射波)尾部波列幅值發(fā)生變化，變化幅度隨缺陷尺寸增大而增大，以底波尾部波列作為特征參量對(duì)微小缺陷進(jìn)行成像識(shí)別具有可行性。

(2)超聲特征掃描成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以底波尾部波列作為特征參量的成像方法可有效識(shí)別埋深5～80 mm、φ0.1 mm 微小缺陷，且該方法對(duì)微小缺陷的圖像具有放大作用。當(dāng)缺陷埋深小于5 mm時(shí)，干涉法成像能夠有效區(qū)分橫向間距1 mm、φ0.2 mm的相鄰缺陷。