一種用于焊接結(jié)構(gòu)多幀滿秩成像檢測(cè)的超聲SH 導(dǎo)波換能器

朱新杰，李永濤，鄧明晰，姚森

(1.北方民族大學(xué),材料科學(xué)與工程學(xué)院,銀川,750021；2.北方民族大學(xué),機(jī)電工程學(xué)院,銀川,750021；3.重慶大學(xué),航空航天學(xué)院,重慶,400044)

0 序言

焊接結(jié)構(gòu)鋼板廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)械制造、石油化工、航天工程、海洋工程等領(lǐng)域.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)施設(shè)備在加工生產(chǎn)和服役過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)是重要的質(zhì)量評(píng)估手段，超聲波檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)距離遠(yuǎn)、適用范圍廣成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[1].

板中超聲導(dǎo)波主要有蘭姆 (lamb) 波、垂直剪切(shear vertical,SV)波、水平剪切(shear horizontal,SH)波等，其中超聲SH 導(dǎo)波在傳播過(guò)程中引起的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)(位移和速度)都平行于板面，傳播過(guò)程中波型轉(zhuǎn)換較少、檢測(cè)靈敏度高、衰減小，使得SH 導(dǎo)波特別是在焊接板結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，具有波形模態(tài)單一、頻散特性簡(jiǎn)單、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，故而超聲SH 導(dǎo)波更有利于在焊接板結(jié)構(gòu)中進(jìn)行成像檢測(cè).相關(guān)研究也較為深入，如板中超聲SH 導(dǎo)波在傳播中與層狀半空間界面裂紋[2]、管道損傷[3]、板中平行裂縫[4]、焊縫結(jié)構(gòu)[5]、板材邊界[6]、多層周期結(jié)構(gòu)缺陷[7]的散射作用規(guī)律得到了較為深入的研究與揭示，為超聲SH 導(dǎo)波用于板結(jié)構(gòu)檢測(cè)研究與應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)[8-12].

超聲SH 導(dǎo)波換能器中，由于激發(fā)導(dǎo)波物理原理不同，換能器形式較多，如壓電換能器、電磁換能器、激光換能器等，均可激發(fā)SH 導(dǎo)波.其中激發(fā)SH 導(dǎo)波的楔形壓電換能器，可作為陣元構(gòu)建不同陣列對(duì)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲導(dǎo)波陣列成像檢測(cè)[13-18].

利用壓電超聲SH 導(dǎo)波換能器可對(duì)板中夾雜物和焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè)[8,10,14]，可以較好發(fā)揮SH 導(dǎo)波的優(yōu)勢(shì).壓電超聲SH 導(dǎo)波換能器斜楔結(jié)構(gòu)、壓電晶片特性、電聲阻抗匹配等決定著特定模態(tài)SH 導(dǎo)波的激發(fā)與接收性能[19-20].在換能器發(fā)射接收聲波時(shí)，激勵(lì)的聲波一部分進(jìn)入待檢件，另一部分會(huì)在換能器斜楔內(nèi)部形成多重散射回波，增加了內(nèi)部聲場(chǎng)的混亂無(wú)序，對(duì)缺陷回波本征信號(hào)的接收產(chǎn)生極其不利的影響[20].特別是將SH 導(dǎo)波換能器作為陣元構(gòu)建為多種不同形式陣列對(duì)焊接結(jié)構(gòu)板進(jìn)行成像檢測(cè)時(shí)[14,20-22]，會(huì)產(chǎn)生較多偽影，甚至掩蓋缺陷顯示，Li 等人[21]根據(jù)頻率帶寬和空間周期分析了高頻激勵(lì)的導(dǎo)波模式的速度以及探頭與焊縫之間的相對(duì)位置分析時(shí)域波形，提高導(dǎo)波換能器對(duì)缺陷敏感性低的問(wèn)題.洪紅等人[18]基于焊縫特征導(dǎo)波原理，對(duì)壓電換能器結(jié)構(gòu)及參數(shù)分析研究，保證其激勵(lì)模態(tài)的單一性和回波信號(hào)的高反射率.在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)板材進(jìn)行成像檢測(cè)時(shí)，對(duì)作為陣列成像檢測(cè)陣元的壓電換能器提出了更高要求.為提高陣列成像檢測(cè)分辨率，換能器所激勵(lì)導(dǎo)波為單一模態(tài)為宜；為更有效激發(fā)和接收導(dǎo)波，要求換能器具有合適的本征頻率、尺寸和其它相關(guān)參數(shù)要求；為使換能器內(nèi)產(chǎn)生較少的散射雜波(散射回波)，這就要求背襯聲阻抗與楔塊聲阻抗有很好的匹配關(guān)系；為了減緩壓電晶片高頻阻抗下降，可匹配合適電感，以平衡超聲導(dǎo)波換能器的靜電容.可見(jiàn)，在對(duì)焊接板結(jié)構(gòu)進(jìn)行陣列成像檢測(cè)時(shí)，有必要研究結(jié)構(gòu)參數(shù)更加合理的超聲SH 導(dǎo)波楔形壓電換能器.

在壓電晶片特征及尺寸、斜楔結(jié)構(gòu)、背襯吸收層等方面進(jìn)行深入研究，以有效減少換能器內(nèi)部散射回波，以便提高接收信號(hào)的信噪比.運(yùn)用半波長(zhǎng)理論對(duì)超聲SH 導(dǎo)波的激發(fā)進(jìn)行了分析探討，確定了換能器楔塊參數(shù)；根據(jù)多重散射理論對(duì)換能器前楔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了匹配層介質(zhì)顆粒密度與衰減關(guān)系，以確定匹配層介質(zhì)組分；對(duì)平面型前楔結(jié)構(gòu)換能器和非平面型前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)多重散射回波問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，確定了最有效的斜楔結(jié)構(gòu).該研究對(duì)工業(yè)焊接結(jié)構(gòu)板中缺陷檢測(cè)具有一定應(yīng)用價(jià)值.

1 超聲SH 導(dǎo)波換能器激發(fā)與多重散射理論分析

針對(duì)壓電超聲換能器的典型楔形結(jié)構(gòu)，可運(yùn)用半波長(zhǎng)理論對(duì)超聲SH 導(dǎo)波的激發(fā)與傳播進(jìn)行分析探討，以確定換能器楔塊參數(shù).為提高換能器檢測(cè)能力，可運(yùn)用多重散射理論，對(duì)換能器前楔背襯聲匹配層進(jìn)行分析，揭示出匹配層介質(zhì)顆粒密度與衰減關(guān)系，以確定匹配背襯的介質(zhì)組分.

1.1 超聲波基于半波長(zhǎng)理論的SH 導(dǎo)波激勵(lì)

換能器向介質(zhì)中發(fā)射超聲波，由于相鄰介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間彈性作用，一方面會(huì)使振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)回到平衡狀態(tài)，另一方面使未振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始振動(dòng)，這種超聲頻率范圍內(nèi)振動(dòng)即為超聲波.超聲SH 導(dǎo)波，在板內(nèi)SH 導(dǎo)波產(chǎn)生平行于板面方向的振動(dòng)，如圖1 中描述了SH 導(dǎo)波板中的傳播情況，原點(diǎn)O處為一聲源，聲波傳播的方向?yàn)閥,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移方向?yàn)閤方向.SH 波群中的任一模態(tài)導(dǎo)波都可看成體剪切波在上、下表面反射的疊加結(jié)果，波矢量位于(x,y)平面內(nèi)并且在上、下表面滿足自由邊界條件.對(duì)于任何各向同性介質(zhì)，位移場(chǎng)滿足式(1)的Naviers 位移方程.

圖1 SH 波板中傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of the propagation of SH waves in the plate

式中：μ,λ為拉梅常數(shù)；u為位移分量；?2為拉普拉斯算子；t為時(shí)間；ρ為材料密度.對(duì)于超聲SH 導(dǎo)波，通常認(rèn)為只在x方向產(chǎn)生位移矢量，如圖1 所示.

經(jīng)過(guò)解析，壓電換能器所激發(fā)SH 導(dǎo)波在板中產(chǎn)生的面內(nèi)位移x的解可以看作SH 導(dǎo)波乘以一定幅度的疊加，該幅度取決于頻率f，又取決于載荷函數(shù)與SH 導(dǎo)波入射角α，面內(nèi)位移x為

在設(shè)計(jì)換能器時(shí)，除了要考慮所激發(fā)SH 導(dǎo)波模態(tài)、頻率、晶片尺寸以及制作工藝等方面外，還要考慮入射角α即楔塊角度的合理取值與前楔結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì).

1.2 平面型前楔面SH 導(dǎo)波換能器半波長(zhǎng)理論分析

為了獲得聲波模態(tài)單一、信噪比較高的SH 導(dǎo)波換能器，需要對(duì)斜楔角度及其結(jié)構(gòu)、背襯中鎢粉顆粒選取及鎢粉與環(huán)氧樹(shù)脂體積比、半波長(zhǎng)傳播理論(條件)進(jìn)行分析.介質(zhì)中在一定條件下都會(huì)產(chǎn)生具有一定波長(zhǎng)的聲波，超聲導(dǎo)波在物體相對(duì)表面上反射而發(fā)生同相位聲波的疊加，使聲波傳播能量更加集中[19].當(dāng)超聲SH 導(dǎo)波在板中傳播時(shí)，可控制聲波的頻率、波長(zhǎng)，即當(dāng)SH 導(dǎo)波半波長(zhǎng)在y方向投影為板厚整數(shù)倍時(shí)，會(huì)使同相位的聲波發(fā)生疊加產(chǎn)生駐波，從而使聲波傳播能量更加集中.

當(dāng)折射聲波半波長(zhǎng)在y方向的投影為板厚的整數(shù)倍時(shí)，此時(shí)，板中產(chǎn)生不同相諧波數(shù)最少，即板中波包展寬最小，有利于板內(nèi)缺陷信號(hào)分辨.也就是壓電晶片的長(zhǎng)度b等于折射聲波半視波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，有利于聲波能量集中傳播，此時(shí)，SH 導(dǎo)波傳播符合導(dǎo)波半波長(zhǎng)傳播條件，據(jù)此，可求出晶片的長(zhǎng)度[20].

式中：Ka為正整數(shù)常數(shù)；c1為楔塊內(nèi)聲速；c2為板內(nèi)聲速；α為板中聲波入射角；λ為板中導(dǎo)波波長(zhǎng)；b為晶片長(zhǎng)度.相關(guān)參數(shù)如圖2 所示.

圖2 超聲導(dǎo)波換能器和導(dǎo)波在板中的傳播示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic guided wave transducer and propagation of guided waves in the plate

根據(jù)現(xiàn)有可行條件，斜楔可選用黃銅材料，經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算，斜楔角度宜為39.0°～ 43.0°，晶片中心頻率為0.5～ 0.8 MHz，晶片的幾何尺寸為26 mm × 20 mm × 1 mm.超聲SH 導(dǎo)波換能器基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中斜楔后楔面匹配壓電晶片，前楔面匹配背襯.

圖3 SH 導(dǎo)波換能器基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Basic structure diagram of SH guided wave transducer

當(dāng)換能器晶片發(fā)射聲波進(jìn)入待檢測(cè)介質(zhì)的同時(shí)，也會(huì)在換能器楔塊內(nèi)部產(chǎn)生二次以上散射回波，如圖4 所示，換能器內(nèi)部有三重散射回波信號(hào)，這會(huì)嚴(yán)重干擾換能器對(duì)回波信號(hào)的接收，降低換能器的檢測(cè)能力.

圖4 平面型前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部多重散射回波Fig.4 Multiple scattering echo inside the planar frontwedge transducer

為了盡可能減小換能器內(nèi)部多重散射回波，以達(dá)到對(duì)多重散射回波壓縮的目的，需要對(duì)換能器前楔面背襯、斜楔結(jié)構(gòu)(平面型前楔結(jié)構(gòu)、非平面型前楔結(jié)構(gòu))進(jìn)行深入分析.

1.3 換能器前楔背襯多重散射理論分析

為了減少換能器內(nèi)部的多次散射回波，需要在對(duì)斜楔結(jié)構(gòu)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，在前楔面上匹配適當(dāng)聲阻抗的背襯，達(dá)到進(jìn)一步弱化換能器內(nèi)部多重散射回波的目的.針對(duì)平面型前楔結(jié)構(gòu)換能器進(jìn)行分析討論.

根據(jù)多重散射理論[22]，壓電晶片發(fā)射聲波后經(jīng)過(guò)楔塊底面進(jìn)入被檢測(cè)介質(zhì)中，同時(shí)，楔塊底面也會(huì)反射聲波至前楔面產(chǎn)生二次以上散射回波，如圖4 所示，這構(gòu)成了換能器內(nèi)部多重散射回波的主要成分.

換能器內(nèi)部形成的二次散射回波，可表示一次回波的再散射，以此類推，更多重次的散射.在具體實(shí)現(xiàn)上，超聲換能器前楔背襯主要由鎢粉、環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合介質(zhì)組成，考慮復(fù)合介質(zhì)的密度為ρ1,彈性常數(shù)為K1和u1的固體介質(zhì)，其中無(wú)規(guī)則地分布著半徑為r0的顆粒,后者的密度為ρ2，彈性常數(shù)為K2和u2，當(dāng)特定頻率的SH 導(dǎo)波在其中傳播時(shí)，其傳播特性將與復(fù)合介質(zhì)組分的性質(zhì)及配比有關(guān)[23-24].

式中：β為復(fù)合介質(zhì)中的傳播常數(shù)；k1為基質(zhì)介質(zhì)的傳播常數(shù)，k1=ω/ct,ct為基質(zhì)介質(zhì)中的縱波速度；n0為復(fù)合介質(zhì)中單位體積的顆粒的數(shù)目；f(0)，f(π)分別為單個(gè)介質(zhì)顆粒的散射在聲傳播方向和相反方向上的振幅，且有

式中：ρ′≈ρ，β=k1+iαt；ρ為材料密度；ρ′為復(fù)合介質(zhì)密度；αt為衰減系數(shù).為方便計(jì)算，取n=0，即

將式(5)～ 式(7)帶入式(4)可得

由式(8)推導(dǎo)計(jì)算可得

相關(guān)研究表明,介質(zhì)當(dāng)量顆粒數(shù)隨聲衰減呈現(xiàn)先增大后減小的非單調(diào)變化關(guān)系[24].式(9)部分地反映了這種變化關(guān)系,即介質(zhì)顆粒數(shù)與衰減系數(shù)αt三次方成反比,當(dāng)衰減系數(shù)增大時(shí),介質(zhì)顆粒數(shù)減少,與之對(duì)應(yīng)的單位體積密度減小，聲衰減達(dá)到極大值，這也表明可以運(yùn)用特定鎢粉顆粒數(shù)量去控制衰減系數(shù).

楔塊背襯作為衰減層，一般可由鎢粉與環(huán)氧樹(shù)脂混合而成，其體積比大小，決定著n0以至于最終影響到背襯吸收聲波的性能.式(9)表明，n0與衰減系數(shù)αt有關(guān)，同時(shí)n0決定著背襯鎢粉顆粒的密度，可見(jiàn)背襯密度越大，衰減系數(shù)越小，背襯密度越小，衰減系數(shù)越大.背襯聲衰減隨鎢粉與環(huán)氧樹(shù)脂組分比例變化呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)鎢粉與環(huán)氧樹(shù)脂體積比達(dá)到一定值以后，背襯對(duì)聲波衰減也就不再增加[23-25].

根據(jù)以上分析，制作背襯時(shí)選用不同粒度鎢粉進(jìn)行粗細(xì)充分混合，與環(huán)氧樹(shù)脂以0.58 的體積比配制而成，其中鎢粉的組分粒度分別為100，300，3 000 目.

對(duì)匹配背襯后的換能器進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)波形、回波次數(shù)對(duì)比，測(cè)試結(jié)果表明，該換能器配比背襯有較好的吸聲能力.平面型前楔結(jié)構(gòu)匹配背襯前后換能器內(nèi)部多重散射回波如圖5 所示.平面型前楔結(jié)構(gòu)未匹配背襯時(shí)，換能器內(nèi)部有三重散射回波，波形復(fù)雜，如圖5a 所示，一重回波信噪比為23.0 dB，二重散射回波信噪比為18.5 dB，三重散射回波信噪比為15.2 dB，回波較多，不利于探傷時(shí)缺陷信號(hào)的分辨；平面型前楔面匹配背襯后，換能器內(nèi)雜波減小，取得了良好的效果，如圖5b 所示，一重散射回波信噪比為19.0 dB，幅值減小了17.0%，二重散射回波信噪比為10.0 dB，幅值減小了45.9%，三重散射回波信噪比為7.0 dB，幅值減小了53.9%，換能器內(nèi)部多重散射回波幅值得到了很好地抑制，且波形比較清晰，有利于探傷時(shí)對(duì)缺陷的檢測(cè).

圖5 平面型前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部散射回波信號(hào)Fig.5 Internal scattered echo signal of planar front wedge transducer.(a) before matching the transducer with the backing;(b) after matching the transducer with the backing

通過(guò)多重散射分析可知，在前楔面上匹配特定組分背襯后，可有效減少換能器內(nèi)部多重散射回波.

2 超聲SH 導(dǎo)波換能器的多重散射試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步提高換能器檢測(cè)能力，需要盡可能減少換能器內(nèi)部多重散射回波，有必要對(duì)換能器斜楔結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，以達(dá)到對(duì)多重散射回波進(jìn)行壓縮的目的.為此，要通過(guò)多重散射理論分析，進(jìn)一步討論換能器斜楔結(jié)構(gòu)由平面型前楔結(jié)構(gòu)改進(jìn)為非平面型前楔結(jié)構(gòu)的必要性.

當(dāng)換能器晶片發(fā)射聲波進(jìn)入待檢測(cè)介質(zhì)的同時(shí)，也會(huì)在換能器楔塊內(nèi)部產(chǎn)生多次散射回波，可將該散射回波稱為換能器內(nèi)部多重散射回波.為進(jìn)一步減少換能器內(nèi)部多重散射回波，在對(duì)換能器前楔結(jié)構(gòu)匹配適當(dāng)聲匹配層的基礎(chǔ)上，需要對(duì)換能器前楔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析改進(jìn)，以增強(qiáng)換能器接收效果.

2.1 換能器非平面型前楔結(jié)構(gòu)及其多重散射回波

非平面型前楔結(jié)構(gòu)，較為典型的型式有橫槽前楔結(jié)構(gòu)、豎槽前楔結(jié)構(gòu)和正交前楔結(jié)構(gòu)3 種，其“槽形”截面為60° V 形鋸齒槽，槽深為半波長(zhǎng)，如圖6所示.

圖6 換能器前楔面鋸齒槽結(jié)構(gòu)Fig.6 Sawtooth groove structure on the front wedge surface of the transducer

換能器內(nèi)聲波到達(dá)斜楔與被測(cè)工件接觸面后，一部分聲波折射進(jìn)入待檢工件中，一部分聲波反射到前楔面.當(dāng)斜楔為非平面型前楔結(jié)構(gòu)時(shí)，換能器內(nèi)部散射回波會(huì)得到不同程度的衰減，如圖7 所示，其中橫槽前楔結(jié)構(gòu)、豎槽前楔結(jié)構(gòu)對(duì)散射回波衰減不太明顯.相比之下，正交前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部散射回波衰減較為明顯，其二重散射回波、三重散射回波信噪比分別為 8.6，7.7 dB，與平面型前楔結(jié)構(gòu)相比，聲波信號(hào)幅值分別減小了45.9%，49.3%.由此可見(jiàn)，正交前楔結(jié)構(gòu)對(duì)多重散射回波的衰減效果最好.

圖7 無(wú)匹配層時(shí)不同前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部散射回波信號(hào)Fig.7 Internal scattered echo signals of transducers with different front wedge structures without matching layer.(a) transverse groove front wedge structure transducer matched with backing front;(b) vertical groove front wedge structure transducer matched with backing front;(c) orthogonal front wedge structure transducer matched with backing front

無(wú)匹配層時(shí)，正交前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部多重散射回波衰減效果最好，二重以上散射回波幅值減小了45.0%以上.這時(shí)，換能器內(nèi)部散射回波最少，有利于換能器接收檢測(cè)回波信號(hào)，提高換能器接收靈敏度.

2.2 換能器斜楔匹配背襯后多重散射回波的弱化

根據(jù)式(9)表達(dá)的匹配層介質(zhì)密度衰減關(guān)系，在換能器斜楔前楔上匹配背襯，可以減少換能器內(nèi)部不必要的多重散射回波.也就是說(shuō)，在不同非平面型前楔結(jié)構(gòu)上匹配背襯，可達(dá)到進(jìn)一步弱化換能器內(nèi)部二重以上散射回波的目的，以下分別對(duì)不同斜楔前楔結(jié)構(gòu)匹配背襯進(jìn)行分析.

2.2.1 橫槽前楔結(jié)構(gòu)匹配背襯

為了減少換能器內(nèi)部多重散射回波，提高換能器檢測(cè)靈敏度，設(shè)計(jì)了不同前楔結(jié)構(gòu)的V 型槽.首先，在平面型前楔結(jié)構(gòu)換能器的基礎(chǔ)上增加了平行于斜楔前楔面的橫向鋸齒槽，對(duì)換能器內(nèi)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試.如圖8 所示，換能器內(nèi)部多重散射回波次數(shù)基本沒(méi)有變化.但橫槽前楔結(jié)構(gòu)匹配背襯后換能器內(nèi)部三次散射回波幅值均被不同程度壓縮，二重散射回波幅值減小了56.3%，三重散射回波幅值減小了88.1%，其弱化效果要優(yōu)于平面型前楔結(jié)構(gòu)換能器匹配背襯.

圖8 橫槽前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部散射回波信號(hào)Fig.8 Scattered echo signal inside the transducer after matching the front wedge structure of the transverse groove with the backing

2.2.2 豎槽前楔結(jié)構(gòu)匹配背襯

橫槽前楔結(jié)構(gòu)匹配背襯后減少了換能器內(nèi)部多重散射回波.為了確定更為有效的斜楔結(jié)構(gòu)，增加豎槽前楔結(jié)構(gòu)和正交前楔結(jié)構(gòu).豎向鋸齒槽換能器和其匹配背襯后換能器內(nèi)部回波信號(hào)如圖9 所示.圖7b 相比于圖7a，多重散射回波幅值稍微減小，仍不利于導(dǎo)波信號(hào)接收.豎槽前楔結(jié)構(gòu)換能器匹配背襯后，換能器內(nèi)部三重散射回波完全被衰減，二重散射回波幅值減少78.3%，一重散射回波幅值減小了19.8%，效果要明顯優(yōu)于橫槽前楔結(jié)構(gòu)換能器匹配背襯.

圖9 豎槽前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部散射回波信號(hào)Fig.9 Scattered echo signal inside the transducer after matching the vertical groove front wedge structure with the backing

2.2.3 正交前楔結(jié)構(gòu)匹配背襯

研制的正交前楔結(jié)構(gòu)SH 導(dǎo)波換能器如圖10所示，其內(nèi)部多重散射回波和其匹配背襯后換能器內(nèi)部多重散射回波如圖11 所示.圖7c 與圖7a、圖7b 相比，正交前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部二重、三重散射回波幅值壓縮(衰減)效果更加明顯，并且其匹配背襯后三重散射回波幅值完全被壓縮，二重散射回波幅值減小了60.8%，一重散射回波幅值減小了22.6%.

圖10 研制的超聲導(dǎo)波換能器Fig.10 Ultrasonic guided wave transducer

圖11 正交前楔面換能器內(nèi)部散射回波信號(hào)Fig.11 Scattered echo signal inside the transducer after matching the orthogonal front wedge structure with the backing

平面型前楔結(jié)構(gòu)與非平面型前楔結(jié)構(gòu)在匹配背襯后，換能器內(nèi)部多重散射回波幅值大小不一，反映了換能器不同前楔結(jié)構(gòu)對(duì)散射回波的壓縮(衰減)能力不同，但均對(duì)換能器內(nèi)部散射回波有一定的抑制作用，不同前楔結(jié)構(gòu)換能器匹配背襯后，二重散射回波和三重散射回波幅值均呈遞減趨勢(shì).

匹配背襯后，非平面前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部多重散射回波幅值均被壓縮，從圖5b、圖8、圖9 和圖11可知，換能器內(nèi)部二重散射回波幅值均減小50%以上，三重散射回波幅值均減小60%以上.對(duì)于豎槽前楔結(jié)構(gòu)與正交前楔結(jié)構(gòu)而言，豎槽前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部多重散射回波壓縮效果較好，一重散射回波信噪比為16.5 dB，但其波包較寬，不利于相鄰缺陷的檢測(cè).正交前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部一重回波波形清晰，信噪比為18.8 dB，內(nèi)部多重散射回波幅值壓縮幅度最大，有利于檢測(cè)過(guò)程中對(duì)被檢測(cè)介質(zhì)中缺陷回波本征信號(hào)的分辨，提高換能器檢測(cè)靈敏度.

由此可見(jiàn)，正交前楔結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部多重散射回波得到了有效的弱化，正交前楔結(jié)構(gòu)換能器可望用于焊接結(jié)構(gòu)板中超聲導(dǎo)波檢測(cè).

3 超聲SH 導(dǎo)波換能器性能檢測(cè)試驗(yàn)

基于上文，對(duì)正交前楔結(jié)構(gòu)超聲SH 導(dǎo)波換能器性能進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn).試驗(yàn)試件為具有對(duì)接焊縫的鋼板，如圖12 所示，焊接結(jié)構(gòu)鋼板試件尺寸為2 250 mm × 1 000 mm × 4 mm，材質(zhì)為Q345 低合金鋼，人工缺陷 A，B，C，D 分別為φ5 mm，φ8 mm，φ10 mm，φ12 mm 的通孔.

圖12 用于驗(yàn)證換能器檢測(cè)能力的鋼板試樣(mm)Fig.12 Steel plate sample used to verify the detection capability of the transducer

經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)研發(fā)的正交前楔結(jié)構(gòu)超聲SH 導(dǎo)波換能器中心頻率為0.65 MHz，如圖13 所示，經(jīng)過(guò)分析，在試件鋼板中測(cè)得相速度Cp和群速度Cg均為3 231 m/s，所激發(fā)導(dǎo)波為SH0 模態(tài)，試驗(yàn)測(cè)的回波速度與其群速度一致.采用SH 導(dǎo)波換能器對(duì)鋼板缺陷檢測(cè)時(shí)，缺陷回波信號(hào)較為清晰，如圖14 所示.經(jīng)計(jì)算，焊縫回波信號(hào)信噪比為22.0 dB，聲波經(jīng)過(guò)一道對(duì)接焊縫后對(duì)聲程為1.44 m 處φ12 mm孔的缺陷回波信噪比達(dá)到了14.5 dB.

圖13 超聲SH 導(dǎo)波換能器激發(fā)導(dǎo)波信號(hào)的頻譜Fig.13 Spectrum of guided wave signal excited by ultrasonic SH guided wave transducer

圖14 正交前楔面SH 導(dǎo)波換能器對(duì)鋼板內(nèi)缺陷檢測(cè)信號(hào)Fig.14 Detection signal of defects in steel plate by orthogonal front wedge surface SH guided wave transducer

將所研制換能器布置成直線陣列，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)鋼板試件進(jìn)行合成孔徑成像檢測(cè)[21]試驗(yàn)，檢測(cè)圖像如圖15 所示，焊縫由于其尺寸當(dāng)量大，其成像最為清晰；相對(duì)于焊縫來(lái)說(shuō)，φ8 mm 通孔、φ10 mm 通孔、φ12 mm 通孔的尺寸當(dāng)量較小，即使其聲波回波部分被“淹沒(méi)”在焊縫散射中，但其成像均較為清晰；由于陣列的“邊緣效應(yīng)”和板材邊界、焊縫的聲波散射，φ5 mm 通孔略微顯現(xiàn).

對(duì)于超聲導(dǎo)波陣列成像來(lái)說(shuō)，由于陣列的“邊緣效應(yīng)”和板材邊界、焊縫的聲波散射，單幀圖像不足以完整表征成像檢測(cè)區(qū)域，圖15所示的圖像僅為多幀滿秩圖像中的一幀，故焊縫端部顯示欠完整，需要結(jié)合其它幀序圖像聲學(xué)特點(diǎn)在成像算法上進(jìn)行優(yōu)化互補(bǔ)處理，方可顯示完整的焊縫形態(tài).

正交前楔結(jié)構(gòu)SH 導(dǎo)波換能器具有較好的檢測(cè)能力，可望能較好應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)板材的超聲導(dǎo)波成像檢測(cè).

4 結(jié)論

(1)對(duì)用于焊接結(jié)構(gòu)多幀滿秩成像檢測(cè)的超聲SH 導(dǎo)波換能器進(jìn)行了研究.研究表明，正交前楔結(jié)構(gòu)對(duì)換能器內(nèi)部多重散射回波具有較好的壓縮效果，匹配背襯前正交前楔結(jié)構(gòu)使換能器內(nèi)部二重、三重散射回波幅值減小了45.0%以上，一重散射回波幅值減小了13.7%,匹配背襯后正交前楔結(jié)構(gòu)使換能器內(nèi)部三重散射回波幅值完全被壓縮，二重散射回波幅值減小了60.8%，一重散射回波幅值減小了22.6%.正交前楔結(jié)構(gòu)換能器激發(fā)的超聲SH 導(dǎo)波在經(jīng)過(guò)焊接結(jié)構(gòu)板中對(duì)接焊縫后對(duì)聲程為1.44 m、尺寸當(dāng)量為φ12 mm 的缺陷回波信號(hào)信噪比達(dá)到了14.5 dB.

(2)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的有效性，針對(duì)前楔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的多重散射理論可用于研究與改進(jìn)超聲SH 導(dǎo)波換能器，正交前楔結(jié)構(gòu)換能器能較好用于對(duì)焊接結(jié)構(gòu)多幀滿秩成像檢測(cè).