基于圆柱体缺陷构件的超声探伤重构研究*

吴其洲，李　雅，陈友兴，任阳山，王召巴

（1.中北大学信息与通信工程学院，太原　030051；2.海军青岛航保修理厂，山东　青岛　266071）



基于圆柱体缺陷构件的超声探伤重构研究*

吴其洲1，李雅1，陈友兴1，任阳山2，王召巴1

（1.中北大学信息与通信工程学院，太原030051；2.海军青岛航保修理厂，山东青岛266071）

摘要：圆柱体构件中非轴对称人造缺陷偏心圆孔的超声探伤一直是无损检测的难点。基于脉冲反射原理设计超声实验平台，根据检测回波信号判定偏心圆孔缺陷所呈现的特征。在实验研究基础上，针对声场在圆柱体工件内部的传播情况，根据惠更斯原理以圆柱体为发射声源，基于k-wave仿真工具箱建立仿真平台，并利用声学传感器接收声波信号，设计的仿真平台能够实现360°同时刻采集工件的发射信号，同时利用传播过程中声压强弱的变化构建声场模型。根据采集的信号采用逆时反演重构模型，直观可视化地重构了内部缺陷的位置形状信息。

关键词：偏心孔缺陷，超声探伤，逆时反演重构，声学传感器

0　引言

针对偏心圆孔人造缺陷的无损检测，探头处发射的超声波在缺陷位置被反射后，经过超声波探伤仪转化为电信号接收，根据信号幅值所体现的声压强弱分布特性，可以对缺陷的位置和类型进行准确定位识别。但由于其缺陷位置的非轴对称性，所以超声探伤过程中缺陷位置产生的散射波较难采集。根据反射定律，有效采集超声信号需要对探头的位置以及发射角度进行精确研究，才可以得到理想的回波信号。对于单收单发检测原理，在实际检测过程中很多干扰因素也会产生的噪声，影响缺陷信号的识别。因此计算超声学的仿真应用可以有效避免噪声干扰源，有效提取缺陷信号［1］。近些年仿真计算过程中，误差不断缩小，与现实的超声检测工作愈发贴合。对于许多复杂情况而言，计算超声学声场研究可以弥补实验的不足之处，消除各种干扰因素对测量结果的影响。

1　声波传播理论

1.1波动方程

超声波在非均匀介质中传播的非齐次波动方程为：

声压全场p（r）可以分为散射场ps（r）与入射场p0（r）两部分和的形式：

p0（r）满足方程式，散射场满足。

散射区域可以看成是散射点的阵列，利用格林函数G（r-r'），可以将声波入射时的散射场表示为

式（3）为第一类Fredholm积分方程，表明声场声压可以用点源散射的叠加形式来表示。

1.2散射场的离散化

由于格林函数在二维的情况下可以用零阶第一类Hankel函数来表示，根据Hankel函数离散化的性质得：（4）

根据上述原理对散射场方程加以离散化，声场声压结果为：

2　实验平台及设计原理

本文在水侵式超声脉冲反射探伤原理的基础上，设计喷水超声检测平台，实验信号转化采集过程如图1所示。检测平台可以对圆柱体工件实现360°旋转探伤，检测其内部缺陷产生的回波信号，判断其位置、大小和形状特性［5-6］。

图1　实验信号流程

如图2所示，将单收单发的超声探头设置在喷水口下方，通过前后、左右、上下三轴关节调节，使探头发射超声波可以准确地通过水打到工件上。根据涅斯尔反射定律，调整探头使其正对圆柱体圆心，可以有效地接收反射回波信号。360°旋转工件实现圆柱体全方位的数据采集。由于人造缺陷是规则的偏心圆柱孔，所以前后移动采集到的数据一样。图3为偏心圆孔缺陷工件。图4为本文利用其中一组数据绘制的B扫图，图中缺陷回波信号在极近区最为明显，在极远区能量减弱，其他区域由于散射因素，探头没有有效地接收到回波信号。根据极近区和极远区缺陷回波信号的变化趋势可以判断缺陷在极近区和极远区的形状呈圆弧形，这与偏心孔的设置相符合，通过这一规律可以大体判断回波信号呈现此变化趋势时缺陷呈现圆弧形状。在实际超声检测过程中，由于偏心圆孔的非轴对称性，如图4所示，除了极近区和极远区正对圆孔区域可以接受到明显的缺陷脉冲反射信号外，探头在其他区域发射到缺陷的超声波会发生散射不利于探头接收缺陷回波信号。

图2　喷水超声实验平台

图3　偏心圆孔工件图

图4　实验结果B扫图

3　仿真平台

3.1k-wave仿真工具简介

k-wave是MATLAB中一个工具箱，它基于k-space伪谱时域仿真方法模拟超声波与光声波的传播。k-wave中利用一阶耦合方程而不是相应的二阶波动方程有几个优点。首先，对声场中每点的声压和速度在交错网格上计算，充分提高了精度。第二，利用各向异性完全匹配层（PML）吸收声波在计算区域的边缘效应，消除边缘干扰。第三，提供了一种直观的方式，通过质量和力量来源的离散方程，以向量组的形式直接显式每点粒子速度和声强度［7-8］。k-wave工具箱利用k-space伪谱法充分减少所需的网格点数量，并结合第二部分的声波传播理论，对超声场检测圆柱体过程的传播进行了精确模拟［9］，研究了其声场声压分布模型。

3.2仿真原理

由于实际实验中散射因素的影响，不能够完整地呈现缺陷360°的回波信号，本文在原有设计理论基础上，利用k-wave工具箱设计了超声检测的仿真平台，图6为根据图5实际构件尺寸设计的仿真平台。本文根据惠更斯原理，突破采集回波信号检测的传统界限，直接以圆柱体被测工件作为声源，围绕工件等角度设定360个传感器接收点，直接接收工件的发射超声波，判断其内部情况［10-12］。根据这一仿真平台设计采集到的仿真信号如图7所示。由于每个角度都有传感器，可以接受到不同角度散射信号，所以通过仿真可以实现缺陷发射信号的全方位成像结果，采集到的数据更完整，有利于后期的反演重构。

图5　构件尺寸及声波传播路径

图6　偏心圆孔仿真平台

图7　仿真结果B扫图

3.3缺陷仿真重构

基于k-wave工具箱的逆时反演重构模型，对传感器接收到的信号进行逆时重构，最终得到圆柱体工件的重构结果如图8所示，从成像结果可以明显看出传感器个数对重构结果的影响。传感器个数越多采集到散射声波信息越多，缺陷部分的重构结果就越明显。

4　结论

针对圆柱体内部偏心圆孔的B扫成像图可看出缺陷的波形，在近孔区采集到的信号能量最强，在远孔区能量变弱，且缺陷回波信号能量都集中在正对偏心圆孔的极近区和极远区。其他区域由于探头位置不在偏心圆孔半径线上，反射回波大部分散射到其他区域，未被探头接收。针对实验单探头单收单发无法全面接收散射信号这一情况，本文采用声场模型，建立仿真平台，在圆柱体周围设置360个传感器，同时接受散射信号，实现缺陷信号的采集，为缺陷重构提供数据支撑，并利用逆时反演重构模型实现了圆孔的定位和形状识别。

图8　逆时反演仿真重构结果

参考文献：

［1］孟凡凯.水下超声波检测声场数值模拟与实验分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

［2］COX B T，TREEBY B E. Effect of sensor directionality on photoacoustic imaging：a study using the k-Wave Toolbox［C］// Proc. of SPIE，2010，7564：75640I1-75640I6.

［3］TREEBY B E，COX B T. K-Wave：a MATLAB toolbox for the simulation and reconstruction of photoacoustic wave-fields ［J］.Biomed. Opt.，2010，15（2）：0213141-02131412.

［4］COX B T，KARA S，ARRIDGE S R，et al. K-space propagation models for acoustically heterogeneous media：application to biomedical photoacoustics［J］.Acoust. Soc. Am，2007，121 （40），3453-3464.

［5］郑钢丰.柱状杆结构中的逆散射理论与缺陷形状重构［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，2011：155-160.

［6］王浩全.超声成像检测方法的研究与实现［M］.北京：国防工业出版社，2011：93-102.

［7］BRADLEY E T，JIRI J. Modeling nonlinear ultrasound propagation inheterogeneo us media with power law absorption using a k-space pseudospectral method［J］.Acoust. Soc. Am，2012，131（6）：4324-4336.

［8］BLACKSTOCK D T. Generalized burgers equation for plane waves［J］.Acoust. Soc. Am，1985，77：2050-2053.

［9］TREEBY B E，COX B T. Modeling power law absorption and dispersion for acoustic propagation using the fractional Laplacian［J］.Acoust. Soc. Am，2010，127：2741-2748.

［10］PRIEUR F，HOLM S. Nonlinear acoustic wave equations with fractional loss operators［J］.Acoust. Soc. Am，2011，130：1125-1132.

［11］BERENGER J P. Three-dimensional perfectly matched layer for theabsorption of electromagnetic waves［J］.Comput. Phys，1996，127：363-379.

［12］《超声波探伤》编写组.超声波探伤［M］.北京：电力工业出版社，1980.

Research of Based on Circular Hole Defect Eccentric Ultrasonic Flaw Detection Reconstruction

WU Qi-zhou1，LI Ya1，CHEN You-xing1，Ren Yang-shan2，WANG Zhao-ba1
（1. School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2. Navy Maritime Security Repair Factory，Qingdao 266071，China）

Abstract：Because the non axisymmetric artificial defects of eccentric circular hole has been a difficult point of the nondestructive inspecting of ultrasonic flaw detection，in this paper，based on the design of ultrasonic pulse reflection principle experiment platform，the detection of echo signal to determine characteristic of eccentric circle hole defect are presented. On the basis of experimental research，to solve the problem of the spread of the acoustic field inside the cylinder workpiece，according to Huygens principle to the cylinder for emission source，simulation platform which is based on k - wave simulation toolbox，and by using acoustic sensor receiving acoustic signal，the design of simulation platform can achieve 360 degrees emission collection of artifacts with time signal，at the same time using the change of sound pressure in the process of the weak acoustic field model is constructed. According to the collected signals and inverse reconstruction model，the position of internal defects of shape information is reconstructed.

Key words：eccentric hole defects，ultrasonic testing，reverse time reconstruction，acoustic sensor

中图分类号：TP391.9；TB553.8

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）05-0170-03

收稿日期：2015-04-09修回日期：2015-05-07

*基金项目：国家自然科学基金（61201412）；山西省科技攻关项目（20110321029）；山西省青年科技研究基金资助项目（2012021011-5）

作者简介：吴其洲（1978-），男，江苏泗阳人，博士研究生。研究方向：信号与信息处理。