基于合成孔径聚焦的超声SH导波成像检测

用于板材质量无损检测的超声导波常有水平剪切(shear horizontal, SH)导波、垂直剪切(shearvertical, 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[2],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。

1　超声SH导波成像检测实验系统及参数

本文设计了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400 V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3 000mm×1000mm×9.5mm,材料为16MnR,制作的人工缺陷A、C、D分别为 10mm、 20mm、 5 mm的通孔,B为3.5 mm×35 mm大小、深2·5 mm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5 mm,主频为1 MHz,带宽在0.2~2 MHz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SH0为主,人工缺陷回波信号主频在0.45MHz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0.5 MHz时各次回波幅度最大,故最佳脉冲激励频率取为0.5 MHz。

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

超声SH导波阵列信号见图4,人工缺陷阵列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A1、A2,经过计算得知A1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,A2由孔A的反射声波被钢板下侧边界反射后形成;孔C信号及其信号簇C1、C2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C1、C2仍清晰可见,孔A信号及A1、A2更加清晰,且A2成为2条平行线簇。