李雄兵， 胡宏偉， 倪培君， 童林軍

（1. 中南大學(xué)CAD/CAM研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3. 中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315103）

超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的一種重要手段[1]，而超聲探頭是超聲波發(fā)射和回波接收器件，作為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)檢測(cè)設(shè)備和工藝確定后，探頭的選擇便成為確保檢測(cè)質(zhì)量的最主要因素，探頭的性能要求直接制約著整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的性能[2]。

探頭的聲場(chǎng)特性是探頭向周圍介質(zhì)輻射聲能的分布情況，該特性直接影響到超聲探傷的結(jié)果?，F(xiàn)有的超聲探頭的聲場(chǎng)特性測(cè)量方法比較多，其中水聽(tīng)器法和球靶法是最為常用的兩種測(cè)定方法[3]。水聽(tīng)器法的精度及實(shí)時(shí)性較好，技術(shù)也比較成熟。但它必須盡可能是線性、寬帶和無(wú)方向性的，且水聽(tīng)器的特性會(huì)影響測(cè)量結(jié)果[4]。本文是利用探頭掃描球靶反射體，通過(guò)C掃描圖像將探頭聲場(chǎng)可視化，在此基礎(chǔ)提取其聲場(chǎng)特性。

1 探頭聲場(chǎng)的特性參數(shù)

超聲聲場(chǎng)的空間分布是由超聲檢測(cè)探頭的輻射特性及空間傳播特性決定的。對(duì)均勻傳播空間，輻射聲場(chǎng)的空間分布與探頭的輻射頻率、輻射孔徑及輻射結(jié)構(gòu)有關(guān)。探頭一旦確定，它的聲場(chǎng)空間分布也就確定了。如圖1所示，表征探頭的聲場(chǎng)特性的主要有三個(gè)參數(shù)[5]：近場(chǎng)長(zhǎng)度N、孔徑大小d和聲束半擴(kuò)散角ψ。近場(chǎng)長(zhǎng)度為聲源距離最后一個(gè)聲壓最大值處的大??；孔徑大小是晶片輻射的有效直徑，由橫過(guò)探頭中心部分低于平均回波響應(yīng)-6dB所測(cè)得的聲壓尺寸；聲束半擴(kuò)散角指在遠(yuǎn)離近遠(yuǎn)場(chǎng)過(guò)渡區(qū)的聲束偏離中心線的角度。

圖1 超聲探頭聲場(chǎng)特性參數(shù)

2 聲場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化

本文采用的聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，首先調(diào)節(jié)探頭和球靶處于共軸狀態(tài)，并將兩者水程距置于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試距離，使該處的反射聲壓為最大值；調(diào)節(jié)探頭沿軸線向球靶移動(dòng)直到給定距離，按探頭的標(biāo)稱頻率及晶片直徑，計(jì)算軸向和橫向掃查長(zhǎng)度、掃查間距，并按照所需聲場(chǎng)精度設(shè)定掃查間距，采用弓字形掃查，并實(shí)時(shí)采集超聲A波數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別球靶的表面波提取其峰值，采用調(diào)色板及可視化技術(shù)將聲場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，獲得超聲C掃描圖像。

圖2 球靶法聲場(chǎng)測(cè)量的系統(tǒng)組成

超聲C掃描成像就是把球靶回波的峰值轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的顏色，用不同的顏色填充掃描點(diǎn)位鄰域來(lái)描述其聲場(chǎng)特性。超聲C掃描圖像中最小四邊形的組成單元定義為圖元，其數(shù)學(xué)表示為其中i和 j分別表示掃描點(diǎn)的行號(hào)和列號(hào)，x, y, z為圖元位置信息為四邊形圖元中左上角頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，v為球靶回波的峰值。如圖3所示，聲場(chǎng)的C掃描圖像中的圖元與矩陣中的各元素一一對(duì)應(yīng)，矩陣就成了C掃描圖像在計(jì)算機(jī)程序中的表現(xiàn)形式，對(duì)圖像的處理也可以變成對(duì)這個(gè)矩陣進(jìn)行各種運(yùn)算操作。

3 圖像處理及特征提取

本文給出一種從 C掃描圖像識(shí)別聲場(chǎng)特征的方法，其工作流程如圖4所示，先對(duì)C掃描圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除C掃描圖像中的鋸齒后將其二值化，使聲場(chǎng)從背景中分離開(kāi)來(lái)；接著利用基于邊界元的算法提取聲場(chǎng)的邊緣；最后計(jì)算聲場(chǎng)的特性參數(shù)值，并將測(cè)量結(jié)果用于指導(dǎo)超聲無(wú)損檢測(cè)。

圖4 聲場(chǎng)圖像的處理流程

3.1 預(yù)處理及二值化

由于機(jī)械回程間隙和超聲信號(hào)采集滯后等，使成像圖元和實(shí)際測(cè)試的聲場(chǎng)位置不重合。如果探頭按照弓字形路徑進(jìn)行掃描，采集的信號(hào)會(huì)有滯后，因此有必要對(duì)聲場(chǎng)的C掃描圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除其鋸齒現(xiàn)象。

為了提取聲場(chǎng)的各特征參數(shù)，先得把聲場(chǎng)從C掃描圖像的背景中分離開(kāi)來(lái)。為此，給出聲場(chǎng)閾值v0，對(duì)于圖像中信號(hào)值為v的圖元，其二值化后的信號(hào)值V，有

閾值的大小是確定聲場(chǎng)的依據(jù)，它與被檢球靶的大小及材質(zhì)、探頭的選取、探傷儀器的參數(shù)設(shè)置等因素緊密相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中一般按照超聲標(biāo)準(zhǔn)試塊與半波法進(jìn)行試驗(yàn)確定合適的閾值。

3.2 圖像的邊緣檢測(cè)

輪廓跟蹤算法基于聲場(chǎng)邊界的特征，即探頭聲場(chǎng)圖像經(jīng)過(guò)二值化處理后，聲場(chǎng)邊界圖元與相鄰的外側(cè)圖元的標(biāo)記值是不同的。先找出聲場(chǎng)的第一個(gè)邊界圖元作為初始點(diǎn)，設(shè)定右方位初始跟蹤方向，再對(duì)初始邊界圖元周圍的8個(gè)圖元，從初始跟蹤方向開(kāi)始按逆時(shí)針順序依次判斷是否是邊界圖元，找到后將該圖元設(shè)為當(dāng)前邊界點(diǎn)，然后修改跟蹤方向并對(duì)其周圍圖元繼續(xù)進(jìn)行判斷[6]。邊界跟蹤算法原理如圖5所示，灰色區(qū)域?yàn)槁晥?chǎng)，提取算法描述如下：

Step 1 選取圖像最左上方圖元作為邊界提取初始點(diǎn)，跟蹤初始方向設(shè)定為右方。

Step 2 從初始圖元開(kāi)始沿初始跟蹤方向判別該方向圖元是否為灰色，圖中該方向圖元為灰色，將跟蹤到的圖元作為新的初始點(diǎn)。

Step 3 在原來(lái)的跟蹤方向沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°作為新的跟蹤方向，然后判別該方向上的圖元是否為灰色，不是灰色則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，沿新的方向繼續(xù)判別，直到找到灰色圖元為止。然后將跟蹤方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°作為新的方向。

Step 4 這樣重復(fù)上面的過(guò)程，直到回到最開(kāi)始的初始圖元處，圖像邊緣提取結(jié)束。

圖5 邊界跟蹤算法示意圖

3.3 測(cè)量結(jié)果的應(yīng)用

探頭聲場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果可直接用于指導(dǎo)超聲無(wú)損探傷：以實(shí)測(cè)的孔徑大小作為有效直徑來(lái)代替晶片直徑進(jìn)行 AVG當(dāng)量分析，將有助于提高檢測(cè)精度。探頭掃查速度與孔徑大小也存在一定關(guān)系，探頭的孔徑大小愈大，重復(fù)頻率越高，掃查速度可相應(yīng)提高。水聲程的調(diào)整因根據(jù)實(shí)測(cè)的近場(chǎng)長(zhǎng)度，并保證工件的二次表面回波落在一次底面回波之后，使缺陷大致處于近場(chǎng)距離附近會(huì)有助于提高檢測(cè)靈敏度。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)半擴(kuò)散角大小，對(duì)反射回波信號(hào)根據(jù)缺陷深度進(jìn)行靈敏度補(bǔ)償，提高缺陷的檢測(cè)精度。

4 實(shí)驗(yàn)及分析

作者以GE公司生產(chǎn)的Benchmark系列探頭為例進(jìn)行試驗(yàn)（標(biāo)稱頻率為5MHz、晶片直徑為0.5′平探頭），按照平面掃查路徑規(guī)劃掃描點(diǎn)，徑向掃描點(diǎn)間距為 0.2mm，軸向掃描點(diǎn)間距為0.3mm，掃描面積為500mm×20mm，掃查起始點(diǎn)距離球靶20mm，聲場(chǎng)的C掃描圖像如圖6所示。

圖 6 某探頭的聲場(chǎng)C掃描圖像

采用上述方法對(duì)超聲 C掃描圖像依次進(jìn)行預(yù)處理及二值化、邊緣檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上提取聲場(chǎng)的各參數(shù)，該探頭聲場(chǎng)參數(shù)的實(shí)測(cè)值、理論計(jì)算值及其誤差如表1所示。孔徑大小和半擴(kuò)散角的實(shí)測(cè)值與理論值差距較小，近場(chǎng)長(zhǎng)度理論值盡管與實(shí)測(cè)值相差較多，這主要是由于理論近場(chǎng)長(zhǎng)度計(jì)算是根據(jù)單個(gè)頻率計(jì)算所得，而實(shí)際測(cè)量的近場(chǎng)長(zhǎng)度是脈沖波即多個(gè)頻率在該軸線上的疊加，還與耦合劑等其它因素有關(guān)。

表1 聲場(chǎng)參數(shù)理論值與實(shí)測(cè)值的比較

5 結(jié) 論

本文首先建立超聲探傷的聲場(chǎng)特征參數(shù)體系，采用球靶法對(duì)其聲場(chǎng)進(jìn)行C掃描成像，然后通過(guò)聲圖像處理方法提取各特征參數(shù)，最后根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的聲場(chǎng)參數(shù)來(lái)指導(dǎo)超聲無(wú)損檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明用該方法測(cè)量超聲探頭聲場(chǎng)具有精度較高，穩(wěn)定性好，且容易實(shí)現(xiàn)，可直接用于指導(dǎo)超聲檢測(cè)。

[1]Haase W, Maurer A. Latest development s on industrial ultrasonic testing of aircraft components[C]//Proceedings of the World Conference on Non-Destructive Testing. Montreal, Canada, 2004:225-236.

[2]李家偉, 陳積懋. 無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002. 28-30.

[3]ASTM E 1065-99, Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units [S].

[4]陳恒慶. 超聲波聲場(chǎng)測(cè)定法及其標(biāo)準(zhǔn)[J]. 冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 2003, 41(1): 1-4.

[5]竺科儀. 水浸超聲探頭頻率、聲場(chǎng)特性的分析及測(cè)定研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2006.

[6]李 凌, 周曉軍, 李雄兵. 超聲 C 掃描圖像的缺陷邊緣提取及特征參數(shù)構(gòu)建[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2007,18(15): 1822-1824.