謝長生，羅曉明，印軍華，王勝輝，彭 博

（1.上海海長驕機(jī)電工程有限公司，上海 201801；2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200333）

PE管的原材料是聚乙烯（PE），是一種高分子有機(jī)合成材料。目前，PE 管是國際上最為成熟的塑料壓力管之一，許多國家把它應(yīng)用于輸水輸氣輸油管道工程中，且發(fā)展迅速，而PE 管焊接質(zhì)量的好壞直接影響到管道系統(tǒng)的安全和壽命。為了安全，必須對PE 管環(huán)焊縫進(jìn)行內(nèi)部缺陷的全面探傷，需要在現(xiàn)場進(jìn)行有效的非破壞性探傷。PE 管焊縫采用超聲波探傷是一個方便有效的方法［1］。

在超聲檢測過程中，系統(tǒng)的超聲成像分辨率和探測深度等能力很關(guān)鍵，直接關(guān)系到各類缺陷的檢出能力。超聲檢測系統(tǒng)中的接收動態(tài)濾波器模塊對超聲成像的圖像分辨率和探測深度等參數(shù)有著較大的影響。普通工業(yè)探傷超聲波檢測儀器中不采用動態(tài)濾波器，或者有的采用了動態(tài)濾波器，但沒有考慮到PE探傷情況下的超聲接收回波特性匹配，造成接收回波能量弱，或不能充分利用高頻回波的成像分辨率高的特性，造成探測深度和成像分辨率參數(shù)指標(biāo)難以提高。為了提高超聲波PE 探傷的缺陷檢出能力，筆者對檢測系統(tǒng)中的動態(tài)濾波器進(jìn)行了設(shè)計。

1 超聲探測深度和PE 管超聲檢測中的聲衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播，隨著距離的增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象稱為超聲波衰減。引起超聲波衰減的主要原因有聲波的擴(kuò)散衰減、介質(zhì)吸收衰減和晶粒散射衰減。

聲波的擴(kuò)散衰減是超聲波在傳播過程中，由于聲速的擴(kuò)散，使超聲波的能量隨距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象。超聲波的擴(kuò)散衰減僅取決于波陣面的形狀，和介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。平面波波陣面是平面，波束不擴(kuò)散。

介質(zhì)吸收衰減是超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)內(nèi)摩擦（粘滯性）和熱傳導(dǎo)引起超聲波衰減，吸收衰減可以用吸收衰減因子αa來描述：

式中：c1為材料的吸收系數(shù)；f為超聲波頻率，頻率越高吸收衰減越嚴(yán)重。

晶粒散射衰減是超聲波在傳播過程中，由于遇到聲阻抗不同的界面產(chǎn)生散亂反射引起衰減的現(xiàn)象。散射衰減與材料的晶粒尺寸、超聲波的頻率密切相關(guān)，當(dāng)材料的晶粒粗大時，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上引起草狀回波，使A 掃描信號信噪比下降，嚴(yán)重時噪聲會湮沒缺陷波，影響探傷效果［2］。

在PE 管熱熔焊縫中，散射衰減可用散射衰減系數(shù)αs來描述，其主要與超聲波的波長λ和晶粒尺寸大小d有關(guān)，具體為：

式中：C2，C3，C4為材料散射系數(shù)；F為材料的各向異性因子。

從式中看出，當(dāng)晶粒尺寸d一定時，f越大，散射衰減越大，雜波越高。

PE、有機(jī)玻璃、聚楓、20 鋼的聲波衰減系數(shù)依次分別為0.684，0.506，0.434，0.063dB／mm，從中可以看出聚乙烯材料的衰減系數(shù)較大，因此在探傷PE管時可以選擇較低的頻率探傷。

因此，如果要提高超聲的探測深度，相應(yīng)的采用低頻進(jìn)行超聲成像。其中低頻包括發(fā)射頻率和接收匹配濾波器的頻率。對于固定的發(fā)射頻率，可以調(diào)節(jié)接收匹配濾波器的中心頻率來改變超聲的探測深度能力［3］。

2 空間分辨率和其確定因素

2.1 橫向分辨率

超聲波傳播時是隨距離發(fā)散的，波束形成是采用電子聚焦的方法，即通過變換各個換能器通道的相位（或改變時間）來實現(xiàn)聚焦。焦點(diǎn)處的波束寬度，即側(cè)向分辨率可表示為：

式中：D為換能器的發(fā)射孔徑（上式的結(jié)果為理想結(jié)果，沒有考慮換能器的波束指向性）；λ為發(fā)射脈沖的波長；R為焦點(diǎn)深度。

因此，提高發(fā)射脈沖的頻率和發(fā)射孔徑，可以提高波束的橫向分辨率。

2.2 縱向分辨率

縱向分辨率是指沿著超聲波束軸線方向上可區(qū)分的兩個點(diǎn)的最小距離。當(dāng)脈沖持續(xù)時間很短時，其縱向分辨率δ主要由脈沖持續(xù)時間τ和聲速c來決定，而脈沖持續(xù)時間τ是由脈沖個數(shù)n和脈沖頻率f決定的，

所以，縱向分辨率是和發(fā)射脈沖的頻率即波長有關(guān)。發(fā)射頻率越高，縱向分辨率也越高［2］。

3 動態(tài)濾波器原理

超聲在PE材料中的衰減主要有吸收衰減和散射衰減，衰減幅度不僅與超聲的傳輸距離有關(guān)，還與超聲信號的頻率有關(guān)。

可以用動態(tài)濾波器對不同頻率衰減進(jìn)行補(bǔ)償。在聲場的近場，回波頻率成分主要集中在頻帶的高端，隨著探測深度的增加，回波頻率成分逐漸向頻帶的低端偏移。這是因為隨著深度的增加，高頻成分的衰減要比低頻成分的衰減大。為了獲得探測深度內(nèi)最佳分辨率的聲圖像，動態(tài)濾波器對接收回波信號在材料表面通帶集中在中高頻，材料深部通帶集中在低頻。

動態(tài)濾波器實質(zhì)上是一組隨時間變化、取不同中心頻率的帶通濾波器，它一方面對頻率進(jìn)行補(bǔ)償，另一方面還起到匹配濾波器的作用。

動態(tài)濾波器的設(shè)計可以通過改變帶通濾波器的截止頻率，得到一組帶通濾波器系數(shù)。例如對于3.5 MHz的中心頻率，利用下面的公式可以得到一組濾波器的截止頻率。

式中：fL為下截止頻率；fH為上截止頻率；α為一個系數(shù)，可以調(diào)節(jié)濾波器之間的間隔；i為不同的深度，其取值范圍為1～64，隨著檢測深度的增加i增加，取值為1時代表待測材料表面，取值為64時代表待測材料最深處。對每組截止頻率，可以采用固定階數(shù)的FIR 濾波器來實現(xiàn)［4］。

4 動態(tài)濾波器設(shè)計

匹配濾波用32 階FIR 濾波器實現(xiàn)，濾波器參數(shù)采用海明窗口法設(shè)計，計算公式如下：

式中：ωc為帶寬；ω0為中心頻率；n為－15.5～＋15.5。

32個匹配濾波系數(shù)具有偶對稱性：

令a0＝h（0.5），a1＝h（1.5），a2＝h（2.5），a3＝h（3.5）……a15＝h（15.5），

對應(yīng)一種歸一化發(fā)射頻率ωT的動態(tài)濾波器包含64種匹配濾波器，這64種匹配濾波器的中心頻率ω0和帶寬ωc按規(guī)律變化：

對于低頻探頭：

對于高頻探頭：

歸一化發(fā)射頻率ωT是指實際發(fā)射角頻率與32 MHz系統(tǒng)時鐘頻率的比值。對于3.5 MHz發(fā)射頻率，第17 組匹配濾波系數(shù)的頻率特性如圖1所示。

圖1 動態(tài)濾波器的頻率特性

當(dāng)發(fā)射頻率是3.5MHz時。從近場的3.5 MHz向遠(yuǎn)場的2.6MHz過渡，如圖2所示。

圖2 針對發(fā)射頻率3.5MHz的動態(tài)濾波器波形

當(dāng)發(fā)射頻率是4MHz的時候，動態(tài)濾波器的各個深度的FIR濾波器的中心頻率是從近場的4MHz向遠(yuǎn)場的3MHz逐漸過渡，如圖3所示。

圖3 針對發(fā)射頻率4 MHz的動態(tài)濾波器波形

當(dāng)發(fā)射頻率是5 MHz時，從近場的5.3 MHz向遠(yuǎn)場的4 MHz過渡，如圖4所示。

圖4 針對發(fā)射頻率5 MHz的動態(tài)濾波器波形

當(dāng)發(fā)射頻率是7.5 MHz時，從近場的8 MHz向遠(yuǎn)場的5.5 MHz過渡，如圖5所示。

圖5 針對發(fā)射頻率7.5 MHz的動態(tài)濾波器波形

5 實際應(yīng)用

為了分析動態(tài)濾波器的設(shè)計效果，首先做了一個PE測試試塊，如圖6所示。

圖6 用于測試的PE試塊

在PE測試試塊上鉆孔，孔直徑1.2mm，共分4行，每行6個孔洞。孔洞深度距離表面分別為：0.5，1.5，2.5，3.5cm［5］。

橫向6個孔，可用來驗證超聲波掃描成像的分辨率。4行孔可用來測試超聲波的檢測深度。通過不同深度上的檢測圖像，就可以看出使用動態(tài)濾波器和不使用動態(tài)濾波器對圖像質(zhì)量（分辨率和缺陷亮度）的影響，以及不同動態(tài)濾波器參數(shù)設(shè)置之間的差異。

用超聲相控陣系統(tǒng)對PE 試塊進(jìn)行超聲B 掃描成像。由于孔洞深度不是很深，故選擇發(fā)射頻率7.5MHz。為了驗證匹配濾波器的效果，列出4種測試情況，分別是：①使用中心頻率7.5MHz的固定濾波器。②中心頻率5.5MHz的固定濾波器。③中心頻率從7.5 MHz逐漸過渡到6 MHz的動態(tài)濾波器。④中心頻率從7.5MHz到5.5MHz的動態(tài)濾波器。

檢測結(jié)果分別對應(yīng)于圖7中的從左到右的4列圖像。

圖7 使用動態(tài)濾波器與固定濾波器檢測圖像效果比較

（1）使用中心頻率7.5 MHz的固定濾波器，雖然近場的空間分辨率好，但2.5cm 處的孔洞很難看清楚，如圖7（a）所示。

（2）使用中心頻率5.5 MHz的固定濾波器，雖然能看清楚2.5cm 處的孔洞，但近場的空間分辨率變差了，如圖7（b）所示。

（3）中心頻率從7.5MHz逐漸過渡到5.5MHz的動態(tài)濾波器，近場的空間分辨率好，并且也可以看到2.5cm 處的孔洞，如圖7（c）所示。

（4）中心頻率從7.5 MHz逐漸過渡到6 MHz的動態(tài)濾波器，探測深度雖不及中心頻率從7.5 MHz到5.5MHz的動態(tài)濾波器，但遠(yuǎn)場的空間分辨率相對要好一些，也是可供選擇的動態(tài)濾波器設(shè)置，如圖7（d）所示。

實際工程中，使用的是中心頻率從7.5MHz到5.5 MHz的動態(tài)濾波器，因為，PE 材料的聲衰減較大，希望獲得好的探傷深度能力。

6 結(jié)論

在PE管道焊接缺陷超聲相控陣檢測項目的實施過程中，通過在超聲相控陣檢測系統(tǒng)中設(shè)計一個針對PE 材料聲特性的接收動態(tài)濾波器模塊，提高了超聲掃查成像性能（提高了圖像空間分辨率、超聲波探測深度等指標(biāo)），從而提高了缺陷的檢測能力。結(jié)果應(yīng)用到相應(yīng)的超聲相控陣產(chǎn)品和工程實踐中，取得了滿意的效果。

［1］梅勝.PE管應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀及前景分析［J］.廣州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，3（3）：226－280.

［2］馮若.超聲手冊［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1999.

［3］周盛，李仙琴，王曉春，等.全數(shù)字B超動態(tài)濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2010，29（3），418－421.

［4］伍士添.醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備原理設(shè)計應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2012.

［5］丁守寶，郭偉燦，鄭津洋，等.聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測［J］.無損檢測，2008，30（5）：267－270.