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(河海大學(xué) 物流網(wǎng)工程學(xué)院，常州 213022)

基于Barker碼的一發(fā)兩收超聲TOFD技術(shù)在檢測(cè)傾斜裂紋中的應(yīng)用

王鵬，韓慶邦，姜學(xué)平，鄭豪，許洲琛

(河海大學(xué) 物流網(wǎng)工程學(xué)院，常州 213022)

在傳統(tǒng)超聲TOFD技術(shù)的基礎(chǔ)上，將Barker碼激勵(lì)與一發(fā)兩收TOFD技術(shù)結(jié)合起來，根據(jù)兩個(gè)接收探頭接收聲波的聲程差，準(zhǔn)確定位裂紋的兩個(gè)端點(diǎn)，進(jìn)而定量地檢測(cè)傾斜裂紋。有限元仿真結(jié)果表明，基于Barker碼匹配壓縮后的衍射回波信號(hào)的精度可達(dá)到0.01 μs，檢測(cè)傾斜裂紋角度的平均誤差為1.62°。

無損檢測(cè)；超聲衍射時(shí)差法；傾斜裂紋；巴克碼激勵(lì)

傳統(tǒng)的超聲衍射時(shí)差技術(shù)TOFD[1-2](Time of Flight Diffraction) 能精確地定量檢測(cè)焊縫中的垂直裂紋，但檢測(cè)傾斜裂紋時(shí)會(huì)帶來誤差[3]，難以有效檢測(cè)斜裂紋。

HOSEINI[4]基于超聲B掃提出一種改進(jìn)型RATT(Relative Arrival Time Technique),其能夠定量檢測(cè)傾斜裂紋的長(zhǎng)度與角度，但該技術(shù)僅限于檢測(cè)工件底部開口斜裂紋，難以定量檢測(cè)閉口斜裂紋。陳婷婷[5]提出TOFD_LWE(Locating with Ellipses of TOFD)技術(shù)，即雙橢圓超聲TOFD定位技術(shù)，可以檢測(cè)工件內(nèi)部斜裂紋的角度，但并未給出解析解，也沒有進(jìn)一步地驗(yàn)證該方法的可行性及效率?？颠_(dá)[6]利用兩次B掃間隔、編碼器移動(dòng)的距離差及傾斜裂紋之間的幾何關(guān)系,定量檢測(cè)裂紋傾斜角度與長(zhǎng)度，但該方法需借助超聲B掃。

針對(duì)焊縫內(nèi)部?jī)A斜裂紋定量檢測(cè)的問題，筆者提出一種一發(fā)兩收超聲TOFD技術(shù)。該技術(shù)通過處理兩個(gè)接收陣元的聲程聲時(shí)差，可準(zhǔn)確獲知傾斜裂紋上、下端點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而確定其長(zhǎng)度及角度；但在計(jì)算裂紋端點(diǎn)坐標(biāo)中，需對(duì)聲速進(jìn)行平方(詳見1.1中的推導(dǎo))。故，其對(duì)時(shí)間精度的要求很高，很小的時(shí)間誤差就可能引起較大的檢測(cè)誤差，難以進(jìn)行有效的檢測(cè)。為解決時(shí)間精度問題，筆者在一發(fā)兩收超聲TOFD中引入Barker碼激勵(lì)[7]。Barker激勵(lì)最先應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)[8]，由于其能顯著提高檢測(cè)距離與檢測(cè)精度，而逐漸應(yīng)用于超聲無損檢測(cè)[9]與超聲診斷中[7]。叢森等[10]將脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用于超聲TOFD檢測(cè)中，對(duì)具有槽類裂紋的鋼板進(jìn)行了檢測(cè)，并與常規(guī)的超聲TOFD檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，在較低的激勵(lì)電壓與系統(tǒng)增益下，實(shí)現(xiàn)了較高的檢測(cè)信噪比及分辨率。

筆者將Barker碼激勵(lì)與一發(fā)兩收TOFD技術(shù)結(jié)合起來，無需超聲B掃查，就可以有效地定量檢測(cè)焊縫中的傾斜裂紋，減小裂紋不在兩探頭中線上帶來的誤差。仿真結(jié)果表明，該方法能顯著提高時(shí)間精度(達(dá)到0.01 μs)，檢測(cè)傾斜裂紋深度的平均誤差為0.10 mm，長(zhǎng)度的平均誤差為0.24 mm，角度的平均誤差為1.62°。

1 檢測(cè)理論基礎(chǔ)

1.1 一發(fā)兩收超聲TOFD技術(shù)的原理

一發(fā)兩收超聲TOFD技術(shù)的檢測(cè)原理示意如圖1所示。工件表面的發(fā)射陣元與兩個(gè)接收陣元放置在裂紋兩端(非對(duì)稱)；工件內(nèi)部有一個(gè)閉口傾斜裂紋，斜裂紋的長(zhǎng)度為γ，深度為d，與豎直線的夾角為θ。以工件表面水平向右為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向，建立直角坐標(biāo)系，E(xE, 0)為發(fā)射陣元坐標(biāo)，R1(x1, 0)，R2(x2, 0)分別為1，2接收陣元坐標(biāo)，F(xiàn)(xF,yF)為裂紋端點(diǎn)坐標(biāo)。

圖1 一發(fā)兩收超聲TOFD檢測(cè)原理示意

根據(jù)圖1的一發(fā)兩收模式，由聲時(shí)、聲速及聲程之間的關(guān)系可得兩個(gè)獨(dú)立的等式。

式中：t1，t2為R1，R2接收衍射回波的聲時(shí)；c為工件縱波聲速。

基于公式(1)，(2)可得含裂紋端點(diǎn)x向坐標(biāo)的一元二次方程。

式中：

從式(3)中解出xF，即可計(jì)算出裂紋端點(diǎn)的坐標(biāo)：

(5)

式中：

式(5)中xF表達(dá)式的“±”應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取，文中取“+”。重復(fù)上述步驟，即可得到裂紋上、下端點(diǎn)的坐標(biāo)。設(shè)裂紋的上下端點(diǎn)坐標(biāo)分別為Xu(xu,yu),Xb(xb,yb)，裂紋的深度d，角度θ以及長(zhǎng)度γ如式(7)表示。

1.2 Barker碼激勵(lì)原理

Barker碼是最為常見的單次發(fā)射二進(jìn)制編碼[7,9]，目前發(fā)現(xiàn)的Barker碼的最長(zhǎng)長(zhǎng)度是13位，尚未找到更長(zhǎng)的Barker碼[11]。相比其他編碼方式(Golay碼，Chirp信號(hào))，Barker碼為單次發(fā)射，操作最為簡(jiǎn)便。

設(shè)r(t)為發(fā)射陣元輻射的信號(hào)，其由N個(gè)緊連著的子脈沖組成。接收陣元接收的衍射回波為s(t)?；谙嚓P(guān)性原理，二相關(guān)信號(hào)的相位編碼脈沖壓縮過程為接收信號(hào)s(t)與參考信號(hào)r(t)的卷積運(yùn)算:先得到接收信號(hào)與參考信號(hào)的點(diǎn)積，再對(duì)該點(diǎn)積進(jìn)行反傅里葉變換。Barker碼激勵(lì)的脈沖壓縮過程示意如圖2所示。

圖2 Barker碼激勵(lì)脈沖壓縮處理過程示意

2 有限元仿真

根據(jù)實(shí)際檢測(cè)對(duì)象的特征，建立如圖3所示的有限元仿真模型。以模型左下角為原點(diǎn)O，水平向右與豎直向上分別為x、y軸建立直角坐標(biāo)系。模型具體參數(shù)為：長(zhǎng)90 mm，高40 mm；填充材料為鋼，縱波聲速c為5 900 m·s-1；模型網(wǎng)格大小為1.55×10-4m，求解時(shí)間步長(zhǎng)為1.25×10-9s，采樣頻率為50 MHz。模型中，狹長(zhǎng)橢圓形裂紋中心坐標(biāo)為(45 mm,15 mm)，裂紋長(zhǎng)度為6 mm，裂紋與豎直線的夾角分別為-70°,-50°,-30°,-10°,0°,10°,30°,45°,50°,70°。發(fā)射陣元激勵(lì)波形為正弦調(diào)制的5位Barker碼(見圖4)，中心頻率f=5 MHz。

圖3 有限元仿真模型

圖4 正弦調(diào)制的5位Barker碼

3 仿真結(jié)果與分析

文章所討論的僅限于基于縱波的超聲TOFD技術(shù)，因此只考慮工件中的縱波[12]。工件中只存在表面直通波、裂紋上端點(diǎn)衍射波、下端點(diǎn)衍射波和工件底面反射波[13]，根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的由橫波產(chǎn)生的變型波一般都位于底面反射波之后，其影響幾乎可以忽略的結(jié)論，故文章只考慮工件中的縱波。

圖5是斜裂紋與豎直線的夾角θ為45°時(shí)，模型在不同時(shí)刻的聲場(chǎng)圖，可見，圖中可清晰分辨出裂紋上端點(diǎn)衍射波、下端點(diǎn)衍射波以及底面反射波。

圖5 裂紋與豎直線的夾角為45°時(shí)，模型在不同時(shí)刻的聲場(chǎng)圖

圖6 1,2接收陣元接收的聲波信號(hào)

圖6是兩個(gè)接收陣元接收的聲波信號(hào)，圖中表面直通波及底面反射波清晰可見，但是裂紋上端點(diǎn)衍射波與下端點(diǎn)衍射波的幅值極低，幾乎無法分辨而難以進(jìn)行有效的檢測(cè)。圖7是對(duì)接收陣元接收的聲波進(jìn)行脈沖壓縮處理后得到的窄脈沖信號(hào)，其通過匹配濾波器的方式將時(shí)域較長(zhǎng)的信號(hào)壓縮成時(shí)域很窄的脈沖信號(hào)；圖中表面直通波，底面反射波，裂紋上、下端點(diǎn)衍射波均清晰可辨，有用信號(hào)的幅值及時(shí)間分辨率顯著提高，是較理想的檢測(cè)波型。

圖7 經(jīng)脈沖壓縮后的1,2接收陣元接收的聲波信號(hào)

圖8 檢測(cè)的裂紋長(zhǎng)度與設(shè)置長(zhǎng)度的對(duì)比

從圖7可獲得裂紋上端點(diǎn)衍射波到達(dá)兩個(gè)接收陣元的聲時(shí)分別為：t1=9.74 μs,t2=10.99 μs。將模型中的參數(shù)及聲時(shí)代入式(5)，得到裂紋上端點(diǎn)的坐標(biāo)(42.86 mm, 17.13 mm)；同樣地，裂紋下端點(diǎn)坐標(biāo)為(47.11 mm, 12.86 mm)。通過式(7)得到裂紋的信息：裂紋深度d=17.09 mm，長(zhǎng)度γ=6.17 mm，角度θ=46.28°。檢測(cè)參數(shù)與設(shè)置的參數(shù)誤差為：深度誤差ed=0.03 mm，長(zhǎng)度誤差eγ=0.17 mm，角度誤差eθ=1.28°。

圖8是Barker碼激勵(lì)的一發(fā)兩收TOFD檢測(cè)的裂紋長(zhǎng)度與設(shè)置長(zhǎng)度的對(duì)比，最大誤差為0.5 mm，平均誤差0.24 mm；圖9是檢測(cè)的裂紋角度與設(shè)置角度的對(duì)比，最大誤差為3.06°，平均誤差為1.62°；圖10是檢測(cè)裂紋深度與設(shè)置深度的對(duì)比，最大誤差為0.24 mm，平均誤差為0.10 mm。

圖9 檢測(cè)的裂紋角度與設(shè)置角度的對(duì)比

圖10 檢測(cè)的裂紋深度與設(shè)置深度的對(duì)比

根據(jù)圖7，在Barker碼激勵(lì)的一發(fā)兩收TOFD技術(shù)中，斜裂紋上、下端點(diǎn)的衍射回波幅值顯著提高，是較理想的檢測(cè)波型。由圖8～10中的數(shù)據(jù)可知，Barker碼激勵(lì)的一發(fā)兩收TOFD能夠有效地檢測(cè)傾斜裂紋的長(zhǎng)度、深度及角度。

4 結(jié)論

提出基于Barker碼激勵(lì)的一發(fā)兩收超聲TOFD技術(shù)，并用有限元仿真驗(yàn)證了該方法的檢測(cè)能力。仿真結(jié)果表明，該方法能夠較精確地檢測(cè)傾斜裂紋的深度、長(zhǎng)度和角度，檢測(cè)誤差能夠保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。

Barker激勵(lì)結(jié)合一發(fā)兩收TOFD技術(shù)的檢測(cè)范圍(上、下盲區(qū))，檢測(cè)精度有待進(jìn)一步討論。

[1] SILK M G. The transfer of ultrasonic energy in the diffraction technique for crack sizing[J]. Ultrasonics, 1979, 17(3): 113-121.

[2] SILK M G. Changes in ultrasonic defect location and sizing[J]. NDT International, 1987, 20(1): 9-14.

[3] CIORAU P. Critical comments on detection and sizing linear defects by conventional tip-echo diffraction and mode-converted ultrasonic techniques for piping and pressure vessel welds[J]. NDT. The E-Journal of Nondestructive Testing,2006,11(5):1-7.

[4] HOSEINI M R, WANG X, ZUO M J. Modified relative arrival time technique for sizing inclined cracks[J]. Measurement, 2014, 50(50):86-92.

[5] 陳婷婷. 基于超聲TOFD-LWE檢測(cè)方法的缺陷識(shí)別與研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2011.

[6] 康達(dá),張樹瀟,金士杰,等.基于幾何方法的焊縫傾斜裂紋TOFD定量檢測(cè)[J].無損檢測(cè),2016, 38(4):1-5.

[7] ZHANG H, WU S, TA D, et al. Coded excitation of ultrasonic guided waves in long bone fracture assessment[J]. Ultrasonics, 2014, 54(5): 1203-1209.

[8] DE M A, DE N S, HUANG Y, et al. Code design to optimize radar detection performance under accuracy and similarity constraints[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2008, 56(11): 5618-5629.

[9] 周正干, 馬保全, 孫志明,等. 相位編碼脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測(cè)信號(hào)處理中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014, 50(2):48-54.

[10] 叢森, 剛鐵, 張佳瑩,等. LFM激勵(lì)信號(hào)在超聲TOFD檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2015, 36(2):63-66.

[11] NOWICKI A, LITNIEWSKI J, SECOMSKI W, et al. Estimation of ultrasonic attenuation in a bone using coded excitation[J]. Ultrasonics, 2003, 41(8): 615-621.

[12] 宋小春, 王亞午, 涂君,等. 基于超聲衍射時(shí)差法的缺陷檢測(cè)技術(shù)仿真分析[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2015, 34(5):55-58.

[13] BABY S, BALASUBRAMANIAN T, PARDIKAR R J, et al. Time-of-flight diffraction (TOFD) technique for accurate sizing of surfae-breaking cracks[J]. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring, 2003, 45(6): 426-430.

[14] BASKARAN G, BALASUBRAMANIAM K, RRA C L. Shear-wave time of flight diffraction (S-TOFD) technique[J]. NDT & E International, 2006, 39(6): 458-467.

ApplicationofUltrasoincTOFDTechnologywithOneTransmitterandTwoReceiversBasedonBarkerCodeinDetectingInclinedCracks

WANG Peng, HAN Qingbang, JIANG Xueping, ZHENG Hao, XU Zhouchen

(College of Internet of Things Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, China)

This paper combined the Barker code excitation with the modified TOFD with double receivers on the basis of traditional TOFD technique. Based on the travelling times

by the two receivers, the positions of two crack tips were acquired to quantitatively evaluate inclined cracks. FEM simulation results showed that the time resolution of the signal compressed by Barker code excitation could be up to 0.01 μs and the average error of the estimated orientation was 1.62°.

NDT; TOFD; inclined crack; barker code excitation

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0040-04

2017-05-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11574072,11274091);江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(BE2016056)

王鵬(1993-)，男，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)

韓慶邦，hqb0092@163.com

10.11973/wsjc201712009