2

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.日本探頭株式會社，橫濱 2320033)

薄板材料由于自身的特性,而被廣泛應(yīng)用于航天、航空、火車、輪船等多個(gè)領(lǐng)域中[1]，但是薄板材料在生產(chǎn)的過程中會出現(xiàn)各種各樣的缺陷[2-3]，例如分層、裂紋等，這就需要用無損檢測技術(shù)來檢測這些缺陷以防止重大事故的發(fā)生。為了對薄板材料進(jìn)行大面積檢測，通常使用水浸超聲或者噴水耦合的方式進(jìn)行C掃描逐點(diǎn)檢測來獲得高精確的檢測結(jié)果，但是該檢測方式成本較高、過程緩慢，對檢測裝置和被測材料的防水性要求較高。雖然還可使用紅外熱成像檢測技術(shù)或聲振檢測技術(shù)對在役情況下的薄板材料進(jìn)行檢測，但是這些檢測方法都存在檢測結(jié)果精度不高的缺點(diǎn)。空氣耦合超聲檢測技術(shù)具有無需耦合劑、無二次污染、可快速檢測等優(yōu)點(diǎn)[4-8]，對薄板材料的檢測有著十分突出的優(yōu)勢。 目前，空氣耦合C掃描檢測只能使用一發(fā)一收穿透式探頭放置在材料兩側(cè)進(jìn)行逐點(diǎn)掃查[9-10]，而實(shí)際在役檢測時(shí)，例如對飛機(jī)蒙皮材料的檢測，只能夠在材料單側(cè)放置探頭，此時(shí)利用空氣耦合超聲技術(shù)結(jié)合蘭姆波的檢測方法可在薄板材料單側(cè)布置探頭，從而進(jìn)行大面積的快速掃描成像檢測。

隨著非接觸空氣耦合超聲換能器和信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，使用超聲蘭姆波法進(jìn)行現(xiàn)場無損檢測也得到了較好的發(fā)展。英國帝國理工大學(xué)的研究人員使用有限元方法和試驗(yàn)研究了金屬板中空氣耦合超聲蘭姆波的傳播特性，采用全局矩陣數(shù)值方法和試驗(yàn)研究了薄板中空氣耦合蘭姆波的激發(fā)與傳播特性。結(jié)果表明，A0模式蘭姆波最容易被激發(fā)和接收,且接收信號具有良好的信噪比。筆者利用空氣耦合超聲探頭在含有缺陷的鋁板同側(cè)激勵(lì)和接收蘭姆波，并進(jìn)行掃查檢測，對接收的信號進(jìn)行連續(xù)小波變換，進(jìn)而得到特定頻率處的包絡(luò)幅值[11]，最后利用包絡(luò)幅值信息成像。結(jié)果表明，該成像結(jié)果具有較高的聚焦性，實(shí)現(xiàn)了一種可行的成像檢測方法。

1 連續(xù)小波變換的基本原理

小波變換是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一門新的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支,該分析方法是一種窗口大小(即窗口總面積)固定，但其窗函數(shù)的時(shí)間窗和頻率窗的尺度形態(tài)都可改變的時(shí)頻局部化分析方法。小波變換可以將一維的時(shí)域信號表征為二維的時(shí)間域和頻率域的信號,同時(shí)還可以將頻域的表征改為一個(gè)域(如尺度域)。小波變換的基本理論是用信號在一簇基函數(shù)形成的空間投影來表征該信號,這一簇函數(shù)是通過基本母子波函數(shù)的不同尺度的伸縮和平移構(gòu)成的,其時(shí)寬和頻寬積很小,且在時(shí)間和空間上很集中。

(1)

式中：Ψa,b(t)為小波函數(shù)或小波基函數(shù)；a和b分別為尺度參數(shù)和平移參數(shù)(a,b∈R,a≠0)；t為時(shí)間。

設(shè)信號f(t)∈L2(R)，則其小波變換可定義為

(2)

式中：a,b和t均為連續(xù)變量；其中〈f(t),ψa,b(t)〉為f(t)和ψa,b(t)的內(nèi)積。

2 試驗(yàn)方法

首先使用基于全局矩陣算法的Disperse軟件計(jì)算得到厚度為2 mm鋁板的頻散曲線(見圖1)。

圖1 厚度為2 mm鋁板的頻散曲線

由圖1(a)可知，隨著頻率的升高，蘭姆波的模態(tài)數(shù)量也隨著增加。當(dāng)頻率低于A1模態(tài)的截止頻率時(shí)，只存在A0和S0兩種模態(tài)。選擇中心頻率為400 kHz的空氣耦合超聲探頭作為蘭姆波激勵(lì)信號源。圖2分析了激勵(lì)頻率為400 kHz時(shí)A0和S0模態(tài)的波結(jié)構(gòu)位移在板中的分布情況。可以看到A0模態(tài)有更大的離面位移，即垂直板方向的振動(dòng)更大，所以A0模態(tài)更適合空氣耦合超聲換能器接收泄漏的蘭姆波信號。

圖2 400 kHz時(shí)A0和S0模態(tài)的波結(jié)構(gòu)位移分布

空氣耦合超聲以空氣為耦合劑，采用斜入射的方法在板中激勵(lì)相應(yīng)的A0模態(tài)蘭姆波，需要滿足折射定律來計(jì)算相應(yīng)的入射角度。

sinθ=c/cp

(3)

式中:θ為聲波入射角度;c為空氣中的聲速;cp為相速度。

聲波在空氣中的速度為340 m/s，由鋁板頻散曲線可知，探頭激勵(lì)頻率為400 kHz時(shí)，對應(yīng)A0模態(tài)的相速度為2 200 m·s-1，群速度為3 105 m·s-1。由式(3)計(jì)算出空氣耦合超聲探頭激勵(lì)A(yù)0模態(tài)沿法線傾斜的入射角度為8.8°。

由于在板中傳播時(shí)蘭姆波會不斷泄漏，所以根據(jù)折射定律可知，蘭姆波從板中泄漏到空氣中的角度與入射角度相同。為了激發(fā)和接收A0模態(tài)的蘭姆波，可采用一發(fā)一收兩個(gè)探頭，使用散射回波或透射回波的檢測方式設(shè)置探頭，設(shè)置方式如圖3所示。

圖3 空氣耦合超聲蘭姆波檢測方法示意

試驗(yàn)裝置由JPR-600C高功率信號發(fā)射接收器、外置信號放大器、計(jì)算機(jī)、掃查架、數(shù)據(jù)采集卡、鋁板和空氣耦合超聲探頭等組成，其中空氣耦合超聲探頭中心頻率為400 kHz，晶片尺寸(長×寬)為14 mm×20 mm。鋁板厚度為2 mm，在鋁板中設(shè)置了一個(gè)長為10 mm，寬為5 mm，深為1 mm的長方形人工缺陷。

因?yàn)樘m姆波具有多模態(tài)的特性，當(dāng)利用A0模式蘭姆波進(jìn)行檢測時(shí)，需要確認(rèn)激勵(lì)出的蘭姆波模態(tài)是否是需要的A0模態(tài)，這在空氣耦合超聲蘭姆波檢測時(shí)是非常必要的。首先，將探頭以透射回波檢測的方式放置，調(diào)整入射角為8.8°，在鋁板同側(cè)對稱擺放。使用信號發(fā)射接收器發(fā)射電壓為180 V(峰峰值)，周期數(shù)為7的矩形脈沖波激勵(lì)空氣耦合超聲探頭，在鋁板中斜入射激勵(lì)蘭姆波。接下來調(diào)整接收探頭的位置，透射回波檢測方式示意如圖4(a)所示，分別在位置A處與位置B處采集信號R1和R2，位置A與位置B之間的距離L為120 mm；接收信號R1和R2的合成結(jié)果如圖4(b)所示。

圖4 透射回波檢測方式示意及接收信號合成結(jié)果

因?yàn)閺奶筋^接收到的時(shí)域信號中無法觀察不同頻率蘭姆波的傳播時(shí)間，所以必須運(yùn)用時(shí)頻分析方法處理時(shí)域信號，才可以達(dá)到一維的時(shí)間信號映射到二維時(shí)間尺度上的效果，從而同時(shí)觀察信號在時(shí)間域和頻率域的信息。采用復(fù)“molet”小波“cmor3-3”的連續(xù)小波變換方法對R1和R2的合成信號進(jìn)行時(shí)頻分析，得到時(shí)頻分析等高線圖如圖5所示。頻率為400 kHz時(shí)的信號包絡(luò)如圖6所示，從圖6可知，頻率為400 kHz的時(shí)域信號最高幅值從位置A處傳播到位置B處的時(shí)間為38 μs。

圖5 時(shí)頻分析等高線圖

圖6 頻率為400 kHz時(shí)的信號包絡(luò)

計(jì)算出頻率為400 kHz的蘭姆波群速度為3 157 m·s-1，與理論群速度3 105 m·s-1相比較，誤差僅為1.6%，由結(jié)果可以確認(rèn)激勵(lì)出了所需的A0模態(tài)蘭姆波。為了進(jìn)一步比較試驗(yàn)結(jié)果，且由于探頭中心頻率為400 kHz,所以提取出200 kHz～600 kHz的時(shí)域包絡(luò)信息，并計(jì)算出對應(yīng)群速度,可得到信號頻率范圍在200 kHz～600 kHz的實(shí)際群速度頻散曲線，將實(shí)際頻散曲線與理論A0群速度頻散曲線對比可知，試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相符合，結(jié)果充分說明激勵(lì)模態(tài)主要為A0模態(tài)蘭姆波。理論群速度與實(shí)際測量出的群速度如圖7所示。

圖7 理論頻散曲線與實(shí)際測量出的群速度

3 成像結(jié)果分析

以缺陷為中心，在待檢測鋁板上按照散射回波方式調(diào)整好探頭，其中發(fā)射探頭與接收探頭間距為40 mm。使用信號發(fā)射接收器發(fā)射電壓為180 V(峰峰值)，周期數(shù)為7的矩形脈沖波激勵(lì)空氣耦合超聲探頭，并使用掃查架控制探頭對鋁板沿y方向進(jìn)行掃查試驗(yàn)，一發(fā)一收蘭姆波掃查鋁板缺陷現(xiàn)場及其操作示意如圖8所示。

圖8 一發(fā)一收蘭姆波掃查鋁板缺陷現(xiàn)場及其操作示意

圖9 探頭在鋁板不同位置處的接收信號

當(dāng)探頭移動(dòng)到覆蓋缺陷的位置時(shí)，蘭姆波在板中傳播遇到缺陷的小部分聲波能量會透射過去，大部分聲波能量會反射回來被接收探頭接收，所以當(dāng)探頭覆蓋缺陷時(shí)，接收到的信號幅值會明顯增大。當(dāng)探頭從完全覆蓋缺陷逐漸移動(dòng)到不覆蓋缺陷的位置時(shí)，接收信號的幅值則逐漸減小，當(dāng)移動(dòng)探頭到完全不覆蓋缺陷的位置時(shí)，接收到的信號則非常微弱。

圖9為探頭距離起點(diǎn)20 mm(不覆蓋缺陷)，以及距離起點(diǎn)45 mm(完全覆蓋缺陷)時(shí)接收到的信號，從中可以看到兩個(gè)接收信號的幅值存在明顯的差異。當(dāng)探頭距離掃查起點(diǎn)20 mm時(shí)，探頭接收到的信號幅值微弱;當(dāng)探頭距離掃查起點(diǎn)45 mm時(shí)，接收信號的幅值明顯增大。所以采用散射回波方式能夠檢測出鋁板中存在的缺陷，同時(shí)也證明了空氣耦合超聲蘭姆波在板中傳播時(shí)具有較強(qiáng)的指向性。

基于蘭姆波指向性較強(qiáng)的傳播特性，可采用缺陷回波幅值對缺陷進(jìn)行成像。為對缺陷進(jìn)行圖像重構(gòu)，將探頭以步進(jìn)1 mm沿著y方向?qū)︿X板進(jìn)行掃查。采集105組數(shù)據(jù)并得到接收信號幅值與掃查距離的關(guān)系曲線(見圖10)。

圖10 接收信號幅值與掃查距離的關(guān)系曲線

從圖10可知，隨著掃查距離的增大，探頭接收信號的幅值先增大后減小，這進(jìn)一步證明了空氣耦合超聲蘭姆波具有良好的指向性。

對接收的105組掃查信號進(jìn)行連續(xù)小波變換，并提取出頻率為400 kHz的幅值包絡(luò)信息，得到的包絡(luò)幅值掃描成像結(jié)果如圖11所示。從成像結(jié)果可知，缺陷成像具有較高的聚焦性。故空氣耦合超聲蘭姆波可用于板中缺陷的識別以及缺陷的圖像重構(gòu)。

圖11 連續(xù)小波變換包絡(luò)幅值掃描成像結(jié)果

4 結(jié)語

(1) 對連續(xù)小波變換進(jìn)行時(shí)頻分析并提取了頻率為400 kHz的時(shí)域包絡(luò)譜圖，通過與理論A0模態(tài)頻散曲線進(jìn)行對比，確認(rèn)了空氣耦合超聲探頭斜入射可以激勵(lì)出較為單一的A0模態(tài)，該提取包絡(luò)方法能較為有效地區(qū)分、識別蘭姆波模態(tài)。

(2) 對不同掃描位置處的接收信號進(jìn)行連續(xù)小波變換，得到頻率為400 kHz的幅值包絡(luò)信息，并進(jìn)行缺陷成像。結(jié)果表明，利用基于連續(xù)小波變換的幅值包絡(luò)法提高了圖像的聚焦性，改善了成像的質(zhì)量,減少了無關(guān)信號對成像結(jié)果的干擾。