特厚结构锻焊件的超声信号处理方法

马彦利王浩然/.中国第一重型机械股份公司核电石化事业部；.大连市锅炉压力容器检验研究院

特厚结构锻焊件的超声信号处理方法

马彦利1王浩然2/1.中国第一重型机械股份公司核电石化事业部；2.大连市锅炉压力容器检验研究院

文章介绍了一种针对特厚结构锻焊件工况下的超声检测方法，通过选用特制的探头和改进的回波信号处理方法，实现400mm以上超常规尺寸结构的有效探伤。

特厚结构；超声波；聚焦探头；SAFT

常规尺寸的压力容器，使用超声和射线检测可以有效的对焊缝进行检测，但是在特厚结构锻焊件的工况下，现有的射线检测方法无力穿透或生产成本过高。使用超声波检测时，声波在工件内的传播路径明显加大，由于波束扩散、信噪比、超声传播距离等参数的影响，常规的超声波检测方法已经不再适用，需要对现有的方法加以改进，提供经济、有效的超声波检测方法。在本文中，我们使用了改进的聚焦探头来控制超声波声场在工件内的扩散，同时使用SAFT技术检测400mm以上范围内的缺陷，引入新的信号处理方法，实现特厚结构锻焊件的超声波检测。

一、超声回波信号的数字处理

在对大厚度焊缝进行超声检测时，由于声程很长，脉冲信号在传播过程中衰减严重，缺陷信号变得很微弱，实际信噪比降低。为此而引入的高增益放大器又不可避免的引入电噪声，这些干扰信号有可能串入高增益放大器，被放大成为“草波”。以大厚度焊缝超声波探伤回波信号为例（见图1），其信噪比只有3.7dB，严重影响正常缺陷信号的显示。

图1 大厚度焊缝超声波探伤回波信号实例

为提高信噪比，降低杂波信号对缺陷显示的干扰，我们使用小波分析与降噪技术［1］对采集到的超声信号进行处理。与FIR采用的固定分辨率带通滤波技术不同的是，小波分析采用变分辨率的方法对信号进行高通和低通滤波。高通滤波得到信号的细节，低通滤波得到信号的大致形貌，各个分辨率下的得到的细节和大致形貌共同构成了描述信号特征的小波系数，这个过程称为小波分解。我们对图1中的回波信号进行了小波分解，得到其5阶分解结果。

小波处理的第二步是对各个层次的细节进行门槛处理，门槛的选择方法有很多种，本项目根据实验确定了中位数法，即选取一个与第i层细节的中位数成比例的门槛值，将第i层细节中小于这个门槛值得系数置为零。这样处理过的细节中就只反映缺陷波而略去了噪声。

小波处理的最后一步是信号重构，也称为小波逆变换，即利用阈值处理后的细节参数和最高一层的大致形貌重新构成时域信号。

经过多次数据试验，最终确定采用Sym4小波［2］［3］对大厚度焊缝的超声波回波信号进行降噪处理，可以获得相对比较好的效果。

图2 经小波处理的一个回波信号的实例

确定了对回波信号的处理方法后，我们将其固化到探伤仪板卡内，通过数据采集模块的内置软件对实时信号进行处理后，我们就得到了所期望结果。通过数字滤波技术处理后的超声信号非常稳定（见图3），信噪比很高，有利于缺陷的发现与识别。

图3 A扫实时显示界面

二、基于平面扫查的SAFT技术

合成孔径聚焦技术［4］（SAFT）是指通过综合多个处于不同几何位置的超声波换能器所接收到的信号，实现一个等效的大孔径换能器，从而提高对目标区域内反射体的分辨能力。使用合成孔径技术进行超声波探伤时，横向分辨率为基元换能器直径的一半，与波长和纵向距离无关。当每个探头的孔径为d时，横向分辨率为的d/2。

由于合成孔径技术针对的检测对象为特厚尺寸焊缝、锻件等，制造试块的难度大，成本高，因此我们使用仿真数值模拟试验进行验证。

仿真研究在自行开发的一套超声波检验仿真工具软件上进行，其目的是验证直探头、斜探头的SAFT算法，研究寻找工艺参数对提高检验分辨率的影响规律，设计SAFT算法，测试算法的效率。

通过数值模拟软件，我们模拟了不同孔径和聚焦深度等参数变化对试验效果的影响。发现对于不同的合成孔径长度，得到的缺陷分辨率不同。以6dB斑点的大小为参考量，合成孔径长度对缺陷面积和长度的分辨率影响是，随着合成孔径长度的增大，分辨率逐渐提高，但是当合成孔径长度增加到一定量的时候，分辨率不再提高。另外，根据我们的试验，在方位向上进行SAFT处理，对缺陷宽度的分辨率基本没有影响。聚焦深度偏差对分辨率有一定的影响。模拟反射点的深度是450mm，当聚焦深度大于450mm，并且逐渐增大时，6dB斑点的面积和长度值逐渐增加，分辨率降低。另外，在方位向进行SAFT处理，聚焦深度对缺陷的宽度分辨率基本没有影响。

聚焦深度的变化会影响对缺陷的精确定位。当聚焦深度大于450mm，并且逐渐增大时，对于缺陷位置水平方向的误差和深度方向的误差都会产生影响。并且对水平方向和深度方向定位的影响趋势是相同的。

基于上述模拟试验得到的结果，使用SAFT合成孔径技术对特厚工况下的缺陷进行超声波无损检测，其缺陷的定位、定量精度是可以得到保障的。

通过上述实验，我们确立了在大厚度工况下综合应用小波分析与降噪技术和SAFT合成孔径技术，能够在大厚度工况条件，实现缺陷的精确定位、定量。

［1］张惠，刘晴岩.基于LabVIEW软件平台的粗晶材料超声信号去噪处理的研究［J］.无损检测.2004.26（11）：558～561.

［2］Fredrik Lingvall，Tomas Olofsson，“OnTime－DomainModel－Based Ultrasonic Array Imaging”，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，VOL54，NO8，August 2007

［3］E.Pignone，“Enhancement in image quality in ultrasonic flaw detection process in rotor turbine using SAFT”，IEEE International Workshop on Imaging Systems and Techniques（IST 2004），Stresa，Italy，14 May 2004.

［4］孙宝申，沈建中.合成孔径聚焦超声成像（一）［J］.应用声学。1992。13（3）：43～48.