基于自回归谱外推的小尺寸裂纹TOFD定量检测

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(1.大连理工大学 无损检测研究所, 大连 116085；2.中国核工业二三建设有限公司, 北京 101300；3.核工业工程研究设计有限公司，北京 101300)

基于自回归谱外推的小尺寸裂纹TOFD定量检测

孙旭1,金士杰1,张东辉2,刘丽丽2,张树潇2,杨会敏3,张晓峰3,廖静瑜3,林莉1

(1.大连理工大学无损检测研究所,大连116085；2.中国核工业二三建设有限公司,北京101300；3.核工业工程研究设计有限公司，北京101300)

利用超声衍射时差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)对合金钢焊缝中的小尺寸裂纹实施检测时，受脉冲宽度等因素制约，裂纹上、下端点的衍射波会发生混叠，而导致裂纹高度定量困难。采用自回归谱外推(Autoregressive Spectral Extrapolation，ARSE)技术对混叠信号进行处理，扩展有效频带范围，达到压缩时域信号脉宽和提高时间分辨率的目的。结果表明，结合ARSE技术可有效分离混叠信号，实现厚度100.0 mm合金钢中深度50.0 mm处高度1.0 mm裂纹的TOFD定量检测，且相对定量误差不超过5.3%。

超声衍射时差法；混叠信号；自回归谱外推；裂纹高度

裂纹是焊缝中危害最为严重的一类缺陷，尤其是在焊接完成后接头处仍存在一定残余应力和变形时，裂纹易发生扩展甚至致使构件断裂[1]，故对其进行准确地定量检测是十分重要的。

超声衍射时差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)是一种基于缺陷端点衍射信号对缺陷进行定位、定量的方法[2-4]。与传统超声检测方法相比，TOFD技术具有方便、准确及可重复性好等优点，在焊缝检测和缺陷定量检测方面极具应用价值[5-7]。但是，受脉冲宽度、系统噪声等因素影响，采用TOFD技术对小尺寸裂纹检测时，裂纹上、下尖端的衍射波会发生混叠，而导致时间分辨率降低[8-9]。减小TOFD探头中心间距有助于改善信号的混叠程度，但提升效果有限。针对这一问题，国内外学者已开展了一系列研究工作。郭建中等[10]改进了维纳逆滤波解卷积方法，提高了噪声适应能力的同时压缩了时域信号。GANG等[11]将脉冲压缩技术应用于TOFD检测中，将时间分辨率提高到0.34 μs。自回归谱外推技术(Autoregressive Spectral Extrapolation，ARSE)因具有压缩时域信号的作用，最早被应用于地震信号解卷积中[12]，后FARHANG等[13]将其应用于超声无损检测领域，可实现两个直径为1.5 mm相邻圆孔的混叠信号的分离。

目前，ARSE技术在TOFD检测方面的研究较少，笔者将其应用于小尺寸裂纹高度的TOFD定量检测中，分离裂纹上、下尖端混叠信号，提高超声检测信号的时间分辨率，实现小尺度裂纹高度的定量检测。

1 TOFD检测原理与自回归谱外推原理

1.1TOFD检测原理

图1 TOFD检测原理示意

如图1所示，TOFD检测时采用一对频率、尺寸、角度都相同的纵波斜探头对称放置。发射探头以一定角度发射一组超声波进入被检结构，在裂纹的上下尖端发生衍射，衍射波在较大范围内传播，并被接收探头接收。通过测量裂纹上下端衍射波的传播时间差，根据式(1)即可实现裂纹的高度定量[14]。

式中:h为裂纹高度；t为上端衍射波传播时间；Δt为裂纹上下端点衍射波的传播时间差；2s为探头中心间距；c为材料纵波声速。

当裂纹高度h较小时，端点衍射波发生混叠，即时间差Δt不可读，无法进行高度定量。

1.2自回归谱外推原理

超声TOFD检测接收到的信号y(t)是由缺陷响应信号x(t)和超声系统脉冲响应信号h(t)的卷积，以及噪声n(t)构成的，其形式[8]可表示为：

用接收到的信号y(t)表示x(t)，其时间分辨率同时受到h(t)和x(t)的影响。为提高信号的时间分辨率，需要通过解卷积的方式恢复缺陷响应信号x(t)。

维纳滤波是一种估计随机信号的方法，可从实测信号y(t)中分离出x(t)，有助于提高时间分辨率。对式(2)进行维纳解卷积，得到x(t)的频域表达式如下式。

式中:H*(ω)为H(ω)的共轭复数；Sn(ω)和Sx(ω)分别为n(t)和x(t)的功率谱密度。

为进一步提高缺陷响应信号x(t)的时间分辨率，有必要将X(ω)中的有效频带扩宽，常以参考信号-6 dB或-3 dB频带宽度为有效频带。采用自回归谱外推方法，将去卷积过程模型化为一个自回归过程，通过选取有效频带数据，建立自回归模型，外推有效频带外的数据，将原来的窄带信号变成宽带信号，从而实现时域信号的压缩。

经过自回归谱外推后的频带数据可以表示为：

在此基础上，读取上下尖端衍射波到达时间Δt，代入式(1)即可得到小尺寸裂纹高度。

2 仿真模拟

根据合金钢焊缝试块的声学和弹性特性，在CIVA仿真软件中建立相应的检测模型，其裂纹分布示意如图2所示。其中，模型材料为合金钢，厚度为100.0 mm，材料纵波声速为5 890.0 m·s-1，密度为7.8 g·cm-3。在模型中设置了底端深度50.0 mm，高度h分别为1.0，1.5，2.0 mm的裂纹。TOFD探头主频率为5 MHz，探头中心间距为100.0 mm，探头角度为45°。

图2 试块中裂纹分布示意

图3给出了未混叠的上、下尖端衍射信号，以及高度1.0 mm裂纹的TOFD检测时域混叠信号。由图3可以看出，高度1.0 mm裂纹上下尖端衍射波具有较大程度的混叠，难以直接读出上下尖端的时间差。

图3 混叠与未混叠的TOFD检测时域信号

利用自回归谱外推技术对混叠信号进行处理。选取一次底波作为解卷积过程中的参考信号，即式(4)中的H(ω)。其时域波形和频谱如图4所示。

图4 参考信号的时域波形及其频谱

图5 原始混叠信号频谱、外推后信号频谱及经过ARSE处理后的时域信号

采用图4(b)中参考信号的-6 dB频率窗口，对应的频带数据点为[21,69]。结合式(7)获得经过自回归谱外推处理后的频带数据。图5(a)、(b)分别给出了混叠信号外推前、后的频谱，比较可知，外推后的有效频带宽度明显拓宽，高频成分得到恢复，携带了更多有用信息。对扩宽后的频带数据进行傅里叶逆变换，得到图5 (c)所示时域信号，从图中可以读出上、下尖端衍射波的传播时间差Δt=0.24 μs。将Δt代入公式(1)，计算出裂纹高度为0.95 mm。

同理，采用自回归谱外推技术对模型中高度1.5 mm和2.0 mm裂纹的TOFD检测信号进行处理，并将测量得到的上下尖端衍射波传播时间的差值代入式(1)计算。表1给出常规TOFD定量结果以及ARSE处理后的定量结果。

表1 裂纹的设计高度、TOFD定量以及ARSE处理后的定量结果

由模拟结果可知：常规TOFD仅能对高度2.0 mm裂纹进行定量，且相对误差达到19.0%；通过ARSE处理后，混叠的上下尖端衍射波可以被有效识别，可定量的小尺寸裂纹高度达到1.0 mm，且定量结果的绝对误差最大值为0.08 mm，相对误差不超过5.3%。

3 分析讨论

自回归谱外推技术能够实现混叠信号的有效分离及裂纹高度的精确定量，其主要原因包括：首先，利用维纳解卷积初步改善了检测信号的时间分辨率；其次，频域的外推过程拓宽了有效频带范围，经过傅里叶逆变换后，时域信号宽度得到压缩，进一步提高了时间分辨率，提高了TOFD检测中对小尺寸裂纹的定量能力。此外，通过提高探头频率，采用脉冲宽度更窄的信号，能够实现更小尺寸裂纹高度的精确定量。

4 结论

将自回归谱外推技术应用到TOFD检测信号处理中，实现了小尺寸裂纹上、下尖端混叠信号的分离，提高了时间分辨率。由处理结果可知，该方法可实现厚度100.0 mm合金钢中深度50.0 mm处高度1.0 mm裂纹的TOFD定量检测，且相对定量误差不超过5.3%。

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QuantitativeInspectionofSmallSizeCracksbyTOFDBasedonAutoregressiveSpectralExtrapolation

SUNXu1,JINShijie1,ZHANGDonghui2,LIULili2,ZHANGShuxiao2,YANGHuimin3,ZHANGXiaofeng3,LIAOJingyu3,LINLi1

(1.NDT&ELaboratory,DalianUniversityofTechnology,Dalian116085,China;2.ChinaNuclearIndustry23ConstructionCo.,Ltd.,Beijing101300,China;3.NuclearIndustryResearchandEngineeringCo.,Ltd.,Beijing101300,China)

When time of flight diffraction (TOFD) is applied to detect small size crack in alloy steel weld, the diffraction waves at upper and lower points of crack will overlap and cause difficulty in quantifying the crack height due to restriction in the pulse width. In this paper, autoregressive spectrum extrapolation (ARSE) technique was applied to deal with the overlapped signals and extend effective band range to compress time domain pulse width and improve time resolution. The results showed that ARSE technique could effectively separate overlapped signals. Focusing on 100 mm thickness alloy steel of having a crack of 1.0 mm in height and 50 mm in depth, the quantitative error of crack height was no more than 5.3%.

time of flight diffraction (TOFD); overlapped signal; autoregressive spectral extrapolation; crack height

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0008-04

2017-06-25

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2015CB057306)

孙 旭(1993-),男，硕士研究生，研究方向为超声检测信号处理

林 莉，linli@dlut.edu.cn

10.11973/wsjc201710002