一种用于焊接结构多帧满秩成像检测的超声SH 导波换能器

朱新杰，李永涛，邓明晰，姚森

(1.北方民族大学,材料科学与工程学院,银川,750021；2.北方民族大学,机电工程学院,银川,750021；3.重庆大学,航空航天学院,重庆,400044)

0 序言

焊接结构钢板广泛应用于现代机械制造、石油化工、航天工程、海洋工程等领域.焊接结构设施设备在加工生产和服役过程中，对其进行无损检测是重要的质量评估手段，超声波检测技术具有检测距离远、适用范围广成为当今研究的热点[1].

板中超声导波主要有兰姆 (lamb) 波、垂直剪切(shear vertical,SV)波、水平剪切(shear horizontal,SH)波等，其中超声SH 导波在传播过程中引起的质点振动(位移和速度)都平行于板面，传播过程中波型转换较少、检测灵敏度高、衰减小，使得SH 导波特别是在焊接板结构中传播时，具有波形模态单一、频散特性简单、传播距离远等优点，故而超声SH 导波更有利于在焊接板结构中进行成像检测.相关研究也较为深入，如板中超声SH 导波在传播中与层状半空间界面裂纹[2]、管道损伤[3]、板中平行裂缝[4]、焊缝结构[5]、板材边界[6]、多层周期结构缺陷[7]的散射作用规律得到了较为深入的研究与揭示，为超声SH 导波用于板结构检测研究与应用提供了重要基础[8-12].

超声SH 导波换能器中，由于激发导波物理原理不同，换能器形式较多，如压电换能器、电磁换能器、激光换能器等，均可激发SH 导波.其中激发SH 导波的楔形压电换能器，可作为阵元构建不同阵列对板结构进行超声导波阵列成像检测[13-18].

利用压电超声SH 导波换能器可对板中夹杂物和焊缝缺陷进行检测[8,10,14]，可以较好发挥SH 导波的优势.压电超声SH 导波换能器斜楔结构、压电晶片特性、电声阻抗匹配等决定着特定模态SH 导波的激发与接收性能[19-20].在换能器发射接收声波时，激励的声波一部分进入待检件，另一部分会在换能器斜楔内部形成多重散射回波，增加了内部声场的混乱无序，对缺陷回波本征信号的接收产生极其不利的影响[20].特别是将SH 导波换能器作为阵元构建为多种不同形式阵列对焊接结构板进行成像检测时[14,20-22]，会产生较多伪影，甚至掩盖缺陷显示，Li 等人[21]根据频率带宽和空间周期分析了高频激励的导波模式的速度以及探头与焊缝之间的相对位置分析时域波形，提高导波换能器对缺陷敏感性低的问题.洪红等人[18]基于焊缝特征导波原理，对压电换能器结构及参数分析研究，保证其激励模态的单一性和回波信号的高反射率.在对焊接结构板材进行成像检测时，对作为阵列成像检测阵元的压电换能器提出了更高要求.为提高阵列成像检测分辨率，换能器所激励导波为单一模态为宜；为更有效激发和接收导波，要求换能器具有合适的本征频率、尺寸和其它相关参数要求；为使换能器内产生较少的散射杂波(散射回波)，这就要求背衬声阻抗与楔块声阻抗有很好的匹配关系；为了减缓压电晶片高频阻抗下降，可匹配合适电感，以平衡超声导波换能器的静电容.可见，在对焊接板结构进行阵列成像检测时，有必要研究结构参数更加合理的超声SH 导波楔形压电换能器.

在压电晶片特征及尺寸、斜楔结构、背衬吸收层等方面进行深入研究，以有效减少换能器内部散射回波，以便提高接收信号的信噪比.运用半波长理论对超声SH 导波的激发进行了分析探讨，确定了换能器楔块参数；根据多重散射理论对换能器前楔结构进行了分析，推导了匹配层介质颗粒密度与衰减关系，以确定匹配层介质组分；对平面型前楔结构换能器和非平面型前楔结构换能器内多重散射回波问题进行实验对比分析，确定了最有效的斜楔结构.该研究对工业焊接结构板中缺陷检测具有一定应用价值.

1 超声SH 导波换能器激发与多重散射理论分析

针对压电超声换能器的典型楔形结构，可运用半波长理论对超声SH 导波的激发与传播进行分析探讨，以确定换能器楔块参数.为提高换能器检测能力，可运用多重散射理论，对换能器前楔背衬声匹配层进行分析，揭示出匹配层介质颗粒密度与衰减关系，以确定匹配背衬的介质组分.

1.1 超声波基于半波长理论的SH 导波激励

换能器向介质中发射超声波，由于相邻介质质点间弹性作用，一方面会使振动质点回到平衡状态，另一方面使未振动质点开始振动，这种超声频率范围内振动即为超声波.超声SH 导波，在板内SH 导波产生平行于板面方向的振动，如图1 中描述了SH 导波板中的传播情况，原点O处为一声源，声波传播的方向为y,质点振动位移方向为x方向.SH 波群中的任一模态导波都可看成体剪切波在上、下表面反射的叠加结果，波矢量位于(x,y)平面内并且在上、下表面满足自由边界条件.对于任何各向同性介质，位移场满足式(1)的Naviers 位移方程.

图1 SH 波板中传播示意图Fig.1 Schematic diagram of the propagation of SH waves in the plate

式中：μ,λ为拉梅常数；u为位移分量；∇2为拉普拉斯算子；t为时间；ρ为材料密度.对于超声SH 导波，通常认为只在x方向产生位移矢量，如图1 所示.

经过解析，压电换能器所激发SH 导波在板中产生的面内位移x的解可以看作SH 导波乘以一定幅度的叠加，该幅度取决于频率f，又取决于载荷函数与SH 导波入射角α，面内位移x为

在设计换能器时，除了要考虑所激发SH 导波模态、频率、晶片尺寸以及制作工艺等方面外，还要考虑入射角α即楔块角度的合理取值与前楔结构合理设计.

1.2 平面型前楔面SH 导波换能器半波长理论分析

为了获得声波模态单一、信噪比较高的SH 导波换能器，需要对斜楔角度及其结构、背衬中钨粉颗粒选取及钨粉与环氧树脂体积比、半波长传播理论(条件)进行分析.介质中在一定条件下都会产生具有一定波长的声波，超声导波在物体相对表面上反射而发生同相位声波的叠加，使声波传播能量更加集中[19].当超声SH 导波在板中传播时，可控制声波的频率、波长，即当SH 导波半波长在y方向投影为板厚整数倍时，会使同相位的声波发生叠加产生驻波，从而使声波传播能量更加集中.

当折射声波半波长在y方向的投影为板厚的整数倍时，此时，板中产生不同相谐波数最少，即板中波包展宽最小，有利于板内缺陷信号分辨.也就是压电晶片的长度b等于折射声波半视波长的整数倍时，有利于声波能量集中传播，此时，SH 导波传播符合导波半波长传播条件，据此，可求出晶片的长度[20].

式中：Ka为正整数常数；c1为楔块内声速；c2为板内声速；α为板中声波入射角；λ为板中导波波长；b为晶片长度.相关参数如图2 所示.

图2 超声导波换能器和导波在板中的传播示意图Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic guided wave transducer and propagation of guided waves in the plate

根据现有可行条件，斜楔可选用黄铜材料，经过以上分析计算，斜楔角度宜为39.0°～ 43.0°，晶片中心频率为0.5～ 0.8 MHz，晶片的几何尺寸为26 mm × 20 mm × 1 mm.超声SH 导波换能器基本结构如图3 所示，其中斜楔后楔面匹配压电晶片，前楔面匹配背衬.

图3 SH 导波换能器基本结构示意图Fig.3 Basic structure diagram of SH guided wave transducer

当换能器晶片发射声波进入待检测介质的同时，也会在换能器楔块内部产生二次以上散射回波，如图4 所示，换能器内部有三重散射回波信号，这会严重干扰换能器对回波信号的接收，降低换能器的检测能力.

图4 平面型前楔结构换能器内部多重散射回波Fig.4 Multiple scattering echo inside the planar frontwedge transducer

为了尽可能减小换能器内部多重散射回波，以达到对多重散射回波压缩的目的，需要对换能器前楔面背衬、斜楔结构(平面型前楔结构、非平面型前楔结构)进行深入分析.

1.3 换能器前楔背衬多重散射理论分析

为了减少换能器内部的多次散射回波，需要在对斜楔结构改进的基础上，在前楔面上匹配适当声阻抗的背衬，达到进一步弱化换能器内部多重散射回波的目的.针对平面型前楔结构换能器进行分析讨论.

根据多重散射理论[22]，压电晶片发射声波后经过楔块底面进入被检测介质中，同时，楔块底面也会反射声波至前楔面产生二次以上散射回波，如图4 所示，这构成了换能器内部多重散射回波的主要成分.

换能器内部形成的二次散射回波，可表示一次回波的再散射，以此类推，更多重次的散射.在具体实现上，超声换能器前楔背衬主要由钨粉、环氧树脂复合介质组成，考虑复合介质的密度为ρ1,弹性常数为K1和u1的固体介质，其中无规则地分布着半径为r0的颗粒,后者的密度为ρ2，弹性常数为K2和u2，当特定频率的SH 导波在其中传播时，其传播特性将与复合介质组分的性质及配比有关[23-24].

式中：β为复合介质中的传播常数；k1为基质介质的传播常数，k1=ω/ct,ct为基质介质中的纵波速度；n0为复合介质中单位体积的颗粒的数目；f(0)，f(π)分别为单个介质颗粒的散射在声传播方向和相反方向上的振幅，且有

式中：ρ′≈ρ，β=k1+iαt；ρ为材料密度；ρ′为复合介质密度；αt为衰减系数.为方便计算，取n=0，即

将式(5)～ 式(7)带入式(4)可得

由式(8)推导计算可得

相关研究表明,介质当量颗粒数随声衰减呈现先增大后减小的非单调变化关系[24].式(9)部分地反映了这种变化关系,即介质颗粒数与衰减系数αt三次方成反比,当衰减系数增大时,介质颗粒数减少,与之对应的单位体积密度减小，声衰减达到极大值，这也表明可以运用特定钨粉颗粒数量去控制衰减系数.

楔块背衬作为衰减层，一般可由钨粉与环氧树脂混合而成，其体积比大小，决定着n0以至于最终影响到背衬吸收声波的性能.式(9)表明，n0与衰减系数αt有关，同时n0决定着背衬钨粉颗粒的密度，可见背衬密度越大，衰减系数越小，背衬密度越小，衰减系数越大.背衬声衰减随钨粉与环氧树脂组分比例变化呈先增后减趋势，当钨粉与环氧树脂体积比达到一定值以后，背衬对声波衰减也就不再增加[23-25].

根据以上分析，制作背衬时选用不同粒度钨粉进行粗细充分混合，与环氧树脂以0.58 的体积比配制而成，其中钨粉的组分粒度分别为100，300，3 000 目.

对匹配背衬后的换能器进行测试，通过波形、回波次数对比，测试结果表明，该换能器配比背衬有较好的吸声能力.平面型前楔结构匹配背衬前后换能器内部多重散射回波如图5 所示.平面型前楔结构未匹配背衬时，换能器内部有三重散射回波，波形复杂，如图5a 所示，一重回波信噪比为23.0 dB，二重散射回波信噪比为18.5 dB，三重散射回波信噪比为15.2 dB，回波较多，不利于探伤时缺陷信号的分辨；平面型前楔面匹配背衬后，换能器内杂波减小，取得了良好的效果，如图5b 所示，一重散射回波信噪比为19.0 dB，幅值减小了17.0%，二重散射回波信噪比为10.0 dB，幅值减小了45.9%，三重散射回波信噪比为7.0 dB，幅值减小了53.9%，换能器内部多重散射回波幅值得到了很好地抑制，且波形比较清晰，有利于探伤时对缺陷的检测.

图5 平面型前楔结构换能器内部散射回波信号Fig.5 Internal scattered echo signal of planar front wedge transducer.(a) before matching the transducer with the backing;(b) after matching the transducer with the backing

通过多重散射分析可知，在前楔面上匹配特定组分背衬后，可有效减少换能器内部多重散射回波.

2 超声SH 导波换能器的多重散射试验分析

为进一步提高换能器检测能力，需要尽可能减少换能器内部多重散射回波，有必要对换能器斜楔结构进行深入分析，以达到对多重散射回波进行压缩的目的.为此，要通过多重散射理论分析，进一步讨论换能器斜楔结构由平面型前楔结构改进为非平面型前楔结构的必要性.

当换能器晶片发射声波进入待检测介质的同时，也会在换能器楔块内部产生多次散射回波，可将该散射回波称为换能器内部多重散射回波.为进一步减少换能器内部多重散射回波，在对换能器前楔结构匹配适当声匹配层的基础上，需要对换能器前楔结构进行分析改进，以增强换能器接收效果.

2.1 换能器非平面型前楔结构及其多重散射回波

非平面型前楔结构，较为典型的型式有横槽前楔结构、竖槽前楔结构和正交前楔结构3 种，其“槽形”截面为60° V 形锯齿槽，槽深为半波长，如图6所示.

图6 换能器前楔面锯齿槽结构Fig.6 Sawtooth groove structure on the front wedge surface of the transducer

换能器内声波到达斜楔与被测工件接触面后，一部分声波折射进入待检工件中，一部分声波反射到前楔面.当斜楔为非平面型前楔结构时，换能器内部散射回波会得到不同程度的衰减，如图7 所示，其中横槽前楔结构、竖槽前楔结构对散射回波衰减不太明显.相比之下，正交前楔结构换能器内部散射回波衰减较为明显，其二重散射回波、三重散射回波信噪比分别为 8.6，7.7 dB，与平面型前楔结构相比，声波信号幅值分别减小了45.9%，49.3%.由此可见，正交前楔结构对多重散射回波的衰减效果最好.

图7 无匹配层时不同前楔结构换能器内部散射回波信号Fig.7 Internal scattered echo signals of transducers with different front wedge structures without matching layer.(a) transverse groove front wedge structure transducer matched with backing front;(b) vertical groove front wedge structure transducer matched with backing front;(c) orthogonal front wedge structure transducer matched with backing front

无匹配层时，正交前楔结构换能器内部多重散射回波衰减效果最好，二重以上散射回波幅值减小了45.0%以上.这时，换能器内部散射回波最少，有利于换能器接收检测回波信号，提高换能器接收灵敏度.

2.2 换能器斜楔匹配背衬后多重散射回波的弱化

根据式(9)表达的匹配层介质密度衰减关系，在换能器斜楔前楔上匹配背衬，可以减少换能器内部不必要的多重散射回波.也就是说，在不同非平面型前楔结构上匹配背衬，可达到进一步弱化换能器内部二重以上散射回波的目的，以下分别对不同斜楔前楔结构匹配背衬进行分析.

2.2.1 横槽前楔结构匹配背衬

为了减少换能器内部多重散射回波，提高换能器检测灵敏度，设计了不同前楔结构的V 型槽.首先，在平面型前楔结构换能器的基础上增加了平行于斜楔前楔面的横向锯齿槽，对换能器内信号进行测试.如图8 所示，换能器内部多重散射回波次数基本没有变化.但横槽前楔结构匹配背衬后换能器内部三次散射回波幅值均被不同程度压缩，二重散射回波幅值减小了56.3%，三重散射回波幅值减小了88.1%，其弱化效果要优于平面型前楔结构换能器匹配背衬.

图8 横槽前楔结构换能器内部散射回波信号Fig.8 Scattered echo signal inside the transducer after matching the front wedge structure of the transverse groove with the backing

2.2.2 竖槽前楔结构匹配背衬

横槽前楔结构匹配背衬后减少了换能器内部多重散射回波.为了确定更为有效的斜楔结构，增加竖槽前楔结构和正交前楔结构.竖向锯齿槽换能器和其匹配背衬后换能器内部回波信号如图9 所示.图7b 相比于图7a，多重散射回波幅值稍微减小，仍不利于导波信号接收.竖槽前楔结构换能器匹配背衬后，换能器内部三重散射回波完全被衰减，二重散射回波幅值减少78.3%，一重散射回波幅值减小了19.8%，效果要明显优于横槽前楔结构换能器匹配背衬.

图9 竖槽前楔结构换能器内部散射回波信号Fig.9 Scattered echo signal inside the transducer after matching the vertical groove front wedge structure with the backing

2.2.3 正交前楔结构匹配背衬

研制的正交前楔结构SH 导波换能器如图10所示，其内部多重散射回波和其匹配背衬后换能器内部多重散射回波如图11 所示.图7c 与图7a、图7b 相比，正交前楔结构换能器内部二重、三重散射回波幅值压缩(衰减)效果更加明显，并且其匹配背衬后三重散射回波幅值完全被压缩，二重散射回波幅值减小了60.8%，一重散射回波幅值减小了22.6%.

图10 研制的超声导波换能器Fig.10 Ultrasonic guided wave transducer

图11 正交前楔面换能器内部散射回波信号Fig.11 Scattered echo signal inside the transducer after matching the orthogonal front wedge structure with the backing

平面型前楔结构与非平面型前楔结构在匹配背衬后，换能器内部多重散射回波幅值大小不一，反映了换能器不同前楔结构对散射回波的压缩(衰减)能力不同，但均对换能器内部散射回波有一定的抑制作用，不同前楔结构换能器匹配背衬后，二重散射回波和三重散射回波幅值均呈递减趋势.

匹配背衬后，非平面前楔结构换能器内部多重散射回波幅值均被压缩，从图5b、图8、图9 和图11可知，换能器内部二重散射回波幅值均减小50%以上，三重散射回波幅值均减小60%以上.对于竖槽前楔结构与正交前楔结构而言，竖槽前楔结构换能器内部多重散射回波压缩效果较好，一重散射回波信噪比为16.5 dB，但其波包较宽，不利于相邻缺陷的检测.正交前楔结构换能器内部一重回波波形清晰，信噪比为18.8 dB，内部多重散射回波幅值压缩幅度最大，有利于检测过程中对被检测介质中缺陷回波本征信号的分辨，提高换能器检测灵敏度.

由此可见，正交前楔结构换能器内部多重散射回波得到了有效的弱化，正交前楔结构换能器可望用于焊接结构板中超声导波检测.

3 超声SH 导波换能器性能检测试验

基于上文，对正交前楔结构超声SH 导波换能器性能进行检测试验.试验试件为具有对接焊缝的钢板，如图12 所示，焊接结构钢板试件尺寸为2 250 mm × 1 000 mm × 4 mm，材质为Q345 低合金钢，人工缺陷 A，B，C，D 分别为φ5 mm，φ8 mm，φ10 mm，φ12 mm 的通孔.

图12 用于验证换能器检测能力的钢板试样(mm)Fig.12 Steel plate sample used to verify the detection capability of the transducer

经测试，设计研发的正交前楔结构超声SH 导波换能器中心频率为0.65 MHz，如图13 所示，经过分析，在试件钢板中测得相速度Cp和群速度Cg均为3 231 m/s，所激发导波为SH0 模态，试验测的回波速度与其群速度一致.采用SH 导波换能器对钢板缺陷检测时，缺陷回波信号较为清晰，如图14 所示.经计算，焊缝回波信号信噪比为22.0 dB，声波经过一道对接焊缝后对声程为1.44 m 处φ12 mm孔的缺陷回波信噪比达到了14.5 dB.

图13 超声SH 导波换能器激发导波信号的频谱Fig.13 Spectrum of guided wave signal excited by ultrasonic SH guided wave transducer

图14 正交前楔面SH 导波换能器对钢板内缺陷检测信号Fig.14 Detection signal of defects in steel plate by orthogonal front wedge surface SH guided wave transducer

将所研制换能器布置成直线阵列，对焊接结构钢板试件进行合成孔径成像检测[21]试验，检测图像如图15 所示，焊缝由于其尺寸当量大，其成像最为清晰；相对于焊缝来说，φ8 mm 通孔、φ10 mm 通孔、φ12 mm 通孔的尺寸当量较小，即使其声波回波部分被“淹没”在焊缝散射中，但其成像均较为清晰；由于阵列的“边缘效应”和板材边界、焊缝的声波散射，φ5 mm 通孔略微显现.

对于超声导波阵列成像来说，由于阵列的“边缘效应”和板材边界、焊缝的声波散射，单帧图像不足以完整表征成像检测区域，图15所示的图像仅为多帧满秩图像中的一帧，故焊缝端部显示欠完整，需要结合其它帧序图像声学特点在成像算法上进行优化互补处理，方可显示完整的焊缝形态.

正交前楔结构SH 导波换能器具有较好的检测能力，可望能较好应用于焊接结构板材的超声导波成像检测.

4 结论

(1)对用于焊接结构多帧满秩成像检测的超声SH 导波换能器进行了研究.研究表明，正交前楔结构对换能器内部多重散射回波具有较好的压缩效果，匹配背衬前正交前楔结构使换能器内部二重、三重散射回波幅值减小了45.0%以上，一重散射回波幅值减小了13.7%,匹配背衬后正交前楔结构使换能器内部三重散射回波幅值完全被压缩，二重散射回波幅值减小了60.8%，一重散射回波幅值减小了22.6%.正交前楔结构换能器激发的超声SH 导波在经过焊接结构板中对接焊缝后对声程为1.44 m、尺寸当量为φ12 mm 的缺陷回波信号信噪比达到了14.5 dB.

(2)试验验证了理论分析的有效性，针对前楔结构进行分析的多重散射理论可用于研究与改进超声SH 导波换能器，正交前楔结构换能器能较好用于对焊接结构多帧满秩成像检测.