基于saf成像技術(shù)的棒材超聲成像檢測

基于saf成像技術(shù)的棒材超聲成像檢測

超聲封閉軸聚焦成像技術(shù)是20世紀(jì)70年代開發(fā)的一種成像技術(shù)?；驹瓌t是用點(diǎn)源在整個(gè)測量對象上掃描，接收每個(gè)物體上的聲音散射信號(hào)，并將其存儲(chǔ)。然后根據(jù)每個(gè)圖像點(diǎn)的空間位置，向獲得的信號(hào)引入適當(dāng)?shù)难舆t或相位延遲，以同時(shí)到達(dá)輸出端，重疊輸出，并獲得圖像對象的分散成像。該技術(shù)較用回波信號(hào)直接生成圖像的技術(shù)要復(fù)雜得多,但應(yīng)用SAFT圖像重建算法能夠增強(qiáng)缺陷信號(hào),提高檢測的靈敏度及分辨率。由于棒材圓周曲面的曲率較大,聲束發(fā)散嚴(yán)重,進(jìn)行超聲檢測時(shí)會(huì)產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換,形成表面變型波。尤其是粗晶粒材料的棒材(如奧氏體和鈦合金),因其嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)噪聲,使信噪比很低,以致缺陷信號(hào)受到干擾,因而對缺陷進(jìn)行定位、定量和定性較為困難。目前我國對棒材的檢測仍以手工A掃描為主,工作效率較低。超聲掃描成像作為近年來興起的超聲檢測新技術(shù),以圖像的形式直觀地顯示缺陷和工件的其它信息。筆者對合成孔徑成像技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),得到適用于棒材超聲成像檢測的SAFT成像算法,并對變形鈦合金棒材進(jìn)行了2D-SAFT成像,發(fā)現(xiàn)與B掃描結(jié)果相比,SAFT成像提高了信噪比及棒材檢測的靈敏度和分辨率。1dap算法的基本原則1.1單頻縱波聲速ssr如圖1所示,在進(jìn)行二維合成孔徑聚焦成像時(shí),兼發(fā)兼收的超聲探頭在一直線上作等間距(Δx)掃描。超聲探頭的每一點(diǎn)發(fā)射脈沖并接收來自物體內(nèi)部的各點(diǎn)的反射回波。設(shè)探頭位于(x0,0)時(shí)發(fā)射單頻縱波st(x0,t)st(x0,t)=A0exp(jωt)(1)式中A0為振幅,ω為圓頻率。經(jīng)P點(diǎn)散射,探頭接收到的回波為sr(x0,t)=A0κexp[jω(t?2rc)](2)式中κ為與聲程衰減、換能器指向性引起的角度衰減、介質(zhì)散射等有關(guān)的系數(shù),r為聲程,c為縱波聲速。合成孔徑聚焦處理是對不同位置x0上獲得的sr(x0,t)對應(yīng)物體中各重建點(diǎn)位置進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí),再疊加合成為重建圖像,即SAFT延時(shí)-疊加算法:f(x,z)=∑n=?NNsn(nΔx)exp(jω2r′c)(3)1.2p點(diǎn)回波信號(hào)在對棒材進(jìn)行掃描成像時(shí),先使探頭以一定的步距在軸向移動(dòng);當(dāng)探頭軸向掃描完成后使棒材轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度,然后再使探頭重新軸向移動(dòng)掃描。如此反復(fù),使聲束覆蓋整個(gè)棒材,避免漏檢。其掃描的截面如圖2和3。實(shí)際掃描成像時(shí),為保證缺陷不漏檢,探頭移動(dòng)步距應(yīng)使聲束重疊一部分區(qū)域,如圖2陰影部分。假設(shè)圖2中A,O,B為探頭連續(xù)移動(dòng)的三個(gè)位置,對P點(diǎn)進(jìn)行圖像重建時(shí),應(yīng)計(jì)算在A,B,O三個(gè)位置聲束傳播到P點(diǎn)的聲程AP,OP,BP。設(shè)探頭移動(dòng)的步距為N,P點(diǎn)為距棒材表面x處的重建點(diǎn),則:AP=BP=N2+x2???????√(4)設(shè)棒材旋轉(zhuǎn)的角度為θ,棒材的直徑為R,則C,E處到P點(diǎn)的聲程為CP=CE=(R2?x)2+(R2)2?2(R2?x)(R2)cosθ????????????????????????????????√(5)應(yīng)用SAFT算法對棒材成像時(shí),對P點(diǎn)的回波信號(hào)應(yīng)將A,B,C,D,E五點(diǎn)處對應(yīng)聲程的回波信號(hào)進(jìn)行疊加。設(shè)P點(diǎn)處的角度為α,距離棒材起點(diǎn)距離為i,距棒材表面深度為x,則P點(diǎn)處的回波信號(hào)I(α,i,x)為I(α,i,x)=I(α+θ,i,CP)+I(α?θ,i,EP)+I(α,i?N,AP)+I(α,i+N,BP)(6)式中I(α+θ,i,EP)為探頭在E點(diǎn)處聲程為EP點(diǎn)的回波信號(hào),I(α-θ,i,CP)為探頭在C點(diǎn)處聲程為CP點(diǎn)的回波信號(hào),I(α,i-N,AP)為探頭在A點(diǎn)處聲程為AP點(diǎn)的回波信號(hào),I(α,i+N,BP)為探頭在B點(diǎn)處聲程為CP點(diǎn)的回波信號(hào)。從公式中可以看出,在有缺陷的地方,回波信號(hào)同相疊加,信號(hào)增強(qiáng),在無缺陷的地方,回波信號(hào)的疊加是隨機(jī),其疊加值較小,即信號(hào)相對較弱。2棒式超聲波掃描成像檢測系統(tǒng)2.1棒材超聲圖像成像部分超聲掃描成像檢測系統(tǒng)框圖由超聲信號(hào)采集部分、棒材掃描運(yùn)動(dòng)部分、成像算法部分和系統(tǒng)管理軟件組成(圖4)。超聲信號(hào)采集部分完成超聲信號(hào)產(chǎn)生、耦合和信號(hào)接收處理等功能;棒材掃描運(yùn)動(dòng)部分完成棒材的軸向移動(dòng),徑向旋轉(zhuǎn)并同時(shí)將位置信息傳送到計(jì)算機(jī)中;成像部分根據(jù)棒材的位置信息和對應(yīng)的超聲信號(hào)組成超聲圖像;系統(tǒng)管理軟件完成成像系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、成像算法和圖像顯示部分的管理功能。2.2變形鈦合金棒檢測理想的超聲SAFT成像要求采用點(diǎn)源探頭,這是由于探頭孔徑越小,合成孔徑就越大,橫向分辨力也就越高。而實(shí)際上,制作小孔徑的探頭將以犧牲靈敏度為代價(jià)。實(shí)驗(yàn)以24mm直徑的變形鈦合金棒為檢測對象。參照HB/Z36—1982《變形鈦合金棒材超聲波檢驗(yàn)說明書》規(guī)定,實(shí)驗(yàn)用探頭為水浸線聚焦探頭,探頭晶片直徑為12mm,焦柱直徑為5mm,探頭頻率為5MHz。鈦棒試塊上有四個(gè)人工缺陷,三個(gè)?0.8mm的平底孔,一個(gè)?0.8mm的橫孔(圖5)。3基于b掃描、saft的saft成像算法棒材掃描完畢后,各點(diǎn)的A掃描信號(hào)都保存在計(jì)算機(jī)中,通過編寫軟件對這些數(shù)據(jù)重建成像,為了比較SAFT成像效果,分別對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行B掃描成像和SAFT成像。下面主要分析試塊缺陷處所成的圖像。3.1缺陷圖像重建b掃描圖對超聲信號(hào)直接成B掃描如圖7所示,試塊上有一個(gè)長為11mm的橫孔,3個(gè)直徑為0.8mm的平底孔,從所成的B掃描圖中可以看出,圖像已基本實(shí)現(xiàn)對試塊截面重建。由于從?0.8mm平底孔上反射回來的信號(hào)較弱,因此所成像不是很清晰,同樣超聲信號(hào)在橫孔上的回波也較微弱,因此橫孔所成的像也不是很清晰,直接B掃描成像對缺陷重建很模糊(圖7)。3.2次界面波和一次底波的一次缺陷從圖8可以看到,各點(diǎn)的超聲信號(hào)都得到一定的增強(qiáng),在有缺陷處,缺陷信號(hào)增強(qiáng)幅度比沒有缺陷處大。所成圖像可以很清晰地看到一個(gè)橫孔和三個(gè)平底孔所成像。但是在所成圖像更清晰的同時(shí),平底孔直徑被擴(kuò)大。圖像中平底孔的直徑約為13mm,而實(shí)際只有0.8mm。下面分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,實(shí)驗(yàn)中所用探頭晶片的直徑為12mm,當(dāng)探頭以3mm步距移動(dòng)時(shí),只要缺陷沒有移出探頭的孔徑之外,探頭收到的回波信號(hào)都是一樣的。由于平底孔直徑較小只有0.8mm,因此探頭移動(dòng)到平底孔相鄰位置處時(shí),探頭也能收到回波信號(hào),當(dāng)探頭直徑D大于缺陷尺寸a時(shí),所成像的尺寸近似為a+D。雖然平底孔所成的像由于探頭直徑較大而擴(kuò)張,但其中心位置與實(shí)際平底孔的位置基本相符。由于超聲信號(hào)的觸發(fā)脈沖并非理想的δ(t)脈沖,而是有一定的寬度,因此一次界面波,缺陷波和底波都有一定的寬度,這造成缺陷信號(hào)將被湮沒在一次界面波和一次底波位置處,這個(gè)區(qū)域?yàn)闄z測盲區(qū)。為了減小檢測盲區(qū),應(yīng)盡量減小探頭始脈沖寬度。4超聲成像系統(tǒng)硬件提高分辨率及對缺陷進(jìn)行定量是超聲成像的發(fā)展趨勢,由于棒材的超聲信號(hào)衰減厲害,回波信號(hào)較弱造成棒材檢測困難。B掃描是一種最簡單的超聲成像系統(tǒng),然而,對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或較弱小的缺陷,容易造成漏檢。通過棒材SAFT所成圖像,缺陷圖像得到增強(qiáng),