Page 23 - 应用声学2019年第5期
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第 38 卷 第 5 期 张海燕等： 扩散场重建格林函数检测钢轨近表面缺陷 775
集铝板的检测区域，利用扩散场评估任意传感器对
0 引言
之间的第一个反对称 Lamb 波的直达信号，之后根
钢轨的缺陷检测是影响铁路系统安全运行的 据提取的导波结果进一步评估二次声源的数量和
重要因素，钢轨的腐蚀、内部裂纹和空穴不仅缩短了 位置对扩散函数性能的影响。基于环境噪声的格林
铁路的服务周期而且带来了潜在的铁路安全危机。 函数重建成了学术研究的一个热点。在板状金属的
因此，研究应用在钢轨上有效的结构健康监测技术 结构监测方面，结合有效的成像算法对铝板的疲劳
具有很重要的实用价值和学术意义。超声无损检测 裂纹进行被动检测和定位，这种技术可能推广于航
技术是目前最流行的结构健康监测技术，在铁路安 空航天结构的检测，因为航天器发动机产生的噪声
全方面发挥着日益重要的作用。超声相控阵是近年 源以及机翼和空气作用产生的摩擦提供了有效的
主流的超声检测技术，允许应用实验捕获的全矩阵 局部环境噪声 [6] 。在利用环境噪声实现散射体无源
进行后期不同方法的成像技术，具有检测灵敏度高、 成像发展阶段，基于环境噪声的互相关恢复两点之
成像范围大的优势。然而，超声相控阵列采集系统 间的格林函数原理，李国富等 [7] 研究了道路交通噪
有一定的局限性，具有非线性压电特性的换能器是 声场中石柱和海浪噪声场中塑料桶的空间位置定
信号采集系统的基本单元，由于换能器的介质性、机 位。在地震学中，Campillo [8] 记录了墨西哥两个站
电转换与机械振动的影响，造成超声相控阵的非线 点的地震尾波并重建格林函数的可行性，随后通过
性效应，使得早期的声信号变得模糊；换能器的脉冲 两个站点之间尾波互相关的均值计算说明重建格
响应除了包括从发射到接收的散射信息以外，还包 林函数具有相位一致性的可能。Chaves 等 [9] 利用
含最初激励的残余信息，例如换能器内部的超声波 地震噪声的检测描述了哥斯达黎加尼科亚半岛地
混响信息；紧密排列的超声相控阵阵元使它们之间 震后的地震速度变化。近年，基于噪声源产生的扩
的响应更加复杂，出现相邻阵元之间电子和机械串 散场互相关提取格林函数成为了被动检测成像的
扰的饱和问题；最终形成的近表面噪声导致检测系 重要基础。Chehami等 [10−11] 通过多个传感器的实
统出现盲区，在工程材料中该盲区可以延伸几毫米。 验装置证实可以用噪声互相关特性计算定位混响
实验中近表面缺陷信息全部湮没在盲区中，这种情 弹性薄板中的缺陷，并讨论合适成像和滤波的方法，
况下实现近表面成像已无能为力。尽管在换能器和 提高了检测性能。
测试样本之间加上楔块，能够减小非线性效应的影 本文研究了钢轨近表面缺陷的超声相控阵成
响，但是要以牺牲大部分超声能量作为代价，同时， 像技术，提取延迟后一段时间的扩散场全矩阵，然后
楔块的加入会导致最终成像结果出现伪像。若超声 互相关运算以此产生重建的全矩阵信息，这种重建
相控阵不使用楔块直接检测待测样本，近表面信息 全矩阵不包含直接检测响应的早期饱和的非线性
丢失，典型的全聚焦成像方法和波数成像方法都不 效应，而是包含被噪声湮没的近表面早期缺陷信息。
能够对近表面缺陷成像，甚至任何成像方法也不能 因此，与直接检测获得的全矩阵相比较，重建全矩阵
达到近表面成像的目的。 对早期的信息捕获具有很大优势，因此适合应用在
扩散场 [1−3] 研究的兴起给无损检测领域带来 材料的近表面成像领域。
了很大的帮助，理论和实验研究表明能够从一对传
感器接收到的弹性扩散场信息评估局部的格林函 1 扩散场基本理论
数响应。2001 年前后，Lobkis 等 [1] 和 Weaver 等 [2]
研究了一个传感器发射的情况下，利用两个传感器 超声信号在被检测材料结构中经过足够长的
接收的扩散信号进行互相关运算能够恢复两个传 传播时间，尤其是材料的几何结构复杂，自然会引
感器之间的直接响应，增加声源的个数和均值处理 起监测信号的散射和多反射。超声波传入到有界物
可以提高响应恢复的质量。2007 年，Sabra 等 [3] 研 体之后，在很长的混响时间内，信号的散射、叠加和
究了利用扩散场的互相关特性进行相干导波的提 反射增强了弹性波能量的随机性，结构体中存在着
取，并指出完全扩散场能够更好地评估脉冲响应。 非静态的随机的噪声，该声场为近似均匀化的扩散
Duroux 等 [4−5] 在几何形状复杂的薄铝板上使用激 场。最理想的扩散场是由热波动形成的，能量分布
光脉冲产生扩散场并用激光多普勒振动器扫描采 均匀 [1−2] 。同样，钢轨中的扩散场也具有随机特性，
