Page 94 - 《应用声学》2019年第6期
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可以看出三种成像方法均能对 5个裂纹缺陷进 2.2 缺陷的定位及补偿
行成像识别。幅值全聚焦图像中受到直达波和端面 缺陷的分辨率受到脉冲持续时间 Lamb波传播
回波影响，在阵列布置区域和成像边界处会有较大 速度的影响，即取决于激励信号的周期数和 Lamb
强度的虚像产生，从而产生盲区，导致成像的对比度 波的波长。在数值仿真中激励信号采用中心频率
和信噪比降低，因此不利于没有先验情况下对缺陷
为 300 kHz 的汉宁窗调制 5 周期正弦信号，产生的
的识别。而相位全聚焦成像中，由于多周期信号的
S0 模态 Lamb 波的波长为 18 mm，在一个激励信
瞬时相位不连续性，在 5 个缺陷处有多个峰值的聚
号的周期内 Lamb 传播距离为 90 mm。因此即使
焦点，因此不利于缺陷的定位。在瞬时相位包络全
是数值仿真远小于波长的 5 mm×2 mm 裂纹缺陷，
聚焦成像中，5 个缺陷处的聚焦强度较高，所存在的
在缺陷成像图中会显示为数倍于实际大小的形状，
虚像强度均低于缺陷处的强度，并且缺陷附近只有
以相位包络成像中缺陷 3 为例，其成像大小约为
一个高强度的聚焦点，因此合理设置阈值即可有效
64 mm×32 mm 的矩形。对于缺陷定位坐标一般
识别和定位缺陷。为了进一步分析三种成像方式的
取成像中的缺陷区域的强度最大值处，缺陷 3 的定
检测效果，以缺陷 3 中心横坐标 x = 550 处提取沿 z
位坐标为 (555,431)，与实际位置 (550,400) 相比较，
方向分布的强度曲线，其归一化曲线如图4所示。
缺陷 3 的横坐标定位较为准确，其纵坐标定位误差
1.0
ࣨϙЛᐑཥ 较大。
ᄱͯЛᐑཥ
0.8 Lamb 波的波速 c 由端面回波到达时间和传播
ᄱͯӊፏЛᐑཥ
距离计算而得，在成像算法中，由于受Lamb波长及
ॆʷӑࣨϙ 0.4 激励信号周期的影响，缺陷定位会有相应的 “延迟”
0.6
效应。为了补偿缺陷定位的误差，可以通过波速补
偿法进行定位补偿，补偿后的波速c由式(6)可得
0.2
c = 2L/(t + t a /2), (6)
0
0 100 200 300 400 500
ᡰሏ/mm
其中，L 为换能器阵列与边界的距离，t 为端面回
图 4 沿缺陷 3 中心 z 方向强度曲线图 波的到达时间，t a 为激励信号的持续时间。通过仿
Fig. 4 Strength curve along the z direction of 真信号计算，实际波速 c = 5310 m/s，补偿后波速
defect 3 c = 5020 m/s，波速补偿后的相位包络成像如图 5
由 z 方向强度曲线可以看出，幅值全聚焦成像 所示，补偿后由于波速减小，导致成像图中对端面
受近场区的直达波和边界处的反射波影响，导致在 回波信号也进行聚焦。表 1 给出了波速补偿前后
板的两侧产生较高的声波反射区，缺陷散射回波的 各个缺陷的定位坐标。经过波速补偿后，5 个缺陷
聚焦强度值相对较小。对于瞬时相位全聚焦成像， 的定位误差显著减小，补偿前 5 个缺陷的定位误差
由于将时域幅值信号转换成相位信号，直达波、缺陷 平均值为 26.38 mm，补偿后的定位误差平均值为
的散射回波、端面回波信号都转换为 (−π, π) 的瞬 12.94 mm，有效提高了缺陷的定位精度。此外 5 个
时相位值，因此在缺陷附近 (400∼500 mm) 表现为
强度值高度聚焦，但是在缺陷附近产生了多个波峰
的强度值。在瞬时相位包络全聚焦的强度曲线中， 200 0.9
0.8
缺陷附近的强度值高于幅值全聚焦，并且在正常区 ᡰሏ/mm 100 0.7
300
(50∼450 mm) 的强度值均低于幅值成像，因此瞬时 400 0.6
相位包络全聚焦成像具有更好的信噪比，降低了缺 500 0 200 400 600 800 1000 0.5
ᡰሏ/mm
陷的误检率。除此之外，相位包络全聚焦在缺陷附
近只表现为一个聚焦峰值，因此更容易对缺陷进行 图 5 补偿后的相位包络全聚焦成像
定位。 Fig. 5 Compensated phase envelope total focus imaging
