Page 85 - 《应用声学》2020年第4期
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第 39 卷 第 4 期                    张琪等: 轴类超声检测的波束扩散成像                                          571


                                                               端面进行检测,采用网格化数据采集,按照C扫描的
             0 引言                                              方式进行成像,由于检测深度较大,通常对检测结果
                                                               进行分层成像。C扫描网格化示意图如图1所示。
                 轴类部件是各种机械设备中最常用的承载或
             动力传递部件,该类工件的在役损伤会导致机器剧                                       z          h
             烈振动,增加其他部件损伤的概率,甚至会引起设                                  x
             备的整体失效。因此,对轴类工件进行缺陷检测与
             工况诊断是非常必要的。超声检测技术是工业无损
             检测领域的重要方法,超声检测穿透力强、灵敏度                                  L
             高,且成本低、速度快,可检测长达数米的大型钢
             锻件,因此超声波无损检测方法适合对轴类进行检                                         图 1  C 扫描网格化示意图
             测  [1−2] 。                                               Fig. 1 The gridding diagram of C-scan
                 近年来,国内外有关大型轴类检测和超声信号                              超声检测信号的常规处理方法是对所获得的
             处理成像的研究成果显著。在大型轴类检测方面,                            时域回波信号w(n)进行空间上的声程转化处理,从
             张开良等     [3]  设计了旋转式探头推进系统对空心轴                    而转化为深度信号,即二分之一声程上的回波信号。
             类进行检测,该系统可对轴类内部及外表面的纵向                            声波示意图如图 2 所示,图中 z 为工件长度,p 代表
             缺陷、横向缺陷等进行检测,检测结果表明该方法                            超声信号在检测物体内部声波发射返回所经历的
             灵活度高。牛卫飞等         [4]  采用线性探头的相控阵检测               声程,2倍z 为经过工件底面反射的声程,声波走时t
             游乐设施轴类模拟试件,对比不同频率探头在轴端                            为经历该声程所用的时间;z 1 表示工件内部缺陷距
             面检测缺陷的效果,实验结果表明该方法可以检测                            离扫查端面的深度,2 倍 z 1 为经过缺陷反射的声程
             出长度为 1 m的轴表面的细小人工缺陷。在超声信                          p,走时 t 1 为经历该声程所用的时间,h 代表横截面
             号处理成像方面,宋雨珂等             [5]  通过超声 ALOK 方         分层厚度。若超声在检测物体中的声速为 c L ,将时
             法检测轴类零件内部小孔缺陷,其改进的算法提高                            域信号 w(n) 转变为声程上的空间采样信号 w(z) 的
             了对缺陷位置和尺寸的检测精度。Holmes 等                  [6]  提   计算公式为
             出了全矩阵聚焦成像算法,采用多通道技术表征
                                                                              z = p/2 = tc L /2.          (1)
             材料内部缺陷的几何特征,其成像质量明显优于传
                                                                   C 扫描成像所显示的是工件某一深度的横
             统相控阵偏转聚焦成像算法。Schickert             [7]  采用超声
                                                               截面图像,其成像依据是设定该深度横截面分
             检测混凝土,通过二维切片构建出混凝土构件中的
                                                               层走时时间阀门 [t − t + ],从回波信号 w(n) 中根
             缺陷图像。鉴于大型轴类端面检测的特殊性,本文
                                                               据走时时间阀门挑选出某一深度 z 1 的信号,则
             采用计算机层析成像 (Computer tomography, CT)
                                                               w(z 1 ) = max(t − t + )。示意图如图 2 所示,分层走
             以切片方式构建轴类构件中的缺陷图像。
                 本文以直轴为实验对象,制作了直轴超声检测
             试块,搭建轴类超声检测试验平台,在端面对其内部                                                     p
             的平底孔缺陷进行检测,研究了超声波在轴类内部
             的传播过程,获得了不同频率的深度 -幅值信号图;
                                                                                      h
             提出了基于波束扩散的叠加算法处理超声数据,并                                                p 1
             对处理数据进行层析成像,提高了数据的信噪比,为
                                                                                            z
             研究大型轴类缺陷超声检测和缺陷成像提供了一                                               z 
             种可行的方法。                                                                               h
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                                                                            ஊܸ
             1 原理与方法                                                                       ⊲h

             1.1 大型轴类部件的端面C扫描检测方法                                            图 2  声波反射示意图
                 大型轴类部件安装完成后难以拆卸,通常从其                                Fig. 2 The picture of acoustic reflection
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