Page 256 - 《应用声学》2025年第3期
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(Sign coherence factor, SCF) 与矢量 TFM 成像方
0 引言
法进行结合，对铝试块进行仿真及实验验证，得到
奥氏体不锈钢具有极好的耐腐蚀性、抗氧化性 了更高的成像分辨率及信噪比，使裂纹方向及长
和低温韧性，是一种性能十分优良的材料，它被普遍 度测量结果更准确。Xie 等 [20] 提出了一种基于阈
地应用到航空、化学、核电等众多领域 [1] 。但其在焊 值融合的相位相干系数加权 TFM 成像方法，在降
接过程中会出现晶间腐蚀、应力腐蚀、热裂纹等 [2] 低模型复杂度的同时提高了缺陷尺寸定量分析的
现象，导致焊缝区存在严重的安全隐患。为保证设 可靠性和图像的信噪比。张鑫等 [21] 利用电子背散
备的安全运行，各行业要求对关键设备中的焊缝进 射衍射技术建立奥氏体不锈钢窄间隙焊缝仿真模
行强制性 [3−4] 无损检测。 型，结合 TFM 与相位相干成像 (Phase coherence
目前奥氏体不锈钢焊缝的检测方法有射线检 imaging, PCI) 进行仿真和实验，结果显示提高了成
测、渗透检测 [5] 、超声检测等。其中，射线检测 [6−7] 像信噪比。相位相干因子虽然能改进晶粒材料缺陷
难以检测出危害性大的裂纹、未熔合等缺陷，渗透 检测，但是无法解决近场盲区对于缺陷检测的影响。
检测使用范围有限，难以检测缺陷的深度。超声波 Potter 等 [10] 提出通过计算散射全矩阵之间的相互
能有效检测出裂纹、未熔合等缺陷，但是超声波在 关系来检索非均质格林函数来恢复近场信息，提高
奥氏体不锈钢焊缝中传播时，易受到粗大柱状晶组 了 TFM 在近场范围内的检测能力，研究还表明，使
织 [8−9] 的影响，使得超声波波束会发生散射和畸变 用适当的加权函数将相干和重构的全矩阵结合起
等。此外，由超声波检测系统的物理限制引起的非 来，也可以恢复近场信息并成像。Zhang等 [22] 采用
线性效应 [10] ，使得早期的声学信息被掩盖，增大了 瞬时相位相干因子和瞬时相位加权因子对格林函
探头下方部分缺陷的检测难度。熔合区位于母材 数进行加权并对瞬时相位相干因子引入功率指数，
区与熔融区的交界处，虽然相较于焊缝区各向异性 有效地复原早期信息，降低了背景噪声，提高了信
等特性相对缓和，但相对于母材区还是有出现晶粒 噪比。
粗大等问题的可能。对于奥氏体不锈钢材料，常规 综上所述，本文提出一种优化相位相干加权因
相控阵超声检测技术 [11−13] 的检测效果受到一定 子的全聚焦成像算法 (Optimizing phase coherence
限制。 factor-total focusing method, OPCF-TFM)。通过
全聚焦成像算法 [14] (Total focusing method, 对权重矩阵进行增益处理，使 TFM 矩阵信号在整
TFM) 作为一种超声成像后处理方法，与常规相控 体上保持一致性，利用优化后的相位相干因子对结
阵超声检测技术相比成像范围更广，具有很高的 构噪声和近场噪声进行降噪处理，通过对奥氏体不
检测精度和信噪比 [15] ，但会增大结构噪声 [16] 。近 锈钢焊缝的 ϕ1 mm 横通孔缺陷进行成像检测实验，
年来大量学者对奥氏体不锈钢焊缝进行了 TFM 成 分析比较本文算法与 TFM 成像算法、PCI 算法和
像实验和算法改进。姜柏涛等 [17] 建立了奥氏体不 超声相控阵检测的区别。
锈钢焊缝非均匀各向异性声场仿真模型并进行了
TFM成像实验，提高了缺陷分辨率和定位精度。杨 1 理论基础
敬等 [18] 通过射线追踪技术确定了各向异性介质中
声波传播路径，研究出一种新的 TFM 成像技术，可 1.1 TFM算法
以有效地检测各向异性焊缝中的缺陷，并且通过数 根据 TFM 成像算法，成像点 P(x, z) 的幅值计
值模拟和实验，可以获得更加精确的缺陷定位结果。 算式为 [14]
吴斌等 [3] 使用多模式复合 TFM 成像方法提高了奥 N N
∑ ∑
氏体不锈钢小径管焊缝缺陷成像的信噪比，且减少 I TFM (x, z) = h(x i , x j , t ij ), (1)
i=1 j=1
了伪像的产生。
近年来大量学者发现通过相位相干因子对 其中：h 表示对信号进行希尔伯特变换，传播时间
TFM 算法进行加权改进，可以减少结构噪声，提 t ij (x, z)可以由式(2)表示为
高缺陷的信噪比。焦敬品等 [19] 将相位一致因子 √ (x − x i ) +y + √ (x − x j ) +y 2
2
2
2
t ij (x, y)= , (2)
(Phase coherence factor, PCF) 和极性一致因子 c
