（机械工程专业论文）铸造铅锑锡合金的超声检测技术.pdf

四川大学工程硕士学位论文 丫5 6 5 1 8 2 铸造铅锑锡合金的超声检测技术 机械工程专业 研究生徐彦霖指导教师康戈文罗存康 本文主要研究了铸造铅锑锡合金的超声检测方法。测试了其声学特性参 数并研制了专用聚焦超声换能器，通过优化检测参数，采用直接接触法和水 浸c 扫描成像技术实现了对铸造铅锑锡合金的超声检测。和射线照相做了对 比试验，结果表明超声成像检测具有较高的检测灵敏度和可靠性。 测试了铸造铅锑锡合金的声速特性参数：纵波声速为2 3 4 6 k m s ，声阻抗 为2 4 3 9 1 0 6 k g m 。2 s ，声衰减系数( 2 5 m h z 纵波测试) 为0 5 0 7 0 0 7d b m m 。 研制了带曲面声透镜的聚焦换能器，其相关指标为：换能器晶片尺寸： 2 0 m m 、标称频率2 5 m i - i z 、水中焦距2 5 m m 、焦斑尺寸：2 m m 。其焦斑尺寸 和焦距指标远高于市购换能器相应技术指标。 平面试块人工缺陷超声检测研究结果表明，对厚度大于3 5 m m 的铅锑锡 合金实施超声检测时，通过提高脉冲电压来增大声能以降低材料衰减对检测 深度及缺陷信号的影响，并在检测中对耦合衰减进行补偿和控制，采用直接 接触法可检出试块中的三个缺陷；通过优化超声检测仪的检测参数，采用研 制的水浸聚焦换能器对铸造铅锑锡合金试件实施了水浸超声c 扫描成像检 测，可检测出由10 m m 的人工平底孔缺陷。 由试环的超声和射线对比检测结果可知：对厚度为3 m m 左右的铅锑锡 合金试样，水浸超声c 扫描成像检测和射线检测均可检测得到缺陷得形貌及 分布位置图形，而且得到的图像比较一致，说明超声c 扫描成像检测的结果 是可靠的，超声成像还可以精确确定内部缺陷的深度位置。对铅锑锡合金厚 度大于3 ，5 m m 的内部质量进行检测时，由于x 射线机透照能力的限制，只能 采用超声检测方法。 关键词：铸件，超声检测，铅锑锡合金，c 扫描，聚焦超声换能器 四川大学工程硕士学位论文 u l t r a s o n i ct e s t i n go np b s b s nc a s t i n ga l l o y m a j o r ：m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g g 缸a d u a t e ：x u y a n l i n s u p e r v i s o r ：k a n g g e w e n l u o c u n k a n g t h em e t h o do fu l t r a s o n i ct e s t i n gf o rc a s t i n go fp b s b s na l l o yi sm a i n l y s t u d i e di n t h i s p a p e r i t s a c o u s t i c s p a r a m e t e r sa r e m e a s u r e da n dt h e s p e c i a l f o c u s i n gu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri s s t u d i e da n dm a d ef o rt e s t i n g w i t ho p t i m i z i n g t e s t i n gp a r a m e t e r s , u l t r a s o n i ct e s t i n g t op b s b s n c a s t i n ga l l o yi sr e a l i z e db yd i r e c t c o n t a c tm e t h o da n dw a t e r - i m m e r s i o nc - s c a ni m a g i n gm e t h o d ，t h er e m i to f c o n t r a s tt e s tw i t l lr a d i o g r a p h ys h o w st h a tu l t r a s o n i ci m a g i n gt e s t i n gh a sh i g h e r s e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t y a c o u s t i c sp a r a m e t e r so f p b s b s nc a s t i n ga l l o yw a sm e a s u r e d i t sl o n g i t u d i n a l w a v es o u n dv e l o c i t yi s2 3 4 6k l n sa n di t sa c o u s t i ci m p e d a n c ei s 2 4 3 9 1 0 0 k 2 m - 2 s i t sa c o u 鲥ca t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ti s 0 5 0 7 土- 0 0 7d b m mw h i c hi s m e a s u r e dw i t h2 5 m h z l o n g i t u d i n a l w a v e t h ef o c u s i n gt r a n s d u c e rw i t hs p h e r i c a la c o u s t i cl o i l si ss t u d i e da n dm a d e ，i t s n o m i n a le l e m e n ts i z ei s2 0 m ma n di t sn o m i n a lf r e q u e n c yi s2 5 m h z i t sf o c a l d i s t a n c ei nw a t e ri s2 5 r a ma n di t sf o c a ls p o ts i z ei s2 m m 。t h ef o c a ld i s t a n c ea n d f o c a ls i z ei sb a t t e rt h a n 廿l a to f t h et r a n s d u c e rb o u g h t t h er e s u l to ft h eu l t r a s o n i ct e s t i n gt oa r t i f i c i a ld e f e c to np l a t eb l o c ks h o w s t h a tt h r o u g hc o m p e n s a t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ec o u p l i n ga t t e n u a t i o n , t h r e ed e f e c t s i np b s b s na l l o yc a nb ed e t e c t e dw i t hd i r e c tc o m a c tm e t h o d b yi m p r o v i n gi m p u l s e v o l t a g e t oi n c r e a s ea c o u s t i ce n e r g ya n dd e c r e a s et h ee f f e c to fa t t e n u a t i o nt 0t e s t i n g d e p t ha n dd e f e c ts i g n st h r o u g ho p t i m i z i n gu l t r a s o n i ct e s t i n gp a r a m e t e r sa n d u s i n gf o c u s i n gt r a n s d u c e r , t h ea r t i f i c i a lb l a t - b o t t o mh o l ew i t hl m m d i m e n s i o nc a n b ed e t e c t e dw i t hu l t r a s o n i cc - s c a n i m a g i n gs y s t e m i ti sk n o w nf r o mt h ec o n t r a s tt e s tr e s u l tb e t w e e nu l t r a s o n i cc - s c a na n d r a d i o g r a p h yt h a tt h es h a p ea n dt h ed i s t r i b u t i o no f d e f e c t si np b s b s na l l o y , t h e 2 四川大学工程硕士学位论文 t h i c k n e s so f w h i c hi sw i t h i n3 m m 咖b eo b t a i n e dw i t ht h e s et w o t e s t i n gm e t h o d s n o t o n l yo b t a i n e di m a g e s a r es i m i l a rw h i c h p r o v e t h e t e s t i n gm e t h o d o f u l t r a s o n i c c - s c a ni m a g i n gi sr e l i a b l e , b u tt h ed e p t ho fd e f e c tc 柚b em e a s u r e da c c u r a t e l y w i t hu l t r a s o n i cc - s c a ni m a g i n gm e t h o d w h e nt h et h i c k n e s so fp b s b s na l l o yi s b e y o n d3 5 m m , t h ep e n e t r a t i n ga b i l i t yo f x - r a yd e t e c t i o na p p a r a t u s i sl i m i t e da n d o n l yu l t r a s o n i ct e s t i n gm e t h o dc a n b eu s e d k e y w o r d s ：c a s t i n g u l t r a s o n i ct e s t i n g ，p b s b s na l l o y , c - s c a n , f o c u s i n g u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s 3 四川大学工程硕士学位论文 引言 铸造铅锑锡合金采用砂型铸造，其常见缺陷包括：气孔、冷隔、砂眼， 渣气孔、夹杂等。由于铸造铅锑锡含金零件为重要装置用重要零部件，对工 件内部缺陷的尺寸和分布有严格的要求，因此，对铸造铅锑锡合金铸件的内 部质量必须进行无损检测。 一般工业用铅合金无无损检测要求，而对铸件无损检测的相关资料均为 铸钢或铸铝的无损检测，对铅合金的超声检测根据相关检索报告未见报道。 由于铅锑锡合金为射线的强吸收材料，一般的工业用x 射线检测设备难以满 足检测的穿透性要求，铸造铅锑锡合金零部件的无损检测曾采用中子照相法 检测“”。由于中子不能对感光材料发生作用，采用“转换屏x 射线胶片” 直接曝光方法，用半衰期极短的材料( 钆一1 5 7 和锂6 ) 做成转换屏，连同 x 射线胶片贴在一起，置于压紧型或真空型暗盒内，由转换屏吸收中子而放出 的次级射线，直接使胶片感光成像。其主要缺点为：中子束中的寄生y 射线 可以直接干扰中子图像。影响照相质量而使检测图像模糊；同时，由于转换 屏为硬性屏，对曲面工件检测时，胶片难以与被检工件紧密贴合，使检测结 果影像发生畸变，影响缺陷的定位和定量，从而影响检测结果的准确性和可 靠性。由于中子照相检测需要使用中子源，其设备费用、射线防护所需的基 建费用和使用维护费用相当昂贵。而超声检测在这方面具有很大的优势，对 于衰减较大的材料进行检测时，通过降低检测探头的频率，可以提高其对强 衰减材料的检测厚度，为强衰减材料的检测提供了一种有效的检测方法；超 声检测的另一个优点是能够精确测定材料内部缺陷的深度位置，同时还能够 确定缺陷的大小，能够定量检测材料中的缺陷；此外超声检测还有实用性强、 检测灵敏度高、对人体无伤害、使用灵活、设备轻巧、成本低廉、可及时得 到检测结果等优点。超声检测具有穿透力强，对裂纹等平面型缺陷非常敏感， 检测对像范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、速度快、使 用方便等特点，因而采用超声检测方法对铸造铅锑锡合金进行检测。 本项目主要研究了铸造铅锑锡合金的超声检测方法。测试了其声学特性 参数并研制了专用聚焦超声换能器，通过优化检测参数，采用直接接触法和 水浸c 扫描成像技术实现了对铸造铅锑锡合金的超声检测。和射线照相做了 四川大学工程硕士学位论文 对比试验，结果表明超声成像检测具有较高的检测灵敏度和可靠性。 本文共分七章，第一章为铸件的常见缺陷及无损检测方法，介绍了铸件 的常见缺陷及产生原因、铸件的常用无损检测方法及本项目的研究内容和技 术路线；第二章为超声检测的原理及进展，对超声检测的原理、方法及超声 检测技术进展进行了描述；第三章为超声检测装置和实验方法，描述了开展 本项目使用的超声c 检测成像装置及数据采集和分析系统；第四章为铸造铅 锑锡合金声学特性参数测试，对铸造铅锑锡超声检测涉及的声学特性参数进 行了测试；第五章为超声换能器的研制和选择，描述铸造铅锑锡合金超声检 测换能器的选择原则，研制了水浸聚焦换能器；第六章为铸造铅锑锡合金的 超声检测，采用不同的检测方法对人工缺陷试件进行了检测，并对自然缺陷 试样进行了对比试验；第七章为结论。 2 四川大学工程硕士学位论文 第一章铸件的常见缺陷及无损检测方法 1 1 铸件常见缺陷类型及产生原因) o o ) 铸件在工业生产中得到广泛的应用，提高铸件的质量和可靠性具有十分 重要的意义( 这里所讲的铸件是指铸件质量产品) 。质量铸件又因为铸造材料、 铸造工艺条件的不同，其产生的缺陷特征也不相同。根据g b 5 6 1 1 - 8 8 铸造名 词术语铸造缺陷标准，铸造缺陷包括尺寸与重量超差、外观质量低、内部 质量不健全、材质不符合验收技术条件及其它疵病等。本处所描述的铸件缺 陷主要指g b 5 6 1 1 中的孔洞类缺陷，裂纹、冷隔类缺陷，夹杂类缺陷等。几 种典型的铸件缺陷及形成原因：1 ) 气孔气孔形成的原因可能是铸型未及时 浇注，导致型砂返潮，气体浸入钢水而在表层部位出现气孔；型砂中部分砂 粒不洁净干燥，气体同砂粒混在一起而造成砂眼；钢水脱氧不完全，残留气 体偏多而出现气孔。气孔和砂眼一般呈圆形。2 ) 夹砂和夹渣夹砂是由于铸 型表面的沙砾和高温的金属液相接触被卷入金属液中而产生，夹渣是金属液 包含的杂质没有上浮而形成。夹砂和夹渣大多数带有一定的棱角，在其附近 多有气孔产生。3 ) 、缩孔主要是液态金属在凝固过程中补缩不足而产生。4 1 、 裂纹铸件中的裂纹一般可以分为缩孔性裂纹、冷却裂纹( 冷裂纹) 和凝固裂 纹( 热裂纹) 。缩孔性裂纹多是由于缩孔部位受到收缩应力大于钢的强度而产 生。冷却裂纹则是铸件冷却过程中相变应力过大而形成。凝固裂纹往往是铸 件在高温状态凝固时，自由收缩受阻时产生。 1 2 铸件的常用无损检测方法( 1 h 2 4 ) 无损检测即在不损及其将来使用和使用可靠性的方式，对材料或制件或 此两者进行宏观缺陷检测，几何特性测量，化学成分、组织结构和力学性能 变化的评定，并进而就材料或制件对特定应用的适用性进行评价的一门学科。 对工程材料而言，非均一的组织结构、随机出现的微观、宏观缺陷常常可以 甚至只能依靠无损检测技术的应用方可发现和评价。无损检测技术是现代 工业产品制造和使用过程中不可缺少的测试技术之一，它综合了现代物 理、电子学、材料学和计算机技术学科的新成就应用于材料和产品的检 测，无损检测技术的应用已经涉及到从材料工程科学的发展、设计、研制生 四川大学工程硕士学位论文 产、使用过程的各个方面。 对铸件表面或近表面缺陷一般根据被检铸件性质，选用液体渗透、磁粉或 涡流检测方法进行检测。对铸件内部缺陷的检测，主要采用的是射线照相检 测、超声检测和涡流检测。其中以射线照相检铡方法最好，因为它能得到反 映内部缺陷种类、形状、大小和分布情况的直观图像。但是对于大厚度的大 型铸件，超声检测则是很有效的，可以比较精确地铡出内部缺陷的位置、当 量大小和分布情况，随着超声检测技术的不断发展和提高，它在铸件检测中 的用途也越来越广泛。例如测定球墨铸铁中的石墨球化率等。涡流检测方法 从检测内部缺陷的深度来说是有限的，埋藏深度比较大的内部缺陷，难以稳 定地检测出来，是一种缺陷图像非直观的检测方法，但是涡流和电磁现象密 切相关。因此它对铁磁性材料铸件来说，可以用来按成分、表面硬度和组织 等的差异将铸件进行分类，当然也可以将混杂在铁磁材料中的非铁磁性材料 辨别出来。随着无损检测技术的不断发展和扩大，红外线热图像技术已经出 现。从铸铁试板获得的一些初步试验结果，证明这种红外热图像方法用于铸 件是很有希望的。 1 2 1 射线照相检测方法 射线照相检测方法能得到反映内部缺陷种类、形状、大小和分布情况的直 观图像，用于检查各种金属材料铸件的内部缺陷，需要有产生射线的设备和 其它的附属设施。当工件置于射线场照射时，射线的辐射强度就会受到铸件 内部缺陷的影响。使得穿过铸件射出的辐射强度随着缺陷大小、性质的不同 而有局部的变化，形成缺陷的射线( 强度) 图像，通过射线胶片予以显像记录， 或者通过荧光屏实时系统予以实时检测观察，或者通过辐射计数仪检测。通 过射线胶片显像记录的方法是最常用的方法，这就是通常说的x 射线照相检 测。射线照相反映出来的缺陷图像是直观的，缺陷形状、大小、数量、平面 位置和分布范围都能呈现出来，只是距离铸件表面的深度一般反映不出来， 需要采取特殊措旌和计算才能确定。但缺陷图像有永久的记录，是铸件射线 检测最常用的方法。 近年来，从传统的胶片x 射线照相技术过渡至数字x 射线技术，特别是 非胶片化数字射线照相技术，不但大大降低检测成本，还可以有效保护环境。 4 四川大学工程硕士学位论文 数字x 射线成像设备有两种基本构成。一种成像装置是由平面无定形硅或无 定形硒传感器阵列组成。面板的有效成像区域从4 x 4 到1 8 x 2 0 英寸。面板 尺寸约为6 x 6 到2 4 x 2 4 ，厚度约为2 英寸，重量约为1 5 磅。阵列通过薄膜 换能器技术生成，像素大小为1 2 3 - 4 0 0 微米。所有设备直接和计算机接口连 接，生成的数字图像直接显示在计算机或视频工作站上。另种成像装置是 由线性二极管组成( l d a ) 。将一种用特殊材料制造的新型射线探测元件排列成 一个线性阵列，并将它们直接与一块大规模集成电路耦合连在一起，同步完 成射线接收、光电转化、数字化的全过程。这种“射线一数字”的直接转换方 法，人幅度减少了信号长距离传输和转化过程中由于信嗓比降低带来的各种 干扰信号，配合使用相应的滤波电路，实现动态降噪，从而保证了系统在动 态检测时也具有噪声低、灵敏度和图像分辨率高的特点。射线探测单元的几 何尺寸仅为o 0 8 r a m x o 0 8 m m ，因此具有极高的空间分辨率，达到了6 l p m m 。 图1 1 铝台金铸件的数字射线图像 图1 2 线性二极管组成( l d a ) 成像系统结构图 1 2 2 中子照相检测方法 中予照相是利用发散角很小的均匀的准直中子束垂直穿透需要检验的物 体。由于中子不带电荷，它在穿透物体时，与原子的核外电子层不发生电子 库仑力作用，从而可轻易地穿过电子层，直接击中原子核而发生核反应、如 吸收反应，裂变反应或散射反应等。这种核反应越强烈，中子强度减弱越多， 从而使穿透中子束的强度发生相应的减弱。这种反应的强弱，与物体内部单 位体积内核素性质、核素种类、原子核密度有关，也与被穿透物体的厚度有关。 四川大学工程硕士学位论文 一一逍图 6 四川大学工程硕士学位论文 程度来评价铸件质量。超声检测方法和其他检测方法相配合，是合理、准确 地进行缺陷判定和质量评价的最佳途径。 铸件一般的形状都比较复杂，对于不规则形状或者说形状复杂的铸件，解 决的途径一般应该是针对铸件产品的特点和技术要求，设计和制造出同材质 的相应试块，事先做出必要的参考试验数据，然后用于实际检测中去，其中 要注意检测面曲率影响的增益补偿，铸件与试块材质衰减和表面粗糙度不同 的补偿，不同深度的缺陷在深度影响上增益的扣除等。特别要注意因结构形 状无底面反射波( 即底波) 或底波降低情况下的缺陷判断。为此要事先了解铸件 结构形状，最好以作图方式结合各种反射波的位置进行比较精确的缺陷辨别 判断。如果在因结构形状无底波的情况下，在声束声程中还存在孔洞大小与 晶粒相仿的局部疏松缺陷，则难以发现了。因为疏松颗粒对入射声束的绕射， 也造成接收不到反射波。为此需要变换探测频率进行试验，或采取其他检测 方法f 如射线照相) 进行补充检测。还有一些铸件有许多自身的特点，如铸铁中 存在着石墨和各种形式的碳化物，使超声检测时的衰减增大，较小缺陷的检 测能力降低。 1 3 本项目研究内容与技术路线 铸造铅锑锡合金材料的化学成分符合表1 1 规定： 表1 1 铸造铅锑锡合金化学成分 l合金牌号主要元素 p bs bs n i z p b s b l o s n 28 69 o 1 1 o1 o 3 0 本项目的研究目的就是针对铸造铅锑锡合金部件，通过研制专用超声检 测换能器，选择和优化检测参数，研究得到铸造铅锑锡合金部件的超声检测 工艺方法，以实现对铸造铅锑锡合金的超声检测。 1 3 1 主要研究内容 本课题是为了实现对铸造铅锑锡合金的超声检测，通过对铸造铅锑锡合 金超声检测相关声学特性参数( 如材料的声速、声阻抗、超声衰减系数) 的 7 四川大学工程硕士学位论文 测试，超声检测换能器的研制和选择，检测参数的选择和优化，实现对铸造 铅锑锡合金的超声检测，可检测出中1 o 平底孔的人工缺陷。 132 技术路线图 为了对铸造铅锑锡合金实旌超声检测，必须了解铸造铅锑锡合金材料与 超声检测相关的超声特性参数如声速、声阻抗及超声衰减系数等，以便为实 施超声检测所需的换能器的选择及研制，检测参数优化等提供依据。因此， 本项目采用的技术路线如图1 4 示： 测试合金声篝特性参数 y l 声速测量声阻抗测量衰减系数测量 山 研制专用换能器 士 l 铸造铅锑锡台辱的超声检测i i 选择优隹检测参数 t 检测结果验证 图1 4 技术路线图 哩川大学工程硕士学位论文 第二章超声检测的原理及进展 2 1 超声检测原理和方法a 4 ) 超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在无损检测技术的 发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学 性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。 用于检测的超声波的频率在05 1 0 m h z 之间，超声波被用于无损检测 主要是因为有以下几个特性：超声在介质中传播时，遇到界面会发生反射； 超声波指向性好，频率越高，指向性越好；超声波传播能量大，对各种材料 的穿透力较强。超声波探伤主要是通过测量信号往返于缺陷的渡越时问，来 确定缺陷和表面间的距离；测量回波信号的幅度和发射换能器的位置，来确 定缺陷的大小和方位，这就是通常所说的脉冲反射法或者a 扫描法。此外还 有b 扫描和c 扫描等方法。b 扫描可以显示工件内部缺陷纵截面图形，c 扫 描可以显示工件内部缺陷的横剖面图。超声检测对于平面状的缺陷( 例如裂 纹) ，只要超声波束与裂纹平面垂直，就可以获得很高的缺陷回波。 超声波的检测方法通常有接触法与液浸法。接触法就是探头与工件表面 之间经一层薄的耦合剂直接接触进行超声的方法，耦合剂主要起到传递超声 波能量的作用。图2 ，l 为接触法示意图。该方法操作方便，但对工件表面粗糙 度要求较严。液浸法就是将探头和工件全部浸入液体进行探伤的方法。用液 浸法纵波探伤时，当超声束达到液体与工件的界面时会产生界面波，如图2 2 所示，由于水中声速是钢中声速的1 4 ，超声波从水中入射钢件时，产生折射 后波束变宽。为了提高检测灵敏度，常用聚焦探头。 t - _ 发射渡( 始波) 、f 缺陷波、卜底波 图2 1 接触法超声检测示意图 9 一直 四川大学工程硕士学位论文 1 l 发射渡( 始渡) 、s 一界面波、f 缺陷波、b 一底波 图2 2 液浸法超声检测示意图 在对工件进行超声检测之前，应了解被检工件的材料特性、外形结构和检 测技术要求；熟悉工件在加工的各个过程中可能产生的缺陷和部位，以作为 分析缺陷性质的依据；根据检测目的和技术条件选择合适的仪器和探头，并 进行仪器性能的测试；选择检测方法和耦合剂及其探测条件，如适当的频率 等。对同种材料而言，频率愈高超声衰减愈大；对同一频率而言，晶粒愈粗 衰减愈大。对细晶粒材料，选用较高频率可提高检测灵敏度，因为频率高波 长短，检测小缺陷的能力强。同时频率愈高指向性愈好，可提高分辨力，并 能提高缺陷的定位精度。但是提高频率会降低穿透能力和增大衰减，因此对 粗晶和不致密材料及厚度大的工件，应选用较低的探测频率。 2 2 超声检测技术进展超声成像技术和超声检测的信号分析o x 2 4 x 4 2 x * s ) 在现代无损检测技术中，超声成像技术是一种令人瞩目的新技术。无损检 测技术的基本目的是检测出被检物体中的缺陷，并确定其位置、大小和性质。 物体的超声图像可提供直观和大量的信息，直接反映物体的声学和力学性质， 丽这些性质恰是应用断裂力学评价材料的依据。当然，超声成像技术还具有 对人体无害、设备投入和使用费用相对较低等超声检测方法所共有的优点。 此外，现代超声成像技术大都有自动数据采集、自动数据处理和自动做出评 价的功能，使超声成像成为现代定量无损检测的种重要技术。现在，超声 成像在医疗诊断、地震遥感、地质勘探、海洋研究、材料科学等领域正在日 益开辟新的用途。超声成像技术有着非常广阔的发展前景。 2 2 1 超声成像技术 1 0 四川大学工程硕士学位论文 声波同光波一样可用于成像。声学性质不均匀的物体可使声波产生聚集 或产生干涉，形成图像。参与声成像的声波可以是横波、纵波及表面波等不 同类型的波。但是，一般应避免几种声波同时参与成像，以免造成叠影或伪 像。脉冲声波和连续声波都可用于成像。 由声波直接形成的图像称为“声像”。由于生理的限制，人们是不能直接 感知声像的。对于声像，必须采用光学的或电子学的或其它的方法转换为肉 眼可见的图像或图形。这种肉眼可见的像称为“声学像”。声学像反映了物体 内部某个或几个声学参量的分布或差异。反过来对于同一物体，利用不同的 声学参量，例如声阻抗率、声速或声衰减等，可以生成不同的声学像。因此， 传统的声成像技术通常涉及三个过程：1 ) 、形成声像；2 ) 、将声像转换成声 学像；3 ) 、对声学像做出正确的判读与解释。6 0 年代，激光的发明和光学全 息技术的成就极大地刺激了人们对声成像的兴趣。然而，在声学领域简单地 模仿光全息等光学成像方法遇到极大的障碍，迫使人们寻找和应用新技术。 由此发展出了超声全息成像、直接超声显像( d u v d ) 等超声一光学成像方法 以及超声b 扫描、c 扫描、超声显微镜等超声一电子学方法。随着计算机技术 的发展，在计算机技术、信息处理技术等基础上，根据声波特点发展出各种 新成像方法，已经逐步取代了简单的光学成像方法。 由于迄今尚未发现或发明像感光胶片那样具有高分辨率、高灵敏度的面 积型“感声片”，所以一般使用高灵敏度的压电换能器接收声波。原则上讲， 它是一种点接收器，必须用大量的压电换能器组成阵列来接收图像。例如， 一个仅有6 4 x 6 4 单元( 这些单元称为像素或像元) 的图像就需要4 0 9 6 个压 电换能器，再加上相关的电子线路，使接收设备十分的庞大和昂贵。使用扫 描接收方式，可大大减少接收换能器数量。另一方面，声波是相干性很好的 波，且由压电接收换能器产生的电磁波与被接收声波有着相同的频率和确定 的相位关系，即它们也是相干的。因此产生的声像的一部分物理过程可以用 电子线路来模拟和代替。进一步将电子信号数字化以后声像的形成过程还可 以由电子计算机来取代。 上述两方面导致了与传统成像方式很不相同的扫描成像原理和技术。利 用压电( 或其它方式) 的点换能器( 或换能器线阵) 反射，接收超声波，对更 四川大学工程硕士学位论文 经常的是直接对被成像的物体( 声目标) 作扫描，将声像或声目标逐点转换 成电信号：然后用高增益的电子线路对信号进行放大、处理，或者再进一步 利用模数转换将模拟图像信号转换成数字图像信号，并加以存储。再利用各 种现代信号处理技术和声学理论来组织和处理这些信号，最终逐点地构造出 物体的声学像，并在荧光屏上显示出来；最后的过程通常称为图像重建或重 构。在扫描成像中，声学像是由离散的有限个单元，即像素或像元组成。成 像的过程通常更直接地表现为数据采集和图像重构两部分。 b 、c 、d 扫描成像及a 扫描 超声波回波在示波器荧光屏上直接显示，荧光屏上的x 轴代表脉冲回波 的渡越时间或缺陷距离，而y 轴代表回波的振幅，这种显示方式称为a 扫描。 将示波管和电子束作强度调制，即用荧光屏上的每一点代表被测样品某个截 面上的一个点，而用亮度的大小表示从样品上对应点测得的回波振幅的大小， 就得到b 、c 、d 显示方式。b 扫描显示的是与声束传播方向平行的且与样品 的测量表面垂直的剖面；d 扫描所显示的是与声束平面和测量平面都垂直的 剖面；c 扫描显示的是样品的横断面图。超声b 、c 扫描成像设备简单、操作 容易，已成为最普通的两种超声成像方法。 超声显微术 超声显微技术是利用物体声学特性的差异来显示器细微结构的技术。由 产生或接收的不同手段形成了不同种类的声学显微镜，其中较重要的由机械 扫描声显微镜( s a m ) 和激光扫描声显微镜( s l a m ) 。 s a m 的工作原理与c 扫描相似。接收与发射聚焦探头构成共焦系统，声 束焦斑直径接近于声波长。样品置于焦平面上并作栅格式机械扫描。机械扫 描与示波管的电子束扫描同步，从示波管屏幕上就得到对应于物体被照射部 位的声学像。按超声的传播方式，s a m 分为透射式和反射式，后者应用较广。 f 扫描图像显示系统 f 扫描( 又称特征扫描) 采取特征扫描的方法，利用计算机全波列采集 检测信号，提取和存储许多特征，经信号处理后，按多种特征进行成像显示。 检测特征包括：超声波波形的上升时问、下降时间、脉冲周期和频谱特性等。 f 扫描集成了c 、b 扫描的优点和功能，但f 扫描的检测能力远远超过c 、b 四川大学工程硬士学位论文 扫描。除了检测局部缺陷外，还能够对检测信号进行频谱分析、数字滤波； 通过各种特征量的提取和重构，能够实现缺陷的自动识别，从而提高了定量 的精度。 p 扫描图像显示系统 p 扫描是投影成像扫描的简称，是专为焊缝检测开发的。两个斜楔探头 位于焊缝两侧并按事先规划好的方法扫查，扫查可手动或自动。检测到的声 波以l d b 的精度记录于磁带上。然后检测的结果送到p 扫描处理器，它以声 线理论为基础进行计算，并将计算结果以两个投影图的方式显示：一个是俯 视图，将投影面平行于表面；另一个是侧视图，投影面平行于焊缝，且垂直 于表面。由两张视图及附加图可大致估计焊缝中缺陷的形状和空间位置。使 用不同的显示阈值，这相当于不同的检测灵敏度，会得到差别很大的显示图 形。确定正确的显示阈值通常要凭经验的积累。 p 扫描系统较简单。大部分硬件可由商品仪器搭配而成，而且可将自动 扫描器固定在现成的自动焊接机上，十分便利。 a l o k 超声成像技术 a l o k ( 德文) 视“振幅传播时间位置曲线”的缩写，其成像的基本 原理是在采集数据时不加时间闸门，测量系统记下探头在各测量点p i 得到的 回波串中所有的正峰值及其出现的时间。a l o k 允许3 2 个不同的探头同时在 线收集数据。成像和数据分析事后在3 2 位中型计算机上进行。根据几何声学 原理，回波的传播时间在重构空间中确定了圆心在测量点p i 的一条圆弧。许 多圆弧的交点就是重构出的缺陷的像点。回波振幅用来对重建图像作修正。 振幅修正后可提高信噪比约2 0d b 。由上述原理己发展出许多不同的复杂的重 建算法。 a l o k 成像系统是目前少数获得实际应用的高级成像系统之一。a l o k 成像分辨率约为45 m m 。a l o k 成像系统还能对存储数据进行a 、b 、c 扫描 显示。由于裂缝性缺陷的表面以镜面反射为主，a l o k 对裂缝的平直部分的 重建还存在困难。 合成孔径聚焦成像技术( s a f t ) 用换能器阵列的各阵元接收来自同一物点的声信号，并对所得的相应的 四川大学工程硕士学位论文 电信号引入适当的时间延迟，使它们同时到达输出端作叠加输出，就实现了 对该物点发出的声波的聚焦接收。这种成像方式称为合成孔径聚焦成像。上 述聚焦方式称为时延聚焦。此外还可采用引入相位延迟的方式来聚焦，称为 相延聚焦。 s a f t 是7 0 年代发展起来的一种高级声成像技术，现在处于实验室研究 阶段。s a f t 成像的分辨率高，能在近场区工作，并能实现三维成像。然而， s a f t 需用比a l o k 多得多的数据。对每一个孔径点，s a f t 需要采集和存储 整个回波信号，即全波采样。其重建理论也更加复杂，无论对硬件和软件， s a f t 成像系统的要求都较高。 渡越时间成像( 咖) 超声波入射到线状缺陷时，在缺陷的两端除普通的反射波外还会产生衍射 波。衍射能量在很大角度范围内传播并且假定它们都源于缺陷的端部。这与传 统的超声波完全不同。传统超声波主要依靠从缺陷上反射的能量的大小来判断 缺陷。 图2 3t o f d 棘理 t o f d 技术采用一发一收的方式。通常使用压力探头，主压力波的反射角 范围是4 5 0 至7 0 0 。如图2 3 所示，发射探头发射横向纵波。沿表面传播的一束 被接收探头接收，形成外壁正向信号波，它是区分和测量缺陷的参考。焊缝中 的横向纵波遇到缺陷后在缺陷尖端产生衍射波，形成负向信号波。同样，缺陷 下端也会产生衍射波，被接收探头接收后形成正向信号波。发往内壁的波束经 内壁反射后被探头接收，形成负向信号。 t o f d 以b 扫的形式显示出来。这里的b 扫与传统意义上的b 扫一致，它 是试件的截面二维视图，一个轴代表探头的运动，另一个轴代表外壁、内壁和 1 4 四川大学工穗硬士学位论文 缺陷的深度( 如图2 4 ) 。t o f d 目前在国际上并没有标准将它作为一项独立的 超声波检测手段，更多的是作为双门带状圈的辅助工具，用于判别缺陷的真伪 及缺陷高度的测量。 图2 4t o f d 显不图 相控阵成像技术 相控阵列是换能器晶片的组合，为确定不连续性的形状。其大小和方向提 供出比单个或多个换能器系统更大的能力。有三种主要阵列类型：线性、面状 和环形。在一个相控阵列中相位转换是用电子系统控制，通过超声发射器通向 每个换能器。相控阵列除有效地控制超声形状和方向外，还实现和完善了复杂 的动态聚焦和实时扫描。 相控阵探头采用线形阵列，容纳晶片6 0 个。晶片成间隔状直线性分布在 探头中。通常使用两个阵列探头分布予焊缝两侧。它能产生上千种不同的超声 束，可配置4 0 到7 0 范围的扫查角度( p 角) ，以满足分区扫查所需要的各种 角度。图2 5 为动态聚焦示意图。 图2 5 动态聚焦示意图 超声相控阵换能器的设计基本基于惠更斯原理。换能器有多个相互独立 四川大学工程硕士学位论文 的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子 系统激发各个单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样，在反射波 的接收过程中按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将 合成结果以适当的形式显示。 ： 、 由其原驾可矧，* 褶羟阵撰能嚣最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地 控制声熊糊寒蕊分布。其声泰赛摩、焦柱位置、焦点尺寸庚位置在一定 范围内连续、动态可调；丽且探头内碟快速平移声束，因此与传统超声检测 技术相比，相控阵技术的优势是用犟轴扇形扫查替代栅格形挝查可提高检 测速度。不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的 各个区域，成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。通常不需要复 杂的扫查装置，不需要更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多 方向扫查。优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，在分辨力、信噪比、 缺陷检出率等方面具有一定的优越性。 当然，相控阵技术在实现上要面临诸多挑战，如要求压电晶片电声性能 好；相邻单元间隔声性能好；避免产生旁瓣，声束角度较大时更应该注意该 问题；时间延迟的精确控制以及声束方向、形状及声压分布的仿真等。 超声相控阵换能器按其晶片形式主要分为三类，即线阵、面阵和环形阵 列。线阵最为成熟，已有含2 5 6 个单元的线阵( n x l ) ，可满足多数情况下的 应用要求；面阵又叫二维阵列( n x m ) ，可对声束实现三维控制，对超声成 像及提高图像质量大有益处，目前已有含1 2 8 x1 2 8 阵列的超声成像系统应用 于金属和复合材料的检测与性能评价，该系统具有实时c 扫描成像功能，以 标准视频图像在液晶显示器上显示。然而同线阵相比，面阵的复杂性剧增， 其经济实用性影响该类探头在工业检测领域的应用；环形阵列在中心阵列上 的聚焦能力优异、旁瓣低、电子系统筒螓渤广泛，但不能进行声束偏转 控制。， 。 传感器阵列是近年来国际上检澍领域研究的热点之一，美国密歇根大学 的m a t t h e w0 7 d o n n e l l 在一些领域首先提出了这一技术，西北大学的j a n a c h e n b a c h 将类似方法引入无损检测领域。这一技术的应用成功的提高了超 声波回波的信噪比。获得自适应聚焦需要经过三个步骤，首先超声波进入被 1 6 四川大学工程硕士学位论文 测工件而后被缺陷沿一定路径反射；而后反射回波被传感器阵列接收；最终 传感器根据时间反演发射超声波聚焦于缺陷，这一方法可以认为是s a f t 方 法在检测前端( 传感器部分) 的发展与应用，其原理如图2 6 示。 图2 6 可变焦传感器阵列 立陶宛k a u n a s 科技大学的研究表明，在信号采集过程中根据前面采集信 号的幅值进行插值预测当前信号幅值，利用程控放大器将信号放大倍数调整 到最佳程度，而后在对回波信号进行简单的低通滤波处理并应用s a f t 方法 对数据进行进一步处理，这对于加快检测速度、提高信噪比都有较好的效果。 应当指出，从c 扫描到a l o k 各种扫描成像方法，实质上都是合成孔径 的方法，即利用扫描的方式由小孔径的探头合成了一个较大的成像孔径。 随着计算机技术的发展，检测结果的可视化也得到了极大的发展，c 成 像的发展推动了成像的发展。然而，c 成像本质仍然是二维成像，这是由于 这一本质的局限性，c 成像无法同时表现缺陷的位置信息与当量信息。同时， c 成像本身仍然不是非常直观，与操作人员日常的习惯不相吻合，需要相当 的训练才能准确理解使用c 成像对现有工作给予判定和指导。正是基于c 成 像的这些问题，在其基础上进一步了缺陷的三维成像技术。利用超声波回波 信号，计算缺陷的位置与当量并以三维轴测图的形式予以表示，这就构成了 最基本的超声三维成像。国内在这方面进行了初步的尝试，但还远未达到工 业试用的水平。通过e i 检索结果可以发现，在9 0 年代发表1 6 篇有关超卢三 维成像的论文中，国内论文只有一篇。国外三维成像处在初步应用状态，但 此项技术是一项仍然处于发展初期的技术，在三维图像的构造、空间变换、 四川大学工程硕士学位论文 不同剖面的显示方面，借鉴和利用计算机在此领域的成果将是超声三维成像 技术发展的热点之一。 图2 7 轧辊结合层的三维成像图 图2 8 轧辊结合层三维成像的局部放大图 图27 是轧辊结合层的三维成像图，图2 8 是轧辊结合层三维成像的局部 放大图。此外，还有许多的超声成像技术，诸如超声相机、超声c t 、扫描 声全息、电子线路空间滤波成像和各种逆散射成像等。 在前期的工作中，我们对超声三维成像作了初步尝试，得到了初步的结 果。在今后的工作中，这方便工作的重点将放在图像的实时生成、图像的空 间变换、图像的剖面显示等方面，力图使超声三维成像达到更加直观，更有 四川大学工程硕士学位论文 利有缺陷的定位与定量检测。 现代声成像技术大多与计算机技术、信号和图像处理结合起来，因而有 着相似的工作过程，即数据采集和图像重建。数据采集涉及：1 ) 、扫描机构； 2 ) 、超声探头；3 ) 、模拟激励、接收电路；4 ) 、a d 转换；5 ) 、数据存储等 方面。图像重建涉及；1 ) 、信号提取与数字滤波( 硬件或软件) ；2 ) 、重建算 法( 软件) ；3 ) 、图像显示( 硬件与软件) ；4 ) 、综合评价( 软件) ；5 ) 、硬拷 贝输出( 硬件) 等方面。此外还有作控制和处理的计算机。上述任何技术的 进步都会促进声成像技术的发展。 现代声成像技术大多有自动化和智能化的特点，从而有一系列优点，比 如检测的一致性好，可靠性、复现性高，存储的检测结果可随时调用，并可 对历次检测结果自动比较，以对缺陷作动态监测。 声成像装置一般较常规设备复杂昂贵，然而对于核电站、航空航天和化 工部门，高性能、高可靠性和快速运行的超声成像设备是大有用武之地的。 总之，超声成像是定量研究无损检测的重要工具。 2 2 ，2 超声检测的信号分析和处理技术 随着现代检测技术的飞速发展，人们对检测结果要求越来越高。不仅要 求能够检测出材料中存在的缺陷，而且要求能够检测出缺陷的形状、大小和 位置，对检测的准确度和精度要求也越来越高，在这方面，利用数字信号处 理技术的到的检测精度和准确度远远高于模拟方法，数字信号处理技术还具 有高度的稳定性( 抗干扰能力强) 和高度的灵活性(