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分离谱技术在超声衍射时差法信号处理中的应用

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第29卷第1期 声 学 技 术 Vol.29, No.1 2010年2月 Technical Acoustics Feb., 2010

分离谱技术在超声衍射时差法信号处理中的应用

杨书荣1，吴 伟1，邬冠华2，王伏喜3

(1. 南昌航空大学航空检测与评价航空科技重点实验室，南昌 330063；2. 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；3. 中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳 471039)

摘要：超声衍射时差(TOFD)方法因具有普通超声检测和射线检测的优点而被广泛应用于中厚板的焊缝检测与缺陷定量中。TOFD技术检测的是相对微弱、指向性差的衍射波信号，被检测材料所产生的结构噪声也会降低检测信号的信噪比，影响了TOFD检测的精度。将分离谱技术用于超声TOFD检测信号的处理，采用线性平均、极值阈值、极值

阈值+最小值、最小值等四种恢复算法进行比较，并在最小值算法的基础上引入最小值选中次数加权算法恢复信号。结果表明：与传统的滤波方法相比，该方法能有效地提高了回波信号的信噪比，减小了TOFD检测中的缺陷定量误差。

关键词：TOFD检测；信号处理；结构噪声；分离谱；定量精度 中图分类号：TB556 文献标识码：A 文章编号：1000-3630(2010)-01-0044-04 DOI编码：10.3969/j.issn1000-3630.2010.01.010

Application on split-spectrum technique in ultrasonic

TOFD signal processing

YANG Shu-rong1, WU Wei1, WU Guan-hua2, WANG Fu-xi3 (1. Aeronautic Science Key Laboratory for Aeronautic Testing and Evaluation, Nanchang 330063; 2. Key Laboratory of Non-destuctive Testing, Nanchang 330063; 3. Luoyang Ship Materrial Research Institute, Luoyang 471039, He’nan, China)

Abstract: With the advantage of precise quantification, ultrasonic time-of-flight-diffraction (TOFD) technique has been widely using in weld detection and defect quantification of middle thick plate. The signals detected by using TOFD technique are relatively weak diffraction wave signals with poor directivity, and the structure noise generated by the detected material will also reduce the signal-to-noise ratio and therefore affect the detection sensitivity of TDFD technique.. The split-spectrum technique is used for processing the ultrasonic TOFD detecting signal in this paper. Four restoration algorithms, i.e. the linear average, the maximal threshold, the maximal threshold+minimal value and the minimal value, are adopted for comparison. In the end the weighted algorithm of minimal number selected based on the minimal value algorithm is used to restore the signal. Compared with the traditional filtering method, the results show that this method can effectively increase the signal-to-noise ratio of echo signal and reduce the defect quantitative error of TOFD detection. Key words: TOFD testing; Signal processing; Structure noise; Split-spectrum; Quantitative precision

1 引 言

TOFD超声波衍射时间差(time-of-flight-diffrac-

tion, TOFD)测量技术[1]是一种可以精确定量的检测

技术，该方法通过测量缺陷边缘的衍射超声波信号

之间传播的时间差，对缺陷的位置和大小进行测

量。该技术融合了超声波检测和射线检测的优点，

能够对缺陷准确地定性和定量。在发达国家，TOFD

检测技术近年来已被广泛应用于中厚板对接焊缝 收稿日期: 2009-02-15; 修回日期: 2009-04-22 基金项目: 航空基金(200700186)、江西省教育厅科技项目(EP200608010)、南昌航空大学研究生创新基金(YC2007020) 作者简介: 杨书荣(1977-), 男, 安徽人, 硕士研究生, 研究方向为无损检测技术及仪器。 通讯作者: 杨书荣, E-mail: ysr_1977@163.com 的检测与缺陷定量中，国内也在积极推进TOFD方

法代替射线检测的标准。TOFD法依赖于超声波与

缺陷端部的相互作用而在较大角度范围内发射的

衍射波，检出衍射波就能确定缺陷的存在，而信号

传播的时间差就是缺陷高度量值。缺陷尺寸根据衍

射信号传播的时间而非幅度来测量。因此，对端部

衍射信号的时间差测量就成为TOFD缺陷定量的关

键。但是超声信号容易受到材料的结构噪声以及仪

器电噪声等噪声影响，且由于TOFD技术检测的是

相对微弱且指向性差的衍射波信号，导致端点衍射

回波容易被杂波所淹没或者波幅太低难以识别，使

信号的时间差测量误差增大，从而使缺陷定量时的

误差相应增大。因此，采用有效的信号处理方法来

抑制噪声信号[2]，提高衍射回波信号的信噪比对缺

陷定量以及TOFD成像就显得尤为重要。

第1期 杨书荣等：分离谱技术在超声衍射时差法信号处理中的应用 45

目前，处理超声回波信号的方法有互相关法和

小波变换法。当信号噪声为高斯白噪声，接收信号

与参考信号一致时，互相关法比较适合[3,4]。小波变

换在处理超声信号时用得比较广泛，但是，在低频

信号时，它的时间测量精度低；在高频信号时，它

的频率测量精度低。本文在分离谱技术的基础上采

用最小值被选中次数加权算法去除TOFD检测信号

中的结构噪声，与传统的带通滤波法相比，可以有

效提高TOFD的定量精度。

2 分离谱技术的算法原理

超声检测信号中电噪声的幅度和相位均是随

机的，而且各次测量所得的结果互不相关，采用基

于时间平均的同步叠加法可以使干扰信号在很大

程度上正负抵消。结构噪声是材料中的晶界及组织

不均匀对超声波的散射作用而引起的散射回波，它

是与特定频率有关的相干噪声，当频率不同时，其

幅度、相位等均有显著的变化。

分离谱法[5,6]就是利用结构噪声和目标回波对

频率变化敏感性上的差异而建立起来的解相关方

法。当超声波频率变化时，材料结构引起的结构噪

声回波幅度将发生较大的变化，而缺陷回波的幅度

变化将相对较少。因此，若对TOFD探头发射的宽

声束超声波信号进行谱分离，那么在不同频谱段的

结构噪声回波信号幅度会有明显的不同，而缺陷回

波的变化幅度则相对稳定，这样就可以利用分离谱

技术来提高TOFD衍射信号的信噪比。分离谱算法

的具体实现过程如图1所示。

图1 分离谱算法流程图 Fig.1 Flow chart of split-spectrum algorithm

首先将接收到的数字化超声信号作快速傅立

叶变换，得到信号的全频谱，并在一定的信号频带

内设置若干不同中心频率、等带宽的窄带滤波器，

超声信号通过这些窄带滤波器后将得到一系列中

心频率不同的窄带信号，这个过程称为信号分离；

再以分离后的不同中心频率的窄带信号为变量进

行统计运算，从而得到经过非线性滤波处理的输出

信号，也即信号的重建。 在信号分离阶段，高斯形带通滤波器比较适合

处理服从正态分布的信号，并且其时频特性均比较

理想；信号恢复阶段是整个分离谱技术的关键所

在，它是指对所有的分离信号引人非线性相关运

算，以达到降低噪声、提高信噪比的目的。目前常

用的恢复算法有最小值算法、极性阈值法、线性平

均法和最小值加极性阈值算法几种[6]。文献[7]证实，

以上算法中最小值算法对于提高信号的信噪比具

有明显的作用，但它的缺点是对滤波器数目比较敏

感，导致此算法不够稳定。

本文采用等带宽高斯型窄带通滤波器构成的

滤波器组对原始信号进行分离，信号恢复是在最小

值算法的基础上，采用分离信号被选中次数的加权

恢复算法[8]进行信号恢复。该方法本质上类似于维

纳滤波器的传递函数，无需信号和噪声频谱的先验

知识，对滤波器的数目也不敏感，从而能自适应地

处理宽带的目标反射脉冲波，达到滤波精度的要求。

最小值被选中次数加权恢复算法的原理[8]为：

首先将检测到的信号做傅立叶变换得到信号的幅

度谱，并在一定的幅度能量频带内设置若干不同中

心频率的窄带滤波器，假定这些滤波器的数目为N

个，待处理的数字信号含有M个采样点，采样周期

为sT，则数据的长度为(1)sMT−，可以从N个带通

滤波器输出端得到N个备选的窄带信号(),1,ixti=

2,,N⋅⋅⋅ ，每个窄带信号都有各自特定的中心频率。最

小值法的原理就是在M个采样点分别对N个窄带

信号()ixt求最小值，并以此最小值作为各瞬时点的

信号输出，此时输出为{()(),()min(()),jjiytxtxtxt== }1,2,iN="(符号与原符号相同)，也就是说，需要在M个采样点处进行M次选最小值的运算。如果单

个窄带信号被选中的次数为im，则总选中次数为：

12......iNMmmmm=+++++，由此可定义各窄带信号

ix的权值iiwmM=。在统计意义上，高信噪比频带

信号被选中的次数是最多的，因而，在较大的im处，

该频带信号()ixt所对应的中心频率处将有一个较

高的峰值。如果我们根据信噪比对信号进行加权，

对具有较高信噪比的分离信号赋予较高的权值iw，

也即重建后的信号1()()Niiiytwxt==∑，那么按此方法恢

复出来的信号必然能够达到较高的信噪比。

3 实验结果及分析

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重要_无损检测新技术- TOFD 检测技术简介

重要_无损检测新技术- TOFD 检测技术简介

无损检测新技术- TOFD检测技术简介

夏纪真

无损检测资讯网

广州市番禺区南村镇恒生花园14梯701 邮编：511442

摘要：本文简单介绍了超声波检测中TOFD方法的物理原理、应用及局限性。

关键词：无损检测 超声检测 TOFD技术 1 TOFD检测方法依据的物理原理 “TOFD”是英文“Time of flight diffraction”的缩写，翻译成中文是“衍射时间差”，现在把这种检测方法基本上统一称为“衍射时差法超声波检测”，以方便与传统的“脉冲反射法超声波检测”相对应。 根据惠更斯原理，超声波在传

声介质中投射到一个异质界

面，例如裂纹上时，由于超声

波振动作用在裂纹尖端上，将

使裂纹尖端成为新的子波源而

产生衍射波，这种衍射波是球

面波，向四周传播，用适当的

方式接收到该衍射波时，就可

按照超声波的传播时间与几何

声学的原理计算得到该裂纹尖

端的埋藏深度。所以，TOFD

是一种依靠从待检试件内部结 图1基于惠更斯原理评定缺陷垂直于探测表面高度的方法

构（主要是指缺陷）的“端角” 和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法。在20

世纪70年代中期开始在模拟式超声波探伤仪上应用的 “棱边再生波法”、“时间渡越衍射

法”、“衍射声时法”、“裂纹端点衍射法” 或“尖端反射法”等也是基于惠更斯原理。图1

示出评定缺陷垂直于探测表面高度的方法示意图，其中（a）、（c）称为端点反射波法；（b）

称为端点衍射波法。 2 TOFD检测方法的应用

TOFD检测方法采用数字式超声波检测仪，利用计算机技术来处理检出缺陷端角（尖端）

的衍射波信号以及两个探头之间直接传播的横向波（直通波）和直达的内壁反射信号，从而

能够确定缺陷的存在并对缺陷进行定位和定量成像，能够有效地评定缺陷垂直于探测面取向

的延长度（缺陷高度），如图2所示。 TOFD的优点是它完全不同于传统超声波检测技术根据反射信号及其幅度来检测和评定

缺陷，即不是以缺陷回波幅度作为定量评判依据，而是靠脉冲传播时间来定量，能够不受声

温度对衍射时差法超声检测结果影响

温度对衍射时差法超声检测结果影响

温度对衍射时差法超声检测结果影响

;�]��m5��9�&���”csibaskets/all-3-1.html” target=“_blank”

class=“keylink”>工作中，由于各种条件的限制，导致检测标准与实际要求并不完全相符，极大影响了检测结果的准确性及可信度。因此，探究非标准情况下，温度对测量结果带来的影响，可为工业现场测量精确度的评价和实际测量标准的补充提供依据。本次实验测量温度控制在20～70°C的范围。

本文在不同温度下，对含有8种预置缺陷的Q235A试块进行测量。经过多次测量，寻找温度与检测结果之间的关系;同时基于温度与超声声速的关系，揭示了TOFD分辨力与温度的变化规律，为实际工作中小缺陷TOFD超声检测受温度影响的研究提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验采用Q235A钢材作为被检对象并对其进行预置缺陷处理。间距40mm、直径2mm的8个不同尺寸底面孔在49mm×30mm×400mm试块的钢材上分布，如图1所示。其中，不同尺寸底面孔缺陷（15，12，10，8，6，4，3，2mm）分别以1～8标注。

1.2 实验方法

在预定不同温度（20，40，50，60，70°C）的恒温干燥箱内，将含有预制缺陷的试件进行加热，到达预定温度后，保温30min。随后使用上海瑞龙仪表生产的XMD-200数显温度计（测温范围为–50～200°C，分辨率为0.1°C）对恒温水浴槽内的温度进行标定，最后在恒温水浴槽（温度衰减2°C/min）里进行缺陷深度的测量。测量仪器的现场布置如图2所示。TOFD超声设备采用奥林巴斯生产的OmniScanMX2（OMNI-M2-UT-2C），系统的采集频率为100MHz，最小分辨率为1mm，频率采集范围为0.6～18MHz。基于标准NB/T47013.10-2015，探头和楔块分别采用3.5MHz的C546-SM探头和折射角度为45°的TOFD-45-ST1楔块，探头间距控制在56.33mm[8]。此外，探头与试件之间，探头与楔块之間均用超声耦合剂耦合，并用扫查器将其固定。在测量过程中，为降低温度引起的误差，测量时间控制在1min内，此外每组8个缺陷分别进行10次重复性测量，并计算标准差。通过测得结果有效性来反应检测的难易程度，进而描绘温度对实际检测过程带来的影响。为保持数据的独立性，每次测量前进行仪器校准，测量完毕重复上述流程[9]。

特种设备检测中超声导波、TOFD技术的应用

特种设备检测中超声导波、TOFD技术的应用

特种设备检测中超声导波、TOFD技术的应用

摘要：特种设备的使用涉及经济建设、生活、生产的各个领域，特种设备的有效检测对保障经济建设、生活与生产的安全具有重要意义。随着科学技术的进步与发展，超声导波、TOFD技术作为无损检测技术，已经成功的应用到了特种设备的检测领域之中，无损检测技术的应用有效地降低了检测成本，对检测结果的有效性、科学性具更具有的保障，在此同时也提高特种设备的检测效率。通过超声导波、TOFD技术的实践与应用，有效地解决了压力管道、起重机械、大型游乐设施等特种设备的材腐蚀检测、材料的缺陷检测等难题。

关键词：设备检测；超声导波；TOFD

特种设备在经济发展和工程建设过程中使用频繁，涉及领域广泛，是国民经济建设中十分重要的部分，对社会的生产和人们的生命财产安全具有重要意义，对经济发展与社会稳定具有重要的促进作用。如何保障特种设备的质量与相关产业链的良好运行，特种设备的质量检测对此具有重大的影响。超声导波、TOFD技术作为无损检测技术，能够对特种设备的进行有效的检测。超声导波技术主要是利用低频纵波或曲波对管道、管路等进行长距离的检测，其中包含对地下埋管不进行开挖状态下的长距离检测。TOFD技术则是以需要检测的部件自身内部结构（主要指缺陷部分）的“端角”与“端点”处，利用超声波衍射时差法得到的衍射能量来对缺陷进行检测的方法，该技术主要是用于对缺陷的检测、定位与定量。

一、超声导波技术与B扫描检测问题

由激励与接收两个模块来组成检测系统，从而达到小型超声导波检测的目的。激励模块主要的构成部分主要有功率放大器、单片机等，再按照电陶瓷换能器阵列对各部件实行串联。接收模块则主要利用压电陶瓷换能器阵列，运用Lab 程序与数据采集卡等实行串联，从而提高系统内结构的稳定性。利用单片机生成专属导波激励信号数字编码的作用，进而再利用专业功能的模数转换器对单片机生成的编码进行处理，生成与编码相应的模拟信号，那么功率放大器便可以带动压电陶瓷进行转换。

近表面缺陷的超声TOFDR和TOFDW检测

近表面缺陷的超声TOFDR和TOFDW检测

近表面缺陷的超声TOFDR和TOFDW检测

卢超;王鑫;陈振华

【摘 要】针对超声TOFD方法存在近表面检测盲区同题,提出了基于二次波的综合超声衍射反射回波方法(TOFDR)和缺陷W衍射反射方法(TOFDW)的检测模式.分析了TOFDR和TOFDW检测方法的超声传播特性,阐明了2种方法的检测原理,研究了它们的近表面理论检测能力.对于TOFDR检测方法,缺陷越近表面,D扫图像分辨特征越好.对于TOFDW检测方法,总体分辨能力大于TOFDR方法,但对于特别浅的近表面缺陷,声波难以识别,而将这2种检测方法综合应用,通过调整检测工艺参数可对近表面缺陷进行识别.通过对人工缺陷试样的检测,研究了综合2种方法结合条件的新检测模式的信号图像特征以及检测灵敏度,2种检测方法结合产生的D扫图像能很好的发现埋藏深度为1mm的缺陷.

【期刊名称】《失效分析与预防》

【年(卷),期】2012(007)003

【总页数】5页(P153-157)

【关键词】近表面检测盲区;超声衍射时差法;缺陷检测

【作 者】卢超;王鑫;陈振华

【作者单位】无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学),南昌330063;无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学),南昌330063;无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学),南昌330063

【正文语种】中 文 【中图分类】TG115.285

0 引言

超声Time of Flight Diffraction(TOFD)技术已越来越多的应用于无损检测领域。在焊缝的检测中，超声TOFD技术检测效率高、缺陷检出率高、定位定量准确、直观等优点已越来越明显地显现出来［1］;但是，近表面盲区较大一直是该检测技术的一个弊端。解决近表面盲区问题，总体包括调整检测工艺、图像信号数字化处理、调整检测方法等几个方面，在检测工艺中，主要是提高检测探头的频率，缩小探头间距，该方法的不足之处在于探头的频率不可能无限提高，探头间距也不会无限制减小，通过调整工艺的方法始终存在一个近表面盲区检测极限。近表面缺陷的检查能力受直通波影响较大，为此，Chi D Z 等［2-3］、陈伟等［4］提出了1种基于图像能量分布的方法，通过数字图像处理方面，提取了混叠的缺陷波信号，并利用递归最小二乘法自适应滤波技术对图像背景杂波的去除，提高近表面缺陷的识别能力;但图像处理结果受信号影响很大，对信号的信噪比要求较高。张锐等［5］、郝晓军等［6］则结合 TOFD 和传统脉冲回波法，设计出1种TOFD+A扫查复合检测探头，较好地解决了近表面缺陷的检测问题，但丧失了TOFD原有的检测速度快、成像直观等优点。国内外一些研究人员通过分析TOFD信号中的众多复杂缺陷波信息来改善TOFD近表面缺陷检测问题。Baskaran G等［7］通过对缺陷横波路径分析，利用几何声学关系推导出横波检测定位定量公式，不仅提高了近表面缺陷的发现能力，而且很精准的对近表面缺陷进行定位，但不足之处在于某些缺陷在一定情况下并不产生转换横波，或是缺陷转换横波能量较低而淹没在背景噪声中，导致缺陷横波的无法识别，进而无法检测。而后，孙忠波等［8］、陈天璐等［9］、迟大钊等［10］通过二次波的识别来对缺陷进行检测，对近表面的检测能力提升到接近1 mm，但还是由于缺陷的声波能量相对较弱，且A信号中声波相当复杂，用于识别的缺陷波位置较难确认等原因导致检测实施较困难。