基于超声背散射信号递归定量分析的CFRP局部孔隙缺陷识别方法

以碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)的超声背散射信号为研究对象,创新性地提出运用递归定量分析(Recursive Quantitative Analysis,RQA)方法获得其信号特征,实现对材料局部孔隙缺陷的识别及评估。首先,对含有孔隙率为0.2%～5.92%的标准试块的超声背散射信号分别进行递归图分析和递归定量分析。结果表明,不同孔隙率试块所对应的递归图特征表现出明显差异,同时,RQA的特征量参数——递归率与递归熵均随孔隙率的增大而增大。然后,运用RQA方法对某未知孔隙率试块进行局部孔隙缺陷评估,基于上述结论,识别得到该试块中最有可能含有局部孔隙缺陷的区域。最后,剖开该未知孔隙率试块作微观形貌观察实验,实验发现该试块实际孔隙缺陷区域与RQA识别得到的结果相同,从而验证了递归定量分析方法用于CFRP局部孔隙缺陷识别的有效性。     

奥氏体厚壁焊缝超声扫描检测成像

采用自行研制的超声换能器和透声楔块,对99mm厚奥氏体焊缝进行了超声扫描成像检测。为消除透声楔块中超声的散射噪声,将检测信号与楔块中的信号进行了相消处理。利用基于匹配追踪和小波分析的信号处理方法,有效消除了焊缝中粗大晶粒造成的材料噪声信号,提高了厚壁焊缝超声检测的信噪比。基于经过信号预处理的超声扫描信号,生成了焊缝的超声扫描图像,并对图像分辨率、缺陷定位精度进行了分析。结果表明:该方法可检测到焊缝试块中2人工横孔,实现了奥氏体厚壁焊缝缺陷的超声检测成像。     

水利工程中金属焊缝缺陷的超声检测方法比较研究

为研究基于超声的无损探伤方法在水利工程金属结构焊缝缺陷识别中的应用,利用常规超声检测技术、超声相控阵技术、衍射时差法(Time of Flight Diffraction, TOFD)超声检测技术对水利工程金属结构焊接试块缺陷进行识别,分析了各种缺陷在超声无损探伤技术中的特征显示。研究结果表明:常规超声检测技术、TOFD检测技术均能对各种缺陷实现信号显示,超声相控阵检测技术对气孔和横向裂纹的显示不够明显,但对其它缺陷的检出效果较为明显;常规超声检测技术对操作人员的要求较高,对缺陷的定性困难,精度不高;TOFD检测结果中气孔和横向裂纹的显示呈现出一种特殊的弧形,有一定高度的内部裂纹和未熔合的信号由上下尖端衍射波组成,根部未焊透上下尖端信号不够明显;相控阵检测结果直观,可以较精确地测量缺陷的埋藏深度、自身高度、长度等,但在扫查点状缺陷或者与超声声束平行的裂纹缺陷时,检出率极低。     

超声C扫描设备定量评价方法研究

超声C扫描系统在超声成像检测、缺陷识别等无损检测领域获得了广泛应用。但是,对C扫描图像的缺陷进行精确分析和表征一直是超声领域的难点之一。基于超声C扫描缺陷图像,给出了一种结合K-means聚类与Graham算法的图像特征参数定量估计方法,通过定量估计的参数能够有效地评价超声C扫描系统的检测质量。实验结果表明该方法能够有效描述标准圆形人工缺陷区域特征,有利于进一步评价超声C扫描设备。     

基于置信规则和证据推理的超声检测缺陷识别

为解决超声检测缺陷精确识别问题,综合运用检测数据和专家知识,研究一种基于置信规则库(belief-rulebase,BRB)和证据推理(evidential reasoning,ER)进行超声检测缺陷识别的方法。提出一种融合多种特征信息的BRB-ER缺陷识别模型,利用最小均方误差算法进行模型初始参数的优化,从而提高缺陷识别的准确性。通过超声检测手段获取某航空材料的缺陷数据,并对所提出识别方法进行验证。试验结果显示:该方法能够准确地进行缺陷识别,并可根据已有的产品缺陷类型进行训练,建立更加准确的缺陷识别模型。     

汽轮机轮缘超声相控阵检测中缺陷方向识别

利用超声相控阵检测系统对含有裂纹缺陷的外包菌型低压汽轮机叶轮圆盘实验试块进行检测.针对超声波脉冲反射法中缺陷方向难以确定,尺寸容易误判等问题,提出一种频谱分析方法,研究线状缺陷方向变化对于超声回波的影响.对于3种倾斜角度的裂纹缺陷回波信号,分析其功率谱并进行小波包的分解和重构,用"频率-能量"的方法提取各方向缺陷回波信号的能量特征.实验结果表明,各方向缺陷回波信号的能量特征差别明显,并绘制出声束轴线与缺陷的夹角和高频带所占能量之间关系曲线.该方法实现了缺陷方向的识别,并为后续线状缺陷的准确定量提供依据.     

超声衍射时差法检测技术研究

描述了超声波衍射时差法的基本原理,讨论了平行扫查(B扫描)和非平行扫查(D扫描)两种扫查方式,研究了波形图和灰度图两种缺陷图谱的相位特征,推导了缺陷精确定位定量的计算公式,并通过标准试块试验对三种典型缺陷进行了图谱分析.研究结果表明,TOFD技术能识别向表面延伸的缺陷,能对缺陷精确定量和定位并且检出率高,检测速度快.该方法在国内无损检测领域将得到广泛应用.     

基于FOA-SVM的超声信号端点检测

在超声缺陷识别系统中,端点检测是确保缺陷准确识别的重要环节。为提高在实际探伤过程中端点检测的准确率,提出一种以果蝇算法优化支持向量机的端点检测方法。针对超声检测信号的特点,采用小波包变换提取反映该信号性质的特征向量。鉴于传统方法检出率不高及支持向量机(SVM)参数难确定的问题,利用果蝇算法(FOA)优化SVM的惩罚子和核参数,提高支持向量机建模准确度。试验结果表明:FOA-SVM模型的平均检出率达到97.5%,端点检测效果明显优于传统的双门限法、普通SVM模型和GA-SVM模型。     

温度对衍射时差法超声检测结果影响

针对温度变化引起超声衍射时差技术(time of flight diffraction,TOFD)测量结果误差的现象,以含不同预置缺陷Q235A试块为测试样品,采用TOFD超声检测技术,并结合A扫结果,研究不同温度对缺陷检测结果的影响。研究发现,当试块表面温度超过40℃时,底面小缺陷的检测难度会提高,检测结果的不稳定性提升;随着试块表面温度继续升高,TOFD测量缺陷的最小分辨率会降低到3 mm,同时小缺陷波的A扫波形已经无法从背景噪声中识别。通过比较不同温度下纵波在固体介质中传播速度,发现温度升高导致纵波速度衰减,进而导致仪器分辨力的下降和实际测量误差的增大。     

橡胶/铝合金粘接构件脱粘缺陷非线性超声检测技术研究

为提高橡胶/铝合金粘接构件粘接界面缺陷检测结果的可靠性,解决缺陷定量化表征问题,该文采用非线性超声检测技术对含模拟脱粘缺陷试样进行研究,建立非线性弹簧模型,通过采集模拟脱粘缺陷试样上缺陷处的基波信号和二次谐波信号,获得缺陷非线性系数β值,建立缺陷面积与非线性系数β值关系拟合曲线。对比自然试样中缺陷的非线性超声检测和超声C扫描检测结果,验证非线性超声检测结果可靠,因此非线性超声检测技术是评价橡胶/铝合金粘接构件粘接界面粘接质量的一种可靠方法。     

Characterization of Structural Noise Patterns and Echo Separation in the Time-Frequency Plane for Austenitic Stainless Steels

The aim of this study is to characterize the structural noise for a better flaw detection in heterogeneous materials (steels, weld, composites...) using ultrasonic waves. For this purpose, the continuous wavelet transform is applied to ultrasonic A-scan signals acquired using an ultrasonic non destructive testing (NDT) device. The time-scale representation provided, which highlights the temporal evolution of the spectral content of the A-scan signals, is relevant but can lead to misinterpretation. The problem is to identify if each pattern from the wavelet representation is due to the structural noise or the flaw. To solve this problem, a detection technique based on statistical significance testing in the time-scale plane is used. Information about the structural noise signals is injected into the decision process using an autoregressive model, which seems relevant according to the spectral content of the signal. The approach is tested on experimental signals, obtained by ultrasonic NDT of metallic materials (austenitic stainless steel) then on a weld in this steel and indeed enables to distinguish the components of the signal as flaw echoes, which differ from the structural noise.     

Ultrasonic Defect Mapping Using Signal Correlation for Nondestructive Evaluation (NDE)

This article presents the application of a signal correlation technique to automatically classify ultrasonic A-scan signals for defect and defect-free regions in isotropic and anisotropic materials. First, feature extraction was implemented by generating a reference A-scan signal of a defect-free area using an autocorrelation function and statistics. Then, a cross-correlation function, utilized as a feature detector, was applied to the reference signal and a signal of interest (SOI) to detect defect-free features in an SOI. The correlation result was considered as a pattern containing both defect and defect-free features. Next, the pattern was classified by measuring the similarity between features of the reference signal and an SOI based on their Euclidean distance. Each A-scan signal classification result was then plotted on a 2D map based on its position on the specimen. The present work uses multiple correlation functions and statistics to classify defect signals rather than relying on an inspector’s prior knowledge to interpret C-scan data, and has particular value in automated ultrasonic signal classification and characterization.     

基于小波变换的反卷积技术

 为了提高薄层复合材料超声无损检测(UNDT)中A扫描信号时域分辨率，提出一种基于小波变换多分辨率分析的反卷积技术新方法。针对传统反卷积技术在信噪比(SNR)降低时提高时域分辨率能力有限以及稳定性较差的缺点，将小波变换应用到反卷积技术中，对超声脉冲回波信号进行不同频带内分解，选取其中一个低频带内信号单支重建后，将传统反卷积技术应用到所选信号进行处理。计算机模拟和实验结果表明，与传统反卷积技术相比，该方法在提高时域分辨率（特别是低信噪比时）能力方面有较大改观。     

基于高速A／D卡的全波形采集超声自动检测系统

设计了一种全波形采集超声自动检测系统,实现了A,B,C 3种扫描方式且具有记录被检材料上所有检测点超声A扫描波形的功能,支持材料超声检测、评价技术研究.该系统由高速A/D卡、超声检测仪、自动扫描器、运动控制系统和CSCAN软件等组成,作为核心部件的高速A/D卡选用PCI-9820型,负责从超声检测仪采集A扫描波形信号.自动扫描过程中,A/D卡与超声检测仪、运动控制系统之间通过硬件信号实现同步,使A扫描波形数据的采集与被检材料上声传播的渡越时间、预定测量点位置相对应,采集得到的A扫描波形数据通过A/D卡的板载SDRAM及DMA功能异步传输至计算机内存,并由CSCAN软件进一步实现数据压缩、滤波、存储以及不同方式成像等处理.测试结果证明,该系统运行速度快,成像精度高且性能稳定. 更多还原     

Ultrasonic nondestructive testing of scattering media using the decomposition of the time-reversal operator

In ultrasonic nondestructive testing, the iterative time-reversal process is an adaptive technique that can be used to detect flaws in complex samples with a large array of transducers. The decomposition of the time-reversal operator (DORT) method is a detection technique that is derived from the mathematical analysis of the iterative time-reversal process. Contrary to time-reversal techniques, the DORT method does not require programmable generators, and it allows the simultaneous detection and separation of several defects. In this paper, the method is applied to a Ti6-4 titanium cylindrical sample to separate the echo of a defect from the speckle due to microstructure contribution. The grain structure of this titanium alloy makes detection very difficult and, for large depths, conventional techniques do not allow the detection of small flaws with a satisfactory signal-to-noise ratio. The efficiency of the DORT method to detect a flat bottom hole with a diameter of 0.4 mm located at a depth of 140 mm in a titanium alloy sample is shown.     

CFRP复杂几何结构区相控阵超声检测建模与声传播规律

为厘清碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)复杂几何构件相控阵超声检测中声传播规律,围绕CFRP材料R区开展了弹性特性表征、有限元建模、声场计算及实验验证工作。基于超声液浸背反射法和模拟退火算法求解了CFRP单向板刚度矩阵反问题,并借助Bond变换实现了R区弹性特性的定量描述。结合微观组织分析等获取材料、几何特征,建立了虑及曲面形状、叠层、弹性各向异性的R区相控阵超声检测有限元模型,计算了R区相控阵超声检测A、B扫描信号,发现存在结构噪声和缺陷伪像。在此基础上研究CFRP材料R区瞬态声场并与CFRP平板、弹性各向同性R区和0°单向板R区情况对比,阐明了结构噪声和缺陷伪像的形成机制:弹性各向异性叠层结构导致倾斜入射的超声波发生反射和折射,与沿肋板传播的快速波混叠在R区形成结构噪声,同时多向板R区两侧肋板反射导致缺陷伪像,即材料弹性各向异性与构件曲面叠层结构耦合共同影响缺陷的精准辨识。      

傅里叶-小波正则反卷积医学超声成像方法

研究了利用傅里叶-小波正则反卷积改善医学超声图像质量的方法。将高阶谱方法和傅里叶-小波正则反卷积算法创新地用于医用超声诊断仪的轴向和纵向的二维射频信号,首先估计出中心频率为3.5MHz的A扫描系统函数,然后应用对射频A扫信号进行反卷积成像。实验结果表明,该方法显著改善了因系统函数与被测信号卷积所产生的分辨率退化现象,极大地提高了医学超声图像的分辨率和信噪比。     

铝合金回填式搅拌摩擦点焊缺陷的超声检测及信号识别

目的 利用水浸聚焦超声C扫描对2524铝合金回填式搅拌摩擦点焊（RFSSW）接头进行检测并完成缺陷识别。方法 以A扫描时域信号为对象,绘制能量谱与金相作对照,确定焊合区;分析未焊合、聚集型孔洞及弥散型孔洞的时域和频域波形特征,并对频域信号进行小波分析,提取特征量。结果 缺陷区反射回波的归一化能量不低于0.02;不同形式的缺陷（聚集型孔洞、弥散型孔洞、弱连接）其频谱形状特征不同,具有不同的峰值个数。结论 通过金相验证,表明超声波C扫描对接头缺陷可进行有效的检测和区分。     

国内焊接缺陷声学无损检测研究综述

无损检测是保证焊接构件生产质量及保障其使用安全性的重要技术环节。在众多的无损检测方法中,应用最为广泛的是基于声学的无损检测方法。主要阐述了超声C扫描、超声TOFD、超声相控阵、声发射及其他相关声学技术的技术特点、在国内焊接领域上的工程应用及科学研究。在此基础上,结合实验室的研究经历,简要分析了相关研究方法存在的问题,并指出了技术优势及亟待解决的问题。进而论述了超声C扫描图像识别困难、边界模糊及缺陷面积难以计算、克服检测盲区可拓展超声TOFD法的应用范围,以及排除干扰信号对声发射尤为重要的研究现状。最后展望了基于声学无损检测的未来发展趋势。     

An Ultrasonic Angle Beam Method for in situ Sizing of Fastener Hole Cracks

Ultrasonic testing is generally recognized as being the preferred nondestructive evaluation (NDE) method for measuring the size of cracks in metals, particularly when access is restricted. Using ultrasonic methods for structural health monitoring imposes the requirement of fixed transducers, which limits the articulation of transducers that is common for NDE. Here we consider the specific problem of in situ sizing of fatigue cracks emanating from fastener holes in aluminum structural components. A dual angle beam through transmission technique is employed whereby the regions of expected crack initiation are interrogated with vertically polarized shear waves. Fatigue cracks partially block the leaky creeping wave spiralling around the hole, and thus reduce the energy of the received signal. The reduction in received energy is directly related to the extent and shape of any open cracks, and this energy is modulated by the applied load as the cracks open and close. The ratio of energy received from the specimen under load to that received under no load is monitored, and this ratio is empirically related to the total crack area. A model is developed to explain this relationship for known crack shapes by assuming an ultrasonic energy profile in the plane of the crack. Data calculated from the model show very good agreement with the experimental results.