“奥林巴斯杯2021超声检测技术优秀论文”二等奖：双全法检测焊缝典型缺陷图谱解读

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双全法原理

全聚焦法基于与常规相控阵超声检测相同的转向和聚焦法则，可在关注区（TFM区）处处聚焦。

超声检测使用的声波一般是线性的，也就是发射和接收（波束成形）特定波束的声波，其物理叠加可通过采集后求和来得到。为进行与实际波束成形相对应的TFM合成波束成形，需从探头的发射声阑与接收声阑获取所有基本A扫描信号。利用整套基本A扫描数据集来计算所有聚焦波束。

该方法由全矩阵捕获声学采集获取数据集。FMC数据集由接收到的所有基本A扫描组合集成，而这些A扫描信号来自相控阵超声探头每一阵元发射的声波。该方法涉及探头各阵元声波从“一发全收”至“全发全收”的过程。

任何波束形成法均可用于FMC数据集。可使用原始FMC数据（基本A扫描）合成仿真常规相控阵超声采集数据，但PAUT波束形成法仅将波束聚焦于试件某精确位置上，而TFM可显示整个关注区（TFM区）上的波幅，且关注区内每个像素位置均能被聚焦。利用TFM处理FMC数据的主要目的是获取关注区全聚焦的潜能。相同的FMC数据集可作为呈现不同波集的多个TFM图像的来源。

首先，操作者输入界定TFM区参数，即界定检测目标区或关注区（ROI），ROI区及界定原理如图1所示 ，图中P（水平距离）为-12~12 mm，D（深度）为-0.01~15 mm。

图1 ROI区界定原理示意

将TFM区分成网格状，网格中每一位置（或像素）的大小决定了网格分辨率。为使FMC数据具有意义，TFM算法要输入关键变量（如声传播模式和分辨率），并将数据分成波集或波组。

TFM波集表示超声波从发射阵元到TFM区再到接收阵元的波程，该波程与一次波或二次波波型(横波或纵波)相关。如TTT波集作为脉冲横波，到达接收阵元前会有两次反射（一次底面反射，一次缺陷反射），该情况下的声传播模式和声成像路径如图2所示，图中TT-T和T-TT模式的波程相同，波向相反（T为横波，L为纵波，TT-T为间发直收，T-TT为直发间收）。

图2 声传播模式和声成像路径示意

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声影响图的应用

图3 坡口未熔合检测布置示意

图4 坡口未熔合检测理论声影响图

图5 两种传播模式下坡口未熔合缺陷的TFM检测图像

由图5可知，二次反射模式的TFM图像信噪比高，能对坡口未熔合尺寸给出清晰的测量值。相比之下，自串列TFM图像信噪比较低，图像中包含分离回波，难以解读。分离回波很可能是未熔合缺陷尖端的衍射回波。可见，自串列模式难以测评缺陷的类型和尺寸。

总之，用声影响图可准确预测非定向缺陷和定向缺陷的TFM波幅图。对给定的检测声传播模式，AIM可用于调整扫查布置（声阑、扫查频率、探头位置等），以优化信噪比和缺陷检出率。该模型可提供不同声传播模式下的相对波幅比较，因此也可用于选择最佳TFM重建模式。

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TFM包络图的应用

TFM包络由两个不同TFM图像的范数计算求得。第一个TFM图像采用标准采集的全矩阵捕获（FMC）计算，而第二个TFM图像采用希尔伯变换的FMC计算。所得TFM包络图像更利于基于波幅的定量方法。在相同网格分辨率下，TFM包络图像比标准振荡的TFM图像波幅调整更稳健。故相对于标准振荡TFM，可为TFM包络设置较低的网格分辨率，从而减少计算工作总量，并最终提高数据采集速率。

图6为包络功能启用前后同一横孔的TFM图像，图6(a)波幅为全正值，网格分辨率为0.08mm（λ/8.1），最大波幅为108.7%；图6(b)的网格分辨率为0.16mm（λ/4），最大波幅为122.6%。

图6 包络功能启用前后同一横孔的TFM图像

TFM包络法可移除图像中的信号振荡，能使最大波幅测量更稳定（见图6），而采集效率的提高得益于TFM包络的使用，因为包络要求降低网格分辨率，即增大相邻两像素间距（与标准TFM相比，仍具有相同波幅稳定性）。如当网格分辨率为λ/4时，TFM包络就足以具有与标准振荡TFM（分辨率为λ/8）的相同波幅保真度（2dB）。IIW（国际焊接学会）、ISO（国际标准化组织）和ASME（美国机械工程师协会）三体系对TFM波幅保真度均有相同规定。

图7为几个具有不同相位偏移量（ф）的高斯调制脉冲|z(t)| e^i(ωt+ф)及其产生的包络|z(t)|。由图7可见，信号包络显然与解析信号的瞬时相位无关，故使用信号包络时，测得的信号最大振幅比解析信号实分量绝对值更稳定。

图7 不同相位偏移量的高斯调制脉冲及其产生的包络

TFM包络图像生成过程（三步法）如图8所示，TFM包络图像是两个TFM图像的组合结果，一个来自基本A扫描的实部，另一个来自基本A扫描计算的虚部。该过程增加了计算负担，降低了检测仪器的采集速度，但由验证得知，在不影响保真度的前提下，所需网格分辨率可明显降低。因此，TFM包络法的采集速度明显高于标准TFM的采集速度。

图8 TFM包络图像生成过程(三步法)

4种不同网格分辨率（λ/9.3，λ/8.1，λ/5.9，λ/4.0）生成的标准TFM与TFM包络图像质量对比如下：

新近可用规范和标准包括ASME BPVC.V-2021、IIW Ⅴ-1842-2018《无损检测 超声检测 双全法一般用途》及ISO 23865:2021，这些标准均要求TFM波幅保真值AF≤2dB。故使用标准TFM时，表中只有前两行网格分辨率（λ/9.3，λ/8.1）达标。TFM包络可允许使用较低的网格分辨率（λ/4.0），而幅度保真度仍达标。同样，用较粗网格TFM包络，相比于标准TFM所得最高采集率（5.79Hz，此时网格分辨率为λ/8.1），采集速度可提高约37%。

使用TFM包络最明显的好处是可消除因使用自然振荡声波A扫描信号作为基本数据集而产生的波幅振荡。该方法无振荡伪影，可使波幅变得更连续，定量更简易。此外，在保持相同波幅保真度情况下，TFM包络图像可获得比标准振荡TFM更高的采集速率。

下面举例说明包络功能对高温氢蚀（HTHA）缺陷图像显示的影响。TFM包络功能开启时，网格分辨率可选低些，但波幅保真度仍可保持在2dB以下（标准容差），而采集率有所提升。

图9为高温氢蚀缺陷的TFM包络与标准TFM图像。标准TFM图像参数：网格分辨率为0.07mm；保真度为1.7dB；采集率为10.6Hz。TFM包络图像参数：网格分辨率为0.15mm；保真度为1.9dB；采集率为19.5Hz。由图9可见，缺陷回波在包络时更易被识别，且TFM包络图像对振荡更稳健，有助于简化缺陷解读和基于波幅的定量表征。

图9 高温氢蚀TFM包络与标准TFM图像

图10为TFM包络功能对分辨率试块中ф1mm弧形排孔检测图像质量的影响。可见，未使用包络时，重建图像有伪影显示；使用包络时，排孔显示清晰。

图10 TFM包络功能对检测图像质量的影响

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典型缺陷适用的成像路径

图11 特定缺陷类型相对应的适用成像路径

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焊接缺陷TFM图谱

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伪显示来源与滤除