1 引言

薄板结构广泛应用于实际工程中,一般通过加强筋增加薄板结构的强度与刚度、减小结构变形,以提高结构的稳定性。由于加强筋具有质量轻、结构强度高等优点,在建筑、桥梁以及航天等领域中得到了广泛的应用^[1]。但长期服役于恶劣环境的加强筋结构,不可避免地会出现腐蚀、裂纹等损伤,从而削弱结构的极限承载能力^[2]。因此,需要对加强筋进行评价,以保障其质量安全。筋宽是加强筋性能的主要影响因素之一^[3],所以有必要对加强筋筋宽的检测进行研究。

加强筋的使用环境要求对筋宽的检测需具备在役、快速、无损等特点,超声波检测技术因具有高穿透性和高灵敏度等特点,广泛应用于各种板状材料的无损探伤中^[4-5]。李一博等^[6]研究了兰姆波垂直入射在不同加强筋上的传播特性,结果表明,加强筋会对兰姆波产生梳状滤波器效应。焦敬品等^[7]使用压缩感知方法从少量检测数据中恢复出兰姆波的频散特性,并基于频散特性完成了兰姆波成像,进而对加强筋的缺陷进行检测与定位。刘治东等^[8]研究了超高速撞击声发射信号中产生的不同模态超声波在加强筋处的模态转换特性,证明了S0、A0模态的兰姆波穿过加强筋后,部分转换成相对模态的同阶兰姆波;S2模态的兰姆波穿过加强筋后转换成A1阶兰姆波;部分A1阶兰姆波穿过加强筋后会转换成S0模态兰姆波。Reusser等^[9]建立了低阶兰姆波穿过加强筋的散射模型,证明了S0模态与加强筋的共振频率具有一致性。但现有的加强筋超声检测方法,大多先利用斜探头激励出兰姆波后再对加强筋进行检测。一方面检测结果不直观且误差较大,不能满足快速检测的需求;另一方面,压电探头的检测结果受耦合因素的影响较大,且检测复杂曲面的能力有限。

激光超声技术结合了光学与超声学知识,具有非接触、检测频带宽、可实时在线检测等优点,可用于材料的缺陷检测、定位等^[10]。Zhang等^[11]基于反射横波的激光超声C扫描重现了多层粘接结构中的脱粘现象,并提出了一种定量评估缺陷部位尺寸的方法。Sun等^[12]通过实验研究了复合材料层压板中钻孔引发的分层缺陷问题,并利用激光超声C扫描清晰呈现了分层的形态特征。Hong等^[13]使用一种全场脉冲回波激光超声传播成像仪评估结构缺陷,对测试样品上的缺陷进行了可视化分析。小能量脉冲激光基于热弹效应会在材料中形成超声波,大能量脉冲激光基于烧蚀效应会在材料中形成超声波。现有的激光超声C扫描^[14-15]大多是基于大能量的脉冲激光激励,容易烧伤试样表面。但降低激励激光的能量,会影响接收信号的强度,造成激光超声C扫描图像不清晰,被检对象特征模糊等问题。

现有的激光超声C扫描受耦合因素和设备限制的影响较大,为了对加强筋进行快速、非接触的无损检测,减小耦合以及环境的限制,本文提出了一种基于激光超声C扫描测量加强筋宽度的方法。首先分析了理论模型,寻找小能量激励(脉冲激光能量小于2 mJ)下反射回波幅值较大的超声波模态。然后基于该超声波模态进行激光超声C扫描实验,并通过图像处理技术得到加强筋的宽度。该方法实现了小能量激励条件下的激光超声C扫描检测,同时可以定量测量加强筋的宽度。

2 激光超声C扫描实验

2.1 检测装置及试样

激光超声C扫描的检测装置和原理如图1所示。检测装置主要包括激光控制器、激光发射器、激光干涉仪、自动位移台、个人计算机(PC)等。采用Wedge HB系列的调Q Nd∶YAG脉冲激光器发射激光脉冲,激光波长为1064 nm,脉冲宽度为2 ns,单脉冲能量在0~2 mJ范围内可调,重复频率为2 kHz,脉冲激光光斑直径为200 μm。脉冲激光经发射器激发并通过电动小镜反射后,由柱面镜聚焦于被检测试样上。采用Quartet-FH系列的脉冲干涉仪接收激光超声,接收时使用波长为532 nm的连续激光,检测频率最高可达24 MHz,光斑直径为100~500 μm,焦距为100 mm,激光能量为1 W。实验时,改变光纤头与试样之间的相对位置,使试样上的光斑直径最小,同时使光束垂直于样品。通过控制自动位移台使激光超声检测装置进行“S”形运动,实现对试样的激光超声C扫描。

实验中的试样为带有不同宽度加强筋、厚度B=2 mm的304不锈钢板,如图2所示。其中,加强筋的厚度为2 mm,宽度d分别为2.0,2.5,3.0,3.5,4.0 mm。利用激光超声C扫描技术对带有加强筋的304不锈钢板进行检测,测量前需要确定激励点与接收点之间的距离,以保证接收信号可用于激光超声C扫描成像。

图 1. 激光超声C扫描。(a)检测装置;(b)检测原理

Fig. 1. Laser ultrasonic C-scan detection. (a) Detection device; (b) detection schematic

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图 2. 实验样品。(a)样品示意图;(b)样品尺寸

Fig. 2. Experimental sample. (a) Schematic diagram of the sample; (b) sample size

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2.2 激励点与接收点距离的确定

由于激光具有极高的能量密度,入射在试样表面时,材料局部受热会迅速膨胀。由于周围材料的约束,该作用区域会成为一个高频振动源,然后产生多种模态的超声波在材料内部传播。合理选择激励点到接收点的距离能使超声波信号具有较好的幅值及信噪比,且能使超声波信号在时域上分离开,避免波形的叠加干扰。

2.2.1 理论计算

脉冲激光可在一次激励中同时激发出多种模态的超声波,包括表面波(R)、掠面纵波(Ls)、纵波(L)和横波(S)等,如图3所示。可以发现,当激励点与接收点的距离D发生变化时,L和S的传播路径和传播角度α也会变化。当L和S传播到材料底面时会发生反射,形成反射纵波(2L)或反射横波(2S)、二次反射纵波(4L)或二次反射横波(4S)。根据声波的Snell定理得到反射波的传播规律为

sinθin/cin=sinθre/cre,(1)

式中,θ_in和θ_re分别为入射角和反射角,c_in和c_re分别为入射波和反射波的波速。如图3所示,改变激励点与接收点的距离D,根据各模态超声波的波速可计算出各模态超声波到达激光接收点的时间t, R、Ls、2L、2S、4L的到达时间分别为

tR=D/cRtLs=D/cLst2L=D/{cL×sin[arctan(D/2B)]}t2S=D/{cS×sin[arctan(D/2B)]}t4L=D/{cL×*sin[arctan(D/4B)]},(2)

式中,c_Ls、c_R、c_S、c_L分别为Ls、R、S和L的波速。

图 3. 激光超声波的传播路径

Fig. 3. Propagation path of laser ultrasonic

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当D的变化范围为0~10 mm时,根据(2)式计算得到D与不同模态波形到达时间的变化关系,如图4所示。可以发现,采用激光激励超声,可以在材料中激发出多种模态的超声波,且随着D的增大,各种模态的超声波会混杂在一起。

图 4. 不同模态超声波的t随D的变化曲线

Fig. 4. Variation curves of t with D of different ultrasonic modes

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2.2.2 实验验证

激励点到接收点过程中的激光超声信号检测原理如图5所示。固定激光发射器,将试样以及激光干涉仪固定在位移台上,通过步进电机控制位移台的精密移动,从而改变激励点和接收点的距离D。将D从0 mm(激发点与接收点重合位置)增加到10 mm,每移动0.2 mm采集一次超声波信号,共采集51个位置的超声波信号。记录每个位置的超声信号,得到超声波幅值随D的变化情况,如图6所示。

图 5. 检测装置示意图

Fig. 5. Schematic diagram of the detection device

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图 6. D与超声波波形的关系

Fig. 6. Relationship between D and ultrasonic waveform

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从图6中可以看出,实验结果中存在多种模态的超声波,且不同超声波的到达时间与理论计算结果高度一致。超声波信号的幅值从高到低依次为R、2S、2L、4L。随着D的增大,各种模态的超声波信号幅值也随之降低。当D为0.6~3 mm时,信号幅值从大到小依次为2L、2S、4L,但2L与R,4L与2S在该距离出现了模态叠加现象,不利于后续的信号分析。当距离为3~5 mm时,信号幅值从大到小依次为2S、2L、4L,且4L与R出现混叠。当距离为5~10 mm时,信号的幅值都较小。由于R只能在物体近表面位置传播,而激光超声C扫描是一种利用体波(L和S)对物体内部进行检测的方法,所以在本研究中,表面波属于干扰信号应尽量避免。

实验采用2S进行检测,原因是2S的幅值较高,且能分离2S与其他波形(2L以及4L),不存在信号叠加问题,识别度较高。当D为3~4 mm时,检测得到的超声波波形如图7所示,可以发现,此时超声波波形的信噪比较高,波形能分离开,没有出现信号相互叠加现象。从图6和图7中还可以发现,当D=4 mm时,2S在传输1.8 μs时出现,因此C扫描图像在1.8 μs时最清晰。

图 7. 不同D时的超声波波形

Fig. 7. Ultrasonic waveforms at different D

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3 实验结果与信号处理

3.1 激光超声C扫描结果

用图1所示的激光超声C扫描装置,保持D=4 mm,设定扫描范围为20 mm×10 mm,扫描间隔为0.1 mm,对带加强筋的板状结构进行激光超声C扫描检测。得到信号传输1.8 μs时不同宽度加强筋的C扫描结果,如图8所示。

从图8中可以发现,由于2S信号较弱,激光超声C扫描结果容易造成加强筋和平板的图像轮廓不清晰、区分度不高,通常采取两种方法提高激光超声C扫描的图像质量。第一种是提高脉冲激光的能量,以增大2S信号的幅值;第二种是在同一个位置上进行多次测量求平均值,减小噪声信号。但提高脉冲激光能量会烧伤工件表面,而多次采集信号会降低检测效率。实验研究的激光超声C扫描采用的脉冲激光最大能量为2 mJ,对工件表面的影响较小;且在扫描区域的每个位置上只采集一次信号,提高了扫描效率。但由于信号没有进行多次平均,超声信号受到噪声的影响较大,因此需要对数据进行处理。

3.2 小波降噪

小波变换通过平移伸缩变换对信号进行多尺度细化,在高频处对时间进行细化,在低频处对频率进行细化,以实现时域和频域的自适应分析。小波降噪利用小波的自适应分析特性,将信号按照频率成分的差异分解到不同部分,并根据设定的界限对小波系数进行分类。小波系数高于界限的部分不做处理,直接保留;小波系数低于界限的部分为噪声成分,将其小波系数进行归零处理。然后对信号进行重构,得到小波降噪后的信号。小波分析能很好地区分信号中的突变部分和噪声,去噪能力较强^[16]。对图8中的扫描数据进行小波降噪,结果如图9所示。可以发现,小波降噪后消除了图像中的大部分噪点,且图像在有加强筋和无加强筋位置上的对比更加明显,加强筋的宽度也更加清晰。但在图像中仍存在部分噪点,因此,还需进一步增强加强筋的宽度轮廓。

图 8. 不同宽度加强筋的激光超声C扫描结果。(a) d=2.0 mm; (b) d=2.5 mm;(c) d=3.0 mm; (d) d=3.5 mm;(e) d=4.0 mm

Fig. 8. Results of laser ultrasonic C-scan of stiffeners with different widths. (a) d=2.0 mm; (b) d=2.5 mm; (c) d=3.0 mm; (d) d=3.5 mm; (e) d=4.0 mm

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图 9. 小波降噪后的激光超声C扫描结果。(a) d=2.0 mm;(b) d=2.5 mm;(c) d=3.0 mm;(d) d=3.5 mm;(e) d=4.0 mm

Fig. 9. Laser ultrasonic C-scan results after wavelet reduction. (a) d=2.0 mm; (b) d=2.5 mm; (c) d=3.0 mm; (d) d=3.5 mm; (e) d=4.0 mm

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3.3 局部均值滤波

由于超声检测中噪声信号的影响,激光超声C扫描图像的结果中会出现噪点,从而干扰对筋宽的测量,影响检测结果的准确性。因此,需要对激光超声C扫描图像进行进一步的处理,保证激光超声C扫描图像的平滑性。局部均值滤波通过对目标像素邻域内的像素灰度值求平均,并用平均值替换目标像素,实现平滑图像的目的。对于图像中的噪点,通过其相邻区域的正常点进行平均化。局部均值滤波利用不同区域信号灰度值存在的差异去除图像噪声,使信号更光滑。在小波降噪后对激光超声C扫描图像进行均值滤波^[17-18],结果如图10所示。可以发现,经局部均值滤波后,激光超声C扫描图像能很好地体现板状结构的加强筋位置,以便后续对加强筋宽度进行定量表征。

图 10. 均值滤波后的激光超声C扫描结果。(a) d=2.0 mm;(b) d=2.5 mm;(c) d=3.0 mm; (d) d=3.5 mm;(e) d=4.0 mm

Fig. 10. Laser ultrasonic C-scan results after mean filtering. (a) d=2.0 mm; (b) d=2.5 mm; (c) d=3.0 mm; (d) d=3.5 mm; (e) d=4.0 mm

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3.4 自适应阈值法

利用激光超声C扫描图像测量筋宽的实质是利用图像的灰度值进行阈值分割处理,将激光超声C扫描图像分割为有筋宽和无筋宽两个区域。由于不同区域的超声波信号幅值不同,体现在C扫描图像上的灰度值也不同,利用两个区域之间的灰度差异,对图像进行划分。自适应阈值法又称为最大类间方差法,通过计算图像灰度值的方差确定合适的灰度分割阈值,保证每个区域的灰度值相差最小,不同区域之间的灰度值相差最大。为了更好地表征加强筋的宽度,采用自适应阈值法^[19]对均值滤波后的图像进行分割,结果如图11所示。

图 11. 自适应分割后的激光超声C扫描结果。(a) d=2.0 mm; (b) d=2.5 mm;(c) d=3.0 mm;(d) d=3.5 mm;(e) d=4.0 mm

Fig. 11. Laser ultrasonic C-scan results after adaptive segmentation. (a) d=2.0 mm; (b) d=2.5 mm; (c) d=3.0 mm; (d) d=3.5 mm; (e) d=4.0 mm

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从图11中可以发现,虽然图像中的加强筋边缘存在不规则波动,但可以准确反映出加强筋的实际形貌。用白色区域面积与长度的比值作为加强筋的宽度,结果如表1所示。可以发现,采用激光超声C扫描技术测量304不锈钢板加强筋的筋宽时,图像的平均宽度与测量值之间的绝对误差小于等于0.05 mm,相对误差小于等于1.55%,满足工程检测的误差需求,这表明本方法在加强筋宽度的测量方面有一定的工程应用价值。

4 结论

通过激光超声C扫描对板状结构中的加强筋进行了研究,结果表明,脉冲激光在2 mm厚的304不锈钢板上激励出的超声波存在多个模态。其中,经底面反射后的横波可与其他模态分离开,因此,可利用反射横波实现激光超声C扫描;当激励点与接收点间的距离为4 mm时,横波经底面反射后的信号最为清晰且与其他模态不发生干涉,而反射纵波与表面波在信号上发生叠加;通过小波降噪、均值滤波方法处理C扫描图像后,图像质量可达到工程应用的检测精度要求,避免了增大激励激光能量、增加检测次数,可对加强筋的宽度实现无损、高效的检测。