边界散射对超声水平剪切导波成像检测的影响

　　0 前言

　　超声导波用于无损检测与无损评价潜力很大，特别是对于大尺度、长距离检测来说比一般超声检测有更大优势[1]。超声水平剪切(Shear horizontal，SH)导波在板材无损检测中有独特的优秀品质，在工业在役大尺度焊接结构板材成像检测、结构健康监测中有重要的应用价值。金属板中C扫描成像[2]一般不涉及声波边界散射问题。在金属板中超声导波成像检测研究中，一般要考虑直达声波对缺陷目标的散射(反射)，如板中V形贯穿刻槽、裂纹等各种类型缺陷对超声SH导波的散射问题、声波反射与缺陷尺寸的关系等[3-6]，但在这些研究中没有考虑声波传播中边界散射对缺陷目标成像检测的影响，这是一个不容忽视的问题。对板中Lamb导波的检测成像研究中，可在频域内运用叠加后处理方法进行信号处理，针对周向分布的阵列信号运用“最小方差无失真”算法可提高成像分辨率[7-8]，但这些成像算法也没有考虑声波在到达缺陷目标之前受边界散射的影响，且由于Lamb导波传播中容易发生波形转换，检测距离有限，使得Lamb波用于大尺度板材成像检测与健康监测存在一定局限。

　　本文基于合成孔径聚焦进行超声SH导波成像研究，就边界散射对超声SH导波成像检测的影响进行了探讨，将为深入研究、改进工业在役大尺度焊接结构板材超声导波成像检测提供重要基础。

　　1 基于合成孔径聚焦的超声SH导波成像

　　相对于单换能器检测来说，超声换能器阵列有易成像、检测质量好等优点[9]，应用合成孔径聚焦方法进行超声导波成像研究。超声SH导波合成孔径采用“准动态孔径”，即超声SH导波阵列在接收信号开始时只有少数通道打开，其他通道关闭，随着接收深度的增加，全部接收通道打开。聚焦是指一次扫描就完成了对成像区域内所有散射体的聚焦。一次扫描即n个阵元依次“一发多收”得到n组每组n个即n×n个信号，这些信号包含了成像区域内所有散射体的反射信息，提取这些信息进行“移相合成”的时空域信息处理，就完成了对扫描区域内所有散射体的聚焦，即全场域聚焦。在给定的坐标系中，设发射阵元坐标为(x0, y0)，在ti时刻第i个阵元发射信号被成像区域内任意散射体P(x, y)反射后被第j个阵元接收，引入比例因子k0、i,kj分别反映反射信号(能量)i ,Sj反射合成信号(能量)S(t, r, θ)与点P(x, y)反射信号回波幅度Uji(x,y)平方、反射信号总回波幅度U(x, y)平方的正比关系，那么阵元依次发射、所有阵元分别接收到散射体P(x , y)反射的合成信号能量为

　　对得到的n组信号进行“移相合成”的时空域信息处理，就完成了对点P(x , y)的“全场域聚焦”。通过式(1)可得到对散射体P(x , y)信号聚焦后总信号回波幅值(能量)