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摘 要 随着新材料不断涌现及现代工业对构件质量要求的提高, 超声检测技术得到了较大 发展。 综述近年来国内外在超声导波技术、声发射新技术、新型超声非接触换能方法、超声信号处理 与模式识别等方面的若干研究成果, 这些超声检测新成果既有学术前沿性, 又有一定应用背景。 主题词 超声检验 进展 声发射检验 信息处理 模式识别 D EVELOPM ENT OF UL TRASON IC NOND ESTRUCT IVE TEST ING TECHN IQUES L iu Zhenq ing L iu X iao ( Institute of A coustics, Tongji U niversity, Shanghai) Abstract W ith the uninterrup ted em ergence of new m aterials and the requirem ents of modern industry fo r the qualities of components, a considerable developm ent has been go t on ultrasonic testing techniques. T he ach ievem ents obtained in research hom e and abroad last several years are review ed, including ultrasonic guided w ave technique, advanced techno logy of acoustic em ission, ultrasonic non2contact coup ling m ethod, ultrasonic signal p rocessing and pattern recognition. T he ach ievem ents have no t only academ ic fo rw ard po sitions, but also backgrounds of app lications. Keywords U ltrasonic testing D evelopm ent A coustic em ission testing Signal p rocessing M ode identification 无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量 与性能、稳定生产工艺的重要手段。当今世界各发达 国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门 中的作用, 日本最近制定的 21 世纪优先发展四大技 术领域之一的设备延寿技术中, 把无损检测放在十 分重要的位置。 超声检测是一种重要的无损检测技术, 由于它 的穿透能力强、对人体无害, 已较广泛应用于工业及 高技术产业中。近期召开的国际与全国性无损检测 学术会议上, 超声检测无损检测资源网方面(含声发射) 的论文数量 都几乎占到总数的一半, 成为学术研究的活跃分支。 十余年来推动超声检测发展的主要因素是 ① 工业 生产中的质量意识不断提高以及在役设备寿命预测 技术的要求。 ② 诸如复合材料和精细陶瓷等新材料 的应用, 使传统的超声检测方法遇到障碍, 促使人们 探索采用若干特殊的超声检测途径。 ③ 微机技术的 3 国家自然科学基金(批准号 19574039 及 19604010) 与国家教委跨世纪优秀人才培养计划项目 突飞猛进带动了传统超声检测技术水平的提高, 使 其获得的结果更直观可靠, 还能方便地以二维或三 维形式成象。 ④ 现代信息科学为超声检测的发展注 入了新的活力, 由此可对一些复杂的检测信号与过 程作出迅速有效的提取与解读。 ⑤ 特殊的构件对超 声检测提出了非接触的要求, 促使超声检测从换能 方法上有了新的突破。 目前在若干领域超声检测开始向超声无损评价 发展, 使得超声检测内容有了新的内涵。从超声检测 新技术的应用面来看, 它包含了许多内容, 如超声波 应力与残余应力测量技术、超声显微镜技术及超声 层析成象技术等, 这里难以逐一介绍。本文从作者研 究背景出发, 对超声导波技术、声发射新技术、新型 非接触超声换能方法及超声信息处理与模式识别等 四方面的研究新进展作一综述, 对它们的特点、适用 性及发展方向进行讨论。 1 超声导波技术 [ 1～ 5 ] 常规的主动式超声无损检测中, 假设声传播介质足够大(与波长相比) , 人们利用超声反射及散射 等现象对材料与构件进行质量或特性的检测, 并尽 可能避免导波的出现, 这是因为导波的波型复杂, 且 有频散现象。近年来, 各国科学家投入了较大的热情 研究用超声导波进行无损检测的途径, 这有两方面 原因, 即 ① 纤维增强型复合材料的损伤与缺陷较难 用超声反射方法探测到, 导波有望成为单面检测这 类材料与构件的良好手段无损检测资源网。 ② 用常规超声扫查方式 检测大型结构件相当费时、费力, 导波则为一种快速 有效的无损检测技术。 早些时候, 人们仿照超声反射方法观察超声导 波在板(或近似板结构)、棒或管状结构中的反射形 态, 试图从缺陷或组织变异体的导波反射幅度来判 断构件内部状况, 但由于超声导波在传播体不同部 位的能量相差较大以及模式转换等复杂因素, 使得 该方式至今尚未得到工业界普遍接受。近期的研究 表明, 以前尽可能避免的频散现象恰恰可以作为超 声导波检测的重要参数, 超声导波的频散曲线对分 层和脱胶等严重危害复合材料的现象较灵敏, 利用 若干模式超声导波频散曲线可判断被测物体的内部 状况。 另一方面, 分层或弱胶将使超声波在固体声腔 中传播的边界条件改变, 造成其各频率分量的变化, 因此超声波在波导中传播一定距离后的频谱及其变 化也成为评价被测体的一个参量。采用人工神经网 络技术则可准确有效地对复杂的频散曲线及频谱曲 线进行反演, 即由获得的超声参量推算出被测体的 各种状况。 目前, 人们已开始用超声导波对大型固体、液体 火箭壳体及若干航空结构件进行无损检测与评价, 其特点是快速有效(较之常规的超声检测)。管状结 构是超声导波可发挥其特长的又一对象, 用该技术 可对各种管道进行长距离一次性检测, 国外已成功 地用超声导波对核工业、电力与石化等行业的管道 进行检测。 2 声发射新技术 [ 6, 7 ] 与采用超声探头发射超声波的主动检测不同, 声发射技术是一种被动式检测技术, 其超声波(或声 波)是材料或构件受外力或内力等作用时自发的。早 在 60～ 70 年代, 声发射技术就进入了应用阶段, 主 要领域是泄漏的监测与定位、材料与构件中裂缝扩 展的监测与分析、构件在役条件下失效的报警等。在 关键的航天与国防工业中, 声发射技术至今仍用于 导弹壳体与潜艇的水压试验, 以此对构件的安全性 能与失效行为进行动态监测无损检测资源网与评价。显然, 常规的声 发射技术在一定程度上尚不能完全被称之为无损检 测技术, 若干试验条件下材料与构件可能由于不可 忽视的损伤产生声发射。 近期人们将注意力集中于用声发射无损评价材 料与构件的完整性, 或预测构件的强度与爆破压力。 当产品的形状与结构复杂时, 工业生产流水线上较 普遍欢迎采用声发射技术对构件作快速无损评价, 这里仅需将构件(或零件)设置在较低的应力与温度 运行环境下(相对构件正常使用时) , 用声发射信号 动态识别构件是否有危害性缺陷(即使是十分微小 的缺陷)和整体上的不匹配。其依据是构件中不易用 其它方法探测到的小缺陷在低的应力条件下也会产 生一定的声发射信号。 至今, 人们评价压力容器整体性能的常规做法 是, 在实验室条件下给其加压至接近实际使用压力 (或更高) , 考验其是否出现异常情况, 这时对压力容 器来说可能已产生了某种损害, 工业设计部门及用 户对此试验方法一直持保留态度。根据这一情况, 美 国科学家首先提出了以观测压力容器在远低于实际 使用压力条件下的声发射信号来预测该容器的爆破 压力与强度。由于压力容器, 尤其是纤维增强复合材 料压力容器爆破压力和强度与低压力状态下声发射 信号关系复杂, 目前还只能通过大量实验积累众多 的数据, 以达到准确预测的目的。最近, 一种采用人 工神经网络的声发射爆破压力与强度预测技术已被 用来评估复合材料固体火箭壳体的性能, 其爆破压 力与强度预测的准确性达到±5%。 3 新型非接触超声换能方法 [ 8～ 11 ] 传统的超声检测均采用接触式换能方法, 即在 超声探头与被检材料或构件间用诸如油脂或水等声 耦合介质使超声波的大部分能量传入被检工件。无 论使用何种耦合介质, 在检测工作结束后都应该将 其清除, 残留的耦合介质有时会造成工件的质量问 题。 另外, 在高温或高速生产的流水线上, 一般的超 声探头无法稳定地耦合到被检工件上, 由此科研人 员萌发了发展非接触超声换能新方法的念头。目前 已有的非接触超声换能方法主要有电磁声方法、静 电耦合方法、空气耦合及激光超声方法。其中前两种 方法的换能器与被检对象的表面距离较近, 被用于 某些较特殊的工业与实验室环境; 后两种方法的换 能器件可与被检对象保持较长距离, 因而具有较好 的发展前途。 所谓的空气耦合是一种直接用空气作为耦合介 质的方法。由于固体与空气的声阻抗相差有五个数量级, 在固2气界面上必然有极大的能量损耗, 因此, 这时的高频空气超声换能器(相对几十千赫的普通 空气换能器)不仅要求发射功率大, 且必须有良好的 电气与声匹配。由于该方法的能量损失太大, 目前的 工业应用领域尚不广。俄罗斯等国近期已将该技术 用于特殊航天构件, 尤其是非金属复合材料构件的 非接触无损检测与评价, 对保障其航天军事科技的 领先地位起到了积极的作用。 激光超声则是各国科学家寄予极大期望的新型 超声换能方法, 该方法利用脉冲激光产生窄脉冲超 声信号, 再用光干涉方法检测超声波, 它具有时间与 空间上的高分辨力, 且光学上的聚焦可使检测点很 小。在经历了前一时期理论探索后, 目前该领域的研 究大多开始转向实用化。该技术不仅适用于高温和 快速运动等需非接触检测的工件, 而且可对形状结 构较复杂或尺寸较小(对常规的超声探头无稳定耦 合面)的工件进行无损评价, 如金刚石构件、人工晶 体及薄膜材料等。目前, 激光超声的不足是检测系统 庞大以及检测环境要求较高(要隔振等) , 若能突破 这些技术问题, 该方法将大有前途。 4 超声检测中的数字信号处理与模式识 别 [ 12～ 14 ] 由于材料与构件超声检测使用的频率一般为数 兆赫或更高, 对其射频信号进行数字处理时的电子 元件性能要求较高, 因此现代数字信号处理技术在 超声检测中的应用一直到 80 年代初才开始, 目前其 工业实用性产品仍不多。近十年来, 随着电子产业的 进步, 各种现代数字信号处理与模式识别技术大量 引入超声检测研究, 使得若干以往很难解决, 或只是 理论上可以解决的问题可望得到切实解决。 定量化是数字信号处理与模式识别用于超声检 测的主要目的之一。到目前为止, 表面粗糙度仪 http://www.biaomiancucaoduyi.com 工业用超声无损检 测大多还停留在了解材料与构件内是否有缺陷, 或 凭经验大致判断缺陷的大小与位置。近期的理论与 实验研究表明, 采用多参量的超声数字信号处理与 模式识别技术可给出检测的量化结果, 如缺陷的大 小、位置、形状或性质(是空穴或夹杂等)。与断裂力 学知识相结合, 现代超声检测还可望进一步对构件 的强度与剩余寿命进行评估, 这方面的成果已开始 在发达国家的电力行业初步应用。 数字信号处理与模式识别用于超声检测的另一 个主要目的是分离与识别一些复杂的检测信号。如 粗晶奥氏体钢的超声探伤由于信噪比很低, 使得各 国学者不断探索新的解决途径, 近期, 将现代数字信 号处理与人工神经网络技术用于超声检测, 人们已 能较稳定地探测出各类奥氏体钢构件的缺陷。类似 的例子还有纤维增强复合材料、混凝土及岩石等的 超声无损检测。新型的信号分离与识别技术使得超 声检测较好地适应了新材料及其它工业技术发展的 需求, 电子技术与计算机技术的飞速发展及其成本 的大幅度降低, 又加快了采用现代数字信号处理与 模式识别技术的超声检测仪器的工业应用步伐。 5 结束语 需要是发明创新之母, 现代工业与科技的发展 使得超声检测技术在各方面都有了长足的进步, 本 文所列举的几个方面新进展只是众多进步的代表。 超声无损检测技术伴随材料与工业技术的发展而发 展, 并随着人们对产品质量与安全性的不断重视而 得到进一步提高。我国的国民经济在经历了一段时 期数量上的高速发展后, 今后必将愈加重视其内在 “质”的发展与提高。在这种趋势下, 超声检测作为许 多领域产品质量保证的重要手段之一必将得到更多 的关注与提高。 |
