超声 A扫描信号建模及其缺陷识别方法研究李 力袁 余新亮袁 张全林

（水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室（三峡大学），湖北 宜昌 443002）摘 要院针对超声检测中 A 扫描信号依靠经验评定结构缺陷、识别缺陷类型困难等问题，提出一种 A 扫描信号建模方法，计算出缺陷 A 扫描信号。该方法基于超声检测系统建立 A 扫描信号数学模型，应用多元高斯声束法计算模型中缺陷表面超声波传播质点速度，运用基尔霍夫近似理论描述模型中缺陷散射振幅，从而获得缺陷超声 A 扫描信号。应用 CSII-1/20 标准试块平底孔（缺陷）超声 A 扫描表明：该方法计算获得试块平底孔 5#（缺陷）A 扫描信号与试验测量结果在缺陷位置和幅度基本吻合，是识别结构孔洞类缺陷的一种有效方法。

关键词院超声检测；A 扫描信号建模；缺陷；识别中图分类号院TB551曰TP391.9曰TP301.6曰TH878+.2 文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2014冤01-0014-03

Ultrasonic A-scan signal modeling for structure defect recognition

LI li，YU Xin-liang，ZHANG Quan-lin（Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design and Maintenance，

China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract: A-scan signal of ultrasonic testing was always applied to evaluate structure defect. Itwas difficult to recognize structure defect type for the A-scan signal was directly evaluated on thebasis of experience. Therefore this paper presented an approach of A-scan modeling for structuredefect recognition. In this approach，an A-scan frequency-domain model was firstly developed，the multi -Gaussian beam model was given to calculate ultrasonic wave particle velocity ofstructure defect surface，and the Kirchhoff approximation theory was applied to describe structuredefect scattering. Ultrasonic A-scan signal of structure defect was finally calculated. The results ofultrasonic testing of a flat bottom hole in CSII-1/20 standard test block showed that the waveformand amplitude of calculated A -scan signal were in good agreement with the experimentalmeasurements. So，the approach can be effective to recognize a flat bottom hole in structure.Key words: ultrasonic testing；A-scan modeling；structure defect；recognition

收稿日期院2013-03-05曰收到修改稿日期院2013-04-21基金项目院国家自然科学基金项目（51175401）

2012三峡大学硕士学位论文培优基金（2012PY021）作者简介：李 力（1964-），女，湖南汨罗市人，教授，博士，研究方向为机械监测、控制与诊断，机械信号分析与处理，无损

检测技术等。

0 引 言超声检测已广泛应用于机械制造、航空航天、石

油化工、混凝土建筑等行业质量检测[1-4]。A 型脉冲反射式超声检测仪是超声检测普遍使用设备，A 型脉冲反射回波信号（简称 A 扫描信号），是超声检测仪

常见输出信号显示形式。A 扫描信号，横轴显示缺陷位置，纵轴显示缺陷信号幅度，是目前常规超声检测

评定设备缺陷关键性数据，能否反映缺陷真实大小

直接关系缺陷能否检出和缺陷评定结果。实际现场

设备超声检测都是直接观察 A 扫描信号波形依靠经验识别出缺陷超声信号后，进行缺陷位置和缺陷当

量大小评定工作[5]。这种经验检测很大程度受到检测人员操作技术水平、检测设备和检测方法等因素影

响，当检测工件材质和结构复杂时，有经验的检测人

员也会遇到缺陷类型正确识别困难[6]。因此，目前超

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.40 No.1January，2014第 40 卷第 1 期2014 年 1 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.004

第 40 卷第 1 期

声检测 A 扫描依靠经验评定可能会存在缺陷类型识别困难问题，本文针对这一问题展开研究，给出了一

种结构缺陷超声检测 A 扫描信号建模与计算方法，计算缺陷的 A 扫描信号。该方法应用 CSII-1/20 标准试块平底孔（缺陷）计算，该方法计算获得试块平

底孔 5#（缺陷）A 扫描信号与试验测量相符，是识别结构孔洞类缺陷的一种有效方法。

1 A 扫描信号建模与计算方法图 1 为超声检测 A 扫描技术，工作原理是：发射

探头向检测结构发射脉冲超声波，超声波与检测结

构中缺陷相互作用，引起的回波经接收探头获得缺

陷超声检测 A 扫描信号。缺陷超声检测 A 扫描信号形成过程包括超声波发射、超声波与缺陷相互作用

和超声波接收 3 个过程。

1.1 信号建模依据 A 扫描信号形成原理，从频域角度建立一

个描述信号的等效数学模型[7-8]，见图 2 所示模型传递函数为

VR（棕）=SG（棕）SA（棕）SR（棕）V i（棕） （1）式中：VR（棕）———输出回波信号电压频域函数；

SG（棕）———发射过程传递函数；SA（棕）———超声波与缺陷相互作用过程传递函数；SR（棕）———接收过程传递函数；V i（棕）———输入电压频域函数。

令 S（棕）=SG（棕）SR（棕）V i（棕），有VR（棕）=S（棕）SA（棕） （2）

式中：S（棕）———超声检测系统固有特性函数。对于一个确定超声检测系统，发射和接收过程脉

冲发生器、发射电缆线、发射探头、接收探头、接收电

缆线和脉冲接收器自身物理特性是给定的，因此超声

检测系统固有特性函数 S（棕）是已知的[7-8]。建立 A 扫描信号数学模型，理论描述了实际 A 扫描信号产生3 个具体过程，模型输出回波信号是计算超声检测 A扫描信号基础。

1.2 信号计算建立模型是为了求解超声波与缺陷相互作用的

过程，计算出超声回波信号。应用互易原则 [7-8]，Thompson-Gray 给出了该作用过程传递函数为

SA（棕）=V 0e（棕）V 0r（棕）A（棕）4仔籽c-jkZe （3）式中：V 0e（棕）———发射探头辐射检测对象缺陷表面

的质点速度；

V 0r（棕）———接收探头辐射检测对象缺陷表面的质点速度；

A（棕）———缺陷散射振幅；籽———检测对象介质密度；c———检测对象介质中传播类型超声波声速；k———检测对象介质中传播类型超声波波数，k=2仔/姿；姿———传播类型超声波波长；Ze———发射探头声阻抗。

代入式（2），模型输出回波信号为V R（棕）=S（棕）V 0e（棕）V 0r（棕）A（棕）4仔籽2c2-jkZe

（4）式（4）傅里叶逆变换，模型输出回波信号为V R（t）=FFT-1[S（棕）V 0e（棕）V 0r（棕）A（棕）4仔籽2c2-jkZe ]

（5）式（5）模型输出回波信号 V R（t）即为超声检测 A

扫描信号，超声检测 A 扫描信号计算方法重点在于发射接收探头辐射检测对象缺陷表面质点速度

V 0e（棕）、V 0r（棕）和缺陷散射振幅 A（棕）参数求解。1.2.1 缺陷表面质点速度

超声波从一种介质进入另外一种介质是常见传

播形式，多元高斯声束法可计算各向同性介质中超

声波传播规律[9-10]。利用该方法计算圆形晶片直探头发射超声波从介质 1 穿过界面进入介质 2 传播，在介质 2 中传播质点速度为

V 0e=d酌22·T酌1·酌215

n=1移A n det[M酌22（s2）]det[M酌22（0）]姨 det[M酌11（s1）]det[M酌11（0）]姨 ·

exp[i棕（ s1c 酌11

+ s2c 酌22

）+ i棕2 YTM酌22（s2）Y] （6）

式中：酌———介质 2 传播超声波类型，取纵波或横波；d 酌22 ———介质 2 传播类型超声波偏振方向；M 酌11（s1），M酌22（s2）———介质 1 和 2 透射矩阵；M 酌11（0），M 酌22（0）———介质 1 和 2 传播矩阵；s1，s2———介质 1，2 超声波传播距离；c 酌11 ，c 酌22 ———介质 1，2 传播类型超声波声速；

图 1 超声检测 A 扫描技术原理示意图

脉冲

发生器

发射

电缆线

发射

探头

接收

探头

接收

电缆线

脉冲

接收器

超声波接收超声波与缺陷相互作用超声波发射

图 2 超声 A 扫描信号数学模型

V i渊棕冤 SG渊棕冤 SA渊棕冤 SR渊棕冤 VR渊棕冤

李 力等：超声 A 扫描信号建模及其缺陷识别方法研究 15

中国测试 2014 年 1 月中国测试

T酌1·酌2———从介质 1 穿过界面进入介质 2 透射系数；

A n———多元高斯叠加常系数；Y———坐标矩阵[x，y]。

其中 M酌11（0）为[M酌11（0）]= 2jBn棕a2

1 00 1蓘 蓡 （7）

式中：棕———角频率；a———圆形直探头晶片半径；Bn———多元高斯叠加常系数。

1.2.2 缺陷散射振幅基尔霍夫近似理论可以描述超声波与缺陷相互

作用的散射场，该理论忽略沿缺陷表面传播的波，将

散射场近似为缺陷上每个点切平面反射场相加。平

底孔是最具代表性的标准反射体，是缺陷当量评定

重要参考[11-12]。使用基尔霍夫近似理论，平底孔反射体散射场振幅为

A（棕）= jkb f22 （8）式中：b f———平底孔反射体半径。1.3 缺陷识别

两个参数求解后，那么超声 A 扫描信号计算：首先，根据实际检测对象，确定合理超声检测系统，获

取模型中检测系统固有特性函数 S（棕）；其次，利用式（6）、式（7）和式（8）计算超声波探头辐射检测对象缺陷表面质点速度 V 0（棕）和缺陷散射振幅 A（棕）；最后，将上述求解结果代入式（5）可以得到理论计算超声检测 A 扫描信号 VR。因此，利用超声 A 扫描信号建模，可以计算大量理论孔洞类缺陷 A 扫描超声信号数据，建立孔洞类缺陷 A 扫描超声特性库，对于实际某结构孔洞内缺陷超声检测的 A 扫描信号，直接对比库内信号，就可以直接观察识别出结构孔洞类

缺陷。

2 实例分析选用 CSII-1/20 标准试块（近似各向同性介质）

作为检测对象，发射和接收都选用圆形纵波直探头，

中心工作频率 2.5 MHz，晶片直径 20 mm。选平底孔5# 作为缺陷，孔直径为 准2 mm，探头表面到平底孔平面距离 L 为 25mm，超声检测试验图如图 3 所示。选定超声检测系统参数后，求解已知超声检测系统固有

特性函数 S（棕），利用式（6）、式（7）和式（8）计算超声波探头辐射检测对象缺陷表面质点速度 V 0（棕）和缺陷散射振幅 A（棕），代入式（5）计算平底孔缺陷超声检测 A 扫描信号。图 4 是正向检波归一化后平底孔缺陷体超声检测 A 扫描信号计算方法与试验测量结

果对比，表明模型计算与试验结果基本吻合。因此，

应用超声 A 扫描信号建模及缺陷识别方法可以直接观察识别出结构孔洞类缺陷。

3 结束语针对超声检测 A 扫描中缺陷类型直接识别困难

问题，提出了一种缺陷 A 扫描信号建模与计算方法，建立 A 扫描信号数学模型，计算获得缺陷 A 扫描信号。通过实例分析应用，主要结论如下：

（1）建立 A 扫描信号数学模型，应用多元高斯声束法计算超声波探头辐射被检对象缺陷表面质点速

度，运用基尔霍夫近似理论描述缺陷散射振幅，计算

获得缺陷超声 A 扫描信号。A 扫描信号建模与计算方法能够提供不同平底孔缺陷 A 扫描超声特性研究数据，直接参考比对实际信号，是一种直接正确识别

孔洞类缺陷的有效方法。

（2）CSII-1/20 试块平底孔 5#（缺陷）超声 A 扫描实例应用表明：缺陷超声检测 A 扫描信号建模与计算方法与试验测量结果基本吻合，

图 4 平底孔 5# 缺陷体超声检测计算 A 扫描信号与试验测量比较

建模方法试验测量

1.21.00.80.60.40.2024.0 24.5 25.0 25.5 26.0

距离/mm

渊下转第 32 页冤

9伊准2

1#25 25

2502# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9#

图 3 CSII-1/20 标准试块超声检测试验渊单位院mm冤

16

中国测试 2014 年 1 月中国测试

3 结束语工业环境下需要实时、非接触、在线测量锂电池

薄膜厚度，常规的多尺度小波算法由于需要确定 C型机构的固有频率和扫描振动频率，增加了测量的复

杂性。基于模板库-MP 快速稀疏去噪方法，不需先验知识，针对不同扫描模式构建原子序列模板库，在实

际去噪中有选择性的选取模板库中匹配的原子序列

进行稀疏迭代去噪。通过仿真数据和实际膜厚数据

分析比较研究，该算法能有效滤除外部噪声，表征膜

厚实际分布，滤波效果与传统 MP 算法相差不大且该算法速度是传统算法的 57 倍。

参考文献[1] 周俊峰.高精度薄板带板凸度激光检测的误差分析与精度

控制研究[D]. 长沙：中南大学，2006.[2] 陈功，朱锡芳，许清泉，等. 多分辨率小波在非连续涂层

测厚的应用[J]. 控制工程，2013，20（1）：175-178.[3] Mallt S，Zhang Z. Matching pursuits with time-frequency

dictionaries[J]. IEEE Transactions on Signal Processing，1993，41（12）：3397-3415.

[4] 赵瑞珍，刘晓宇. 基于稀疏表示的小波去噪[J]. 中国科学：信息科学，2010，40（1）：33-40.

[5] Plumbley M，Blumenbach T，Daudet L. Sparse repre原sentations in audio and music[R]. Proceedings of theIEEE，2009.

[6] Neff R，Zakhor A. Matching pursuit video coding：dic原tionary approximation [J]. IEEE Transactions on Circuitsand Systems for Video Technology，2002，12（1）：13-26.

[7] Fadili M J，Starck J L. Image decomposition and sepa原ration using sparse representations：an overview[J]. Pro原ceedings of the IEEE，2010，98（6）：983-994.

[8] 王春光.基于稀疏分解的心电信号特征波检测及心电数据压缩[D]. 长沙：国防科技大学，2009.

[9] 刘辉，杨俊安，黄文静 . 声信号并行稀疏分解去噪方法研究[J]. 电路与系统学报，2012，17（6）：64-69.

[10] 李扬，郭树旭. 基于稀疏分解的大功率半导体激光器 1/f噪声参数估计的新方法[J]. 物理学报，2012，61（3）：1-6.

[11] 王建英，尹忠科. 信号与图像的稀疏分解及初步应用[M].成都：西南交通大学出版社，2006.

验证了方法正确性。A 扫描信号波形局部差异反映了数学模型需要进一步修改完善，如充分考虑超声

波探头和被检工件实际耦合效果等。

（3）缺陷 A 扫描信号建模与计算方法计算结构缺陷理论超声检测的 A 扫描信号特性，可用作标准试块和超声检测仪性能是否良好校准参考。同时，在

不进行大量试验情况下，利用缺陷超 A 扫描信号建模与计算方法提供不同大小孔洞类缺陷信号的超声

特性，直接用于参考比对实际信号，有利于提高超声

检测孔洞类缺陷检出率和定量评定结果可靠性。

参考文献[1] 董明，马宏伟，陈渊，等 援 超声检测技术在煤矿机电设备

安全检测中的应用[J]援 矿山机械，2013，41（2）：124-126.[2] 汪祯杰援 超声检测技术在锅炉梳形密封板焊缝检测中的

应用[J]援 化学工程与设备，2011（11）：143-144.[3] 张祥林，张祥春，谢凯文，等援 碳纤维/树脂基复合材料薄

板的超声波检测[J]援 中国测试，2009，35（5）：34-37.[4] 于世海，陈国良，杨绪普援 超声检测在土木工程中的应用

研究[J]援 西部探矿工程，2005（8）：1-2.[5] 《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》

编审委员会 援 超声检测 [M]援 北京：机械工业出版社，2005：32-43，102-141.

[6] 丁辉援 计算超声学：声场分析及应用 [M]援 北京：科学出版社，2010：1-2.

[7] Schmerr L W. Fundamentals of ultrasonic nondestructiveevaluation：A modeling approach[M]. New York：PlenumPress，1998：15-23.

[8] Chen C. Ultrasonic and advanced methods for NDT andmaterial characterization [M]. World Scientific，2007：27-30.

[9] Wen J J，Breazeale M A. A diffraction beam fieldexpressed as the superposition of gaussian beams [J].Journal of the Acoustical Society of America，1988，83（5）：1752-1756.

[10] Schmerr L W. Ultrasonic nondestructive evaluation sys原tems models and measurements [M]. Spinger，2007：179-221，301-316.

[11] Kim H J，Song S J，Schmerr L W. Modeling ultrasonicpulse-echo signals from a flat-bottom hole in immersiontesting using a multi-Gaussian beam[J]. Journal of Non原destructive Evaluation，2003，23（1）：11-19.

[12] Gubernatis J E，Krumhansl J A. Formal aspects of thetheory of scattering of ultrasound by flaws in elastic ma原terials [J]. Journal of Application Physics，1977（48）：2804-2811.

渊上接第 16 页冤

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