周正干，滕利臣，李洋

（1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100083；2.中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京 100190）

航空高温合金盘是航空发动机的关键部件，其由主体涡轮盘和整体叶片环通过扩散方式连接而成［1-4］。受材料、焊接工艺等因素影响，焊接时可能产生未焊合现象，从而降低航空发动机的力学性能和使用寿命。因此，需要采用无损检测方法评价焊接面上存在的面积型缺陷。超声检测技术被广泛应用于面积型缺陷的检测评价，如火车导轨的单通道K型扫描。然而，由于被测高温合金盘上换能器可布置空间狭小、面积型缺陷平行于盘体母线方向等原因，目前主要采用单通道脉冲反射法沿径向发射接收超声回波信号。由于声波在盘体中传播时的扩散效应，缺陷回波信噪比低、检测分辨率较差，目前仅能检出面积较大的未焊合缺陷，无法满足航空发动机对高温合金盘质量可靠性的需求［5-7］。

阵列超声检测技术因其灵活的声束偏转聚焦及出色的检测能力［8-11］，对于面积型缺陷有独特的优势，非常适合检测对于声束指向性要求较高的面积型缺陷。涂春磊等［12］通过仿真和实验得出，焊缝中的面积型缺陷相控阵超声的检出能力优于常规超声；李莹莹等［13］研究了面积型缺陷取向对相控阵超声检测结果的影响。然而，高温合金盘结构复杂，采用单个阵列超声换能器检测时，反射回波接收困难，而采用2个阵列超声换能器K型扫描的检测方式可以有效克服反射回波难以接收的问题。由于高温合金盘缺陷可能位于不同深度，在检测不同深度缺陷时使声束偏转所采用的阵列孔径和波形模式都不相同，常规基于相位控制的声束（偏转聚焦）发射接收检测方法难以实现上述检测过程，而通过对阵列超声换能器以特殊的激发方式实现试件内部声学信息的采集以获取全矩阵数据，利用全矩阵数据后处理技术可以实现任何常规直接发射偏转聚焦声束的检测模式。

为此，结合高温合金盘本身结构及其缺陷类型等特点，本文提出了一种线阵全聚焦超声成像方法。建立了双线性阵列换能器全矩阵数据采集方案，采用全聚焦方法（TFM）实现了缺陷成像，探究了缺陷位置和声波发射-接收模式对成像结果的影响，构建了双线性阵列全矩阵数据采集软硬件系统并开展了检测实验，检测精度和分辨率均有明显提高。

1 双线性阵列检测方案的总体设计

基于双线性阵列全矩阵数据采集检测方案的设计需要，综合考虑换能器的检测参数、布置方式及基于全矩阵数据采集检测方法的成像原理。

全矩阵数据是由阵列换能器内所有阵元按照一定的激励脉冲周期依次激发获得的发射-接收阵元数组，该数据是发射阵元序列、接收阵元序列和时间采样点数构成的三维数组，包含了发射-接收阵元序列在被测试样内部的超声回波信号［14-15］。采集全矩阵数据需确定合适的换能器参数，在全矩阵数据采集完成之后，利用全聚焦方法进行处理以实现高分辨率成像。

1.1 阵列换能器设计

设计参数合适的阵列换能器是全矩阵数据采集的前提，根据试样声速、最小检测缺陷尺寸及换能器位置参数等条件，设计2个阵列换能器的中心频率、阵元数量、阵元间距等主要参数，并利用声场指向性和轴向声压分布情况对设计参数进行评价。所设计的双线性阵列换能器中心频率为5 MHz，阵元数量为32，阵元间距为0.4 mm，阵线性元宽度为0.3 mm。双线性阵列换能器采集全矩阵数据时的排布方式如图1所示。

图1 双线性阵列换能器耦合示意图Fig.1 Schematic diagram of dual-linear-array transducer coupling

1.2 基于全矩阵数据采集检测方法的原理

基于双线性阵列换能器的全聚焦方法旨在对全矩阵数据的加工处理，先将试样划分成若干小区域，该区域称为聚焦点区，区域划分的越小，聚焦点数越多，成像精度越高，运算量也更大。通过在试样内部设置虚拟聚焦点数，并在每一个聚焦点实现所有发射阵元的幅值叠加，实现对试样内部任意点数的聚焦，进而获得高分辨率成像。

分别将阵列换能器A、B直接耦合到高温合金盘的上下表面，并建立直角坐标系，如图2所示。针对试样内部任意一点P（x，z），利用延时法则将换能器中所有发射-接收阵元序列的超声回波信号在该点叠加，获得该点信号的幅值I（x，z）。最终得到试样内部每一个聚焦点的幅值，完成试样内部的成像。其中：xti和xri分别为发射和接收阵元的横坐标；h为发射、接收阵元之间的垂直距离；c1和c2分别为不同聚焦位置下对应的纵波和横波声速。

图2 全聚焦方法原理Fig.2 Principle of total focusing method

由于采用双线性阵列换能器采集全矩阵数据，若发射声波和接收声波采用不同的阵列换能器，在采用全聚焦方法对全矩阵数据处理成像时，等价于采用阵列换能器透射法实现缺陷的成像，同时改变每一个换能器的阵列孔径，可以具有较高的成像灵活性。而此时，特定聚焦点P（x，z）的幅值I（x，z）可表示为

式中：AT和AR分别为发射和接收阵列换能器的孔径。

2 理论仿真分析

2.1 仿真模型的建立

由于基于双线性阵列全矩阵数据的成像方法可以看成采用阵列换能器透射法进行缺陷成像，从这个角度来看，不同换能器发射、接收波形可以组合为AL（S）-BL（S）模式，其中A、B分别为发射、接收换能器，L、S分别为纵波、横波。

根据全聚焦方法可知，成像的关键是确定到达聚焦点的延迟时间，而延迟时间除了与阵元位置有关之外，还取决于缺陷的位置、发射-接收声波的模式（横波或纵波）。由于阵元位置为已知量，针对不同位置缺陷，选择合适的声波发射-接收模式尤为重要，为此开展了仿真研究工作。

基于有限差分理论建立了高温合金盘二维截面仿真模型，如图3所示。该仿真模型忽略了盘体外侧的叶片，将其简化为二维梯形截面，由于被测高温合金盘的高度约为36.6 mm，设置仿真模型的高度为36.6 mm。在仿真模型的高度区间内绘制了矩形缺陷以模拟未焊合面积型缺陷，定义矩形的中心点为缺陷的位置点，矩形缺陷沿x轴方向的厚度为0.3 mm，沿z轴方向长度取值范围为0.5～2.5 mm。将缺陷位置点分别设置在距离上端面E18.3 mm、18.3 mm及28.3 mm处，如图4所示。阵列换能器的中心频率为5 MHz，阵元间距为0.4 mm，阵元宽度为0.3 mm，阵元数量均为32，阵列换能器A和B直接紧靠于边E1和E2。阵列换能器中心与坐标轴原点沿水平方向的距离均为10 mm。时域有限差分所采用的时间步长Δt和空间步长Δh分别设置为5 ns和0.05 mm。纵波和横波在高温合金盘中的传播速度分别设置为5 980 m/s和3 138 m/s。

图3 高温合金盘全矩阵数据的仿真模型示意图Fig.3 Schematic diagram of simulation model of full matrix data for superalloy disk

图4 仿真模型不同缺陷位置示意图Fig.4 Schematic diagram of different defect locations in simulation model

2.2 仿真结果分析

为量化仿真分析的结果，定义了DSNR作为评价缺陷信噪比的指标，采用dB作为单位，其定义如下：

肾上腺髓质增生是肾上腺髓质弥漫性或结节状增生的改变,没有包膜;在肾上腺的尾部及两翼均存在髓质(正常的情况下是不存在的);肾上腺髓/皮质之比发生根本变化,肾上腺髓质的绝对重量增加2倍以上,且多为双侧性病变[2]。MEN-Ⅱ中多数合并单侧或双侧肾上腺嗜铬细胞瘤(约50%),嗜铬细胞瘤发生在肾上腺外者很罕见;也有表现为肾上腺髓质增生;也有一侧肾上腺为嗜铬细胞瘤,另一侧为髓质增生。

式中：PMax为检测图像中缺陷的像素峰值；PAvr为包含缺陷的矩形区域内像素平均值。

此处，设置矩形区域为6 mm×6 mm，该区域位置如图5所示。若DSNR值越大，则表示缺陷成像效果越好，反之则越差。

图5 仿真模型包含缺陷区域的矩形窗Fig.5 Rectangular window where simulation model contains defect areas

尺寸为1 mm×0.3 mm的矩形缺陷在不同声波发射-接收模式下的仿真成像结果如图6所示。由式（4）分别计算缺陷在不同位置不同声波模式下的DSNR值，所得结果如表1所示。可以看出，不同位置矩形缺陷的成像结果差异明显。位于z＝8.3 mm 处的缺陷，DSNR 的最大值为52.47 dB；位于z＝28.3 mm处的缺陷，DSNR的最大值为48.77 dB；位于z＝18.3 mm处的缺陷，DSNR最大值为39.60 dB。在AL-BL模式中，中间位置缺陷也较为明显，与AS-BS模式相比，DSNR小了2.70 dB。

表1 不同位置矩形缺陷在4种模式下的DSNR值统计Table 1 DSNR values for rectangular defects of differ ent positions in four modes

图6 矩形缺陷不同位置的检测成像结果Fig.6 Detection and imaging results of rectangular defects in different positions

分析上述结果可知，当缺陷位于焊接面的上半区域时，在AS-BL模式下的DSNR值最大，由斯涅尔定律可知，此时入射声线和反射声线的波型应分别为横波和纵波，如图7（a）所示。当缺陷位于焊接面正中央时，如图7（b）所示，在AL-BL模式和AS-BS模式下的DSNR值相较于另外2种均较大，由斯涅尔定律可知，此时入射和反射声线的波型相同，然而由于纵波的全反射角小于横波，声线入射角度越大，纵波反射能量越少，在AL-BL模式下的DSNR值和在AS-BS模式下的DSNR值相比略小。同理，当缺陷位于焊接面的下半区域时，如图7（c）所示，AL-BS模式的DSNR值最大，此时，入射声线和反射声线的波型应分别为纵波和横波。由此可见，对于不同位置缺陷的检测成像，先选择合适的声波模式非常关键。

图7 声波在不同位置对缺陷入射、反射声线Fig.7 Sound wave’s incident and reflected sound ray on the defect in different positions

为了进一步划分每个区域（上部区域、中部区域及下部区域）的边界，明确具体位置对应的最佳检测模式，从距高温合金盘上端面3.3 mm处开始，每隔3 mm做一次仿真实验，获取缺陷检测图像，分别计算每个位置3种模式下对应缺陷检测图像的DSNR值，绘制了如图8所示的折线图。可以看出，当缺陷位置点的z坐标小于12.3 mm时，AS-BL模式的DSNR值最大，成像效果最佳；当缺陷位置点的z坐标值介于区间［12.3，24.3］mm时，AS-BS模式的DSNR值最大，成像效果最佳；当缺陷位置点的z坐标大于24.3 mm时，采用组合AL-BS的值最大，成像效果最佳。利用几何声线与缺陷的位置关系可知，在最佳模式的临界点1和2处，入射角与反射角的比值分别为1.48和0.67，二者恰好互为倒数，即在最佳模式条件下，声波在试样厚度方向传播存在明显的对称性。

图8 不同模式下DSNR值与缺陷z坐标的关系曲线Fig.8 DSNR value versus defect at z-coordinate in different modes

3 检测实验分析

为了验证理论仿真的结论，开展了高温合金盘面积型缺陷的检测实验，制备了与实际涡轮盘尺寸完全相同但忽略了所有外侧叶片的回转体模拟试样，试样材料采用和高温合金盘声速接近的碳钢。在3个不同的截面（分别记为截面＃1、截面＃2、截面＃3）上分别预埋了不同尺寸的侧孔缺陷，侧孔缺陷的直径分别为2 mm、1 mm、0.6 mm，位置分别距离高温合金盘上端28.3 mm、18.3 mm和8.3 mm处，孔底位于焊缝界面以模拟高温合金盘焊缝中的未焊合缺陷。此外，还设计了与理论仿真参数一致的双线性阵列换能器，并将设计的探头连接到相控阵超声板卡，通过设计的夹具工装采集全矩阵数据，如图9所示。

图9 高温合金盘模拟试样及缺陷分布Fig.9 Superalloy disk simulation specimen and defect distribution

模拟试样上位于上述3个位置的缺陷检测成像结果如图10所示。从图中可以很直观地看出不同位置缺陷的最佳成像模式。与理论仿真类似，截面＃1、截面＃2、截面＃3的最佳成像组合分别为AL-BS、AS-BS、AS-BL，采用上述组合方式成功检测出了预埋缺陷，其中最小缺陷为φ0.6 mm。

图10 矩形缺陷不同截面的检测成像结果Fig.10 Detection and imaging results of rectangular defects at different cross sections

4 结 论

1）针对航空高温合金盘构件未焊合面积型缺陷，提出了一种双线性阵列全聚焦成像方法。该方法扩展了现有基于单阵列换能器的全聚焦超声成像方法，可适用于更多分支的阵列换能器，为复杂结构件的检测与评价提供了一种新的解决思路。

2）高温合金盘的未焊合面积型缺陷的检测应综合考虑缺陷的位置和声波的发射-接收模式，以获得最佳检测效果。对于上半区域位置的缺陷，采用AS-BL模式检测精度较好；对于中间区域的矩形缺陷，采用AS-BS模式检测精度较好；对于下半区域的矩形缺陷，采用AL-BS模式检测精度较好。

3）提出的双线性阵列全聚焦超声成像方法有效检测出了缺陷，提高了缺陷检测精度，是一种行之有效的方法。