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非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-02 12:13:42 更新時(shí)間：2025-08-01 12:13:42

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償檢測(cè)：提升材料內(nèi)部缺陷評(píng)估精度的關(guān)鍵技術(shù)

在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是超聲波檢測(cè)中，材料內(nèi)部的不均勻性（如晶粒結(jié)構(gòu)、微觀(guān)缺陷、夾雜物等）會(huì)導(dǎo)致聲波在傳播過(guò)程中發(fā)生衰減。這種衰減并非總是線(xiàn)性的，尤其在檢測(cè)較厚部件或具有復(fù)雜微觀(guān)結(jié)構(gòu)的材料（如復(fù)合材料、粗晶粒金屬、混凝土）時(shí)，傳統(tǒng)的線(xiàn)性衰減模型往往無(wú)法準(zhǔn)確反映聲波能量的實(shí)際損耗情況，導(dǎo)致對(duì)深層缺陷的評(píng)估失真（如漏檢、誤判尺寸或位置）。非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償檢測(cè)的核心目標(biāo)就是識(shí)別、量化并補(bǔ)償這種非線(xiàn)性衰減效應(yīng)，從而顯著提高超聲波信號(hào)的信噪比和深層缺陷檢測(cè)的靈敏度與準(zhǔn)確性。它通過(guò)對(duì)接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行深度分析，提取反映材料非線(xiàn)性衰減特性的參數(shù)，并應(yīng)用特定的算法模型來(lái)“恢復(fù)”因非線(xiàn)性衰減而損失的有效信號(hào)信息，使得缺陷（如裂紋、氣孔、未熔合等）的回波信號(hào)即使在復(fù)雜背景和深層位置也能被清晰識(shí)別和定量評(píng)估。這項(xiàng)技術(shù)在航空航天（渦輪葉片、復(fù)合材料構(gòu)件）、核電（壓力容器、管道焊縫）、石油化工（儲(chǔ)罐、長(zhǎng)輸管道）以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（橋梁、大壩混凝土）等關(guān)乎安全的關(guān)鍵領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，在評(píng)估大型鑄鍛件的內(nèi)部質(zhì)量或長(zhǎng)距離管道的腐蝕狀況時(shí)，非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償是獲取可靠檢測(cè)結(jié)果不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

核心檢測(cè)項(xiàng)目

非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償檢測(cè)主要聚焦于以下關(guān)鍵項(xiàng)目：

1. 材料非線(xiàn)性衰減系數(shù)/特性量化： 這是最基礎(chǔ)的檢測(cè)項(xiàng)目，旨在測(cè)量和表征特定材料或結(jié)構(gòu)在不同聲波頻率、傳播路徑和微觀(guān)結(jié)構(gòu)條件下，其聲波能量隨傳播距離衰減的非線(xiàn)性變化規(guī)律。這為后續(xù)的補(bǔ)償提供了理論基礎(chǔ)和模型參數(shù)。

2. 深層/微小缺陷的檢測(cè)與定位： 通過(guò)應(yīng)用非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償技術(shù)，顯著提升對(duì)位于材料深處（通常超過(guò)幾個(gè)厘米甚至米級(jí)）或尺寸微小（接近檢測(cè)極限）的缺陷（如裂紋、氣孔、夾雜、分層等）的檢出率和定位精度。

3. 缺陷尺寸的精確定量評(píng)估： 補(bǔ)償非線(xiàn)性衰減后，缺陷反射回波的幅度更接近其真實(shí)值，從而可以更準(zhǔn)確地依據(jù)回波幅度（如DAC曲線(xiàn)、AVG/DGS圖）或成像結(jié)果（如相控陣、TOFD圖）來(lái)評(píng)估缺陷的當(dāng)量尺寸或?qū)嶋H尺寸。

4. 材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)評(píng)估： 材料的非線(xiàn)性衰減特性與其微觀(guān)結(jié)構(gòu)（如晶粒度、均勻性、相組成、損傷程度）密切相關(guān)。通過(guò)分析其非線(xiàn)性衰減行為，可以間接評(píng)估材料的微觀(guān)狀態(tài)和均勻性，甚至用于應(yīng)力評(píng)估或早期損傷監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵檢測(cè)儀器

實(shí)施非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償檢測(cè)通常需要以下核心儀器或系統(tǒng)：

1. 高性能數(shù)字超聲探傷儀： 具備高采樣率、寬頻帶響應(yīng)、低噪聲和高動(dòng)態(tài)范圍，能夠精確捕捉和記錄原始的、未經(jīng)處理的高保真超聲波信號(hào)（RF A掃信號(hào)），這是進(jìn)行后續(xù)非線(xiàn)性分析的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代設(shè)備通常集成強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力。

2. 寬帶超聲探頭： 使用具有寬頻帶特性的壓電晶片（如復(fù)合晶片）或電磁聲（EMAT）探頭，能夠發(fā)射和接收包含豐富頻譜成分的聲波信號(hào)，這對(duì)于分析頻率相關(guān)的非線(xiàn)性衰減至關(guān)重要。

3. 非線(xiàn)性信號(hào)分析處理單元/軟件： 這是實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)暮诵摹Ｋ邮諆x器采集的原始RF信號(hào)，應(yīng)用特定的非線(xiàn)性衰減模型（如基于頻率指數(shù)模型、修正的指數(shù)模型、或更復(fù)雜的物理模型）和算法（如反卷積、譜分析、參數(shù)估計(jì)、自適應(yīng)濾波、機(jī)器學(xué)習(xí)算法），計(jì)算材料的非線(xiàn)性衰減特性參數(shù)，并對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行反演或修正處理，輸出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)摹⒏咏鎸?shí)反射情況的信號(hào)（補(bǔ)償后的A掃、B掃、C掃或相控陣圖像）。

4. 相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）系統(tǒng)： 相控陣系統(tǒng)因其靈活聚焦和成像能力，結(jié)合非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償軟件，是進(jìn)行復(fù)雜幾何形狀和深度掃描補(bǔ)償檢測(cè)的有力工具。

5. 自動(dòng)化掃描裝置： 對(duì)于大型工件或需要精細(xì)掃描的情況，自動(dòng)化掃查器結(jié)合位置編碼器，確保數(shù)據(jù)采集的位置精度，并能獲取大量數(shù)據(jù)用于構(gòu)建補(bǔ)償后的圖像。

主要檢測(cè)方法

非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償檢測(cè)的核心方法圍繞著信號(hào)處理展開(kāi)：

1. 參考信號(hào)法： * 在已知聲程（通常是在無(wú)缺陷區(qū)域或使用標(biāo)準(zhǔn)試塊）上測(cè)量不同深度（或聲程）處的底面回波或參考反射體（如平底孔）的回波幅度。 * 分析這些回波幅度隨聲程的變化曲線(xiàn)，擬合出該材料/路徑的實(shí)際（非線(xiàn)性）衰減曲線(xiàn)（相對(duì)于理想的線(xiàn)性衰減曲線(xiàn)）。 * 在實(shí)際缺陷檢測(cè)時(shí)，根據(jù)缺陷聲程和擬合的衰減曲線(xiàn)，計(jì)算該聲程下的衰減量，對(duì)缺陷回波幅度進(jìn)行補(bǔ)償校正。

2. 頻譜分析法： * 采集原始RF A掃信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析（FFT），得到信號(hào)在不同頻率分量上的能量分布。 * 分析信號(hào)頻譜隨傳播距離（或時(shí)間）的變化。由于不同頻率的聲波在材料中衰減速率不同（高頻通常衰減更快），這種頻譜的演變（高頻分量的相對(duì)減弱）包含了材料非線(xiàn)性衰減的信息。 * 建立頻譜演變與非線(xiàn)性衰減特性（如頻率指數(shù)）之間的定量關(guān)系模型。 * 根據(jù)模型，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行逆處理（如頻率補(bǔ)償濾波），重構(gòu)出補(bǔ)償了非線(xiàn)性衰減影響的信號(hào)。

3. 時(shí)頻分析法： * 使用短時(shí)傅里葉變換（STFT）、小波變換（Wavelet Transform）或魏格納分布（WVD）等時(shí)頻分析工具，獲得信號(hào)在時(shí)間和頻率域的聯(lián)合分布（時(shí)頻譜）。 * 在時(shí)頻圖上，可以更直觀(guān)地觀(guān)察不同時(shí)刻（對(duì)應(yīng)不同深度）信號(hào)頻率成分的能量變化，從而精確提取不同深度處的局部衰減特性。 * 基于時(shí)頻分析結(jié)果，進(jìn)行更精細(xì)的、與深度（時(shí)間）相關(guān)的非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償。

4. 基于物理模型的反演法： * 建立描述聲波在特定材料中傳播和衰減的物理數(shù)學(xué)模型（可能包含晶粒散射、粘滯吸收等多種機(jī)制）。 * 利用實(shí)測(cè)的超聲波信號(hào)（如底面回波序列、散射噪聲水平）作為輸入，通過(guò)優(yōu)化算法（如最小二乘法、遺傳算法）反演出模型中的關(guān)鍵參數(shù)（如非線(xiàn)性衰減系數(shù)）。 * 利用反演得到的參數(shù)模型，對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)或補(bǔ)償處理。

5. 機(jī)器學(xué)習(xí)（AI）方法： * 利用大量已知衰減特性和缺陷狀態(tài)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練（需要大量的、標(biāo)注良好的數(shù)據(jù)）。 * 訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型（如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RNN）或其他機(jī)器學(xué)習(xí)算法，使其能夠直接從原始RF信號(hào)或圖像中學(xué)習(xí)非線(xiàn)性衰減模式并預(yù)測(cè)補(bǔ)償后的信號(hào)或直接識(shí)別/量化缺陷。 * 這種方法在處理復(fù)雜、多變的不均勻材料時(shí)潛力巨大，但對(duì)數(shù)據(jù)量和質(zhì)量要求很高。

相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

非線(xiàn)性衰減補(bǔ)償檢測(cè)的實(shí)施通常需要遵循或參考相關(guān)的無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)可能直接包含補(bǔ)償方法的規(guī)定，或?yàn)樾?zhǔn)、驗(yàn)證補(bǔ)償效果提供依據(jù)：

1. 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)： * ISO 16810, ISO 16811, ISO 16823, ISO 16827, ISO 16828： 這一系列ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超聲波檢測(cè)的一般原則、設(shè)備要求、技術(shù)要點(diǎn)及缺陷表征方法。雖然可能未詳細(xì)規(guī)定具體補(bǔ)償算法，但其對(duì)校準(zhǔn)（如DAC/TCG）、信號(hào)解釋和報(bào)告的要求是基礎(chǔ)，補(bǔ)償結(jié)果需符合這些要求。ISO 16823 (透射法) 中關(guān)于衰減測(cè)量的方法有參考價(jià)值。 * ASTM E317： 《Standard Practice for Evaluating Performance Characteristics of Ultrasonic Pulse-Echo Testing Instruments and Systems Without the Use of Electronic Measurement Instruments》。該標(biāo)準(zhǔn)涉及系統(tǒng)性能驗(yàn)證，確保系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性和分辨率支持補(bǔ)償分析。后續(xù)相關(guān)ASTM標(biāo)準(zhǔn)（如E587/E587M關(guān)于接觸法斜射檢測(cè)）可能涉及衰減影響。

2. 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)： * GB/T 11345： 中國(guó)的《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》(等同采用ISO 17640)。該標(biāo)準(zhǔn)是焊縫超聲檢測(cè)的核心標(biāo)準(zhǔn)，明確要求在制定檢測(cè)工藝時(shí)需考慮材料衰減（條款5.3），并規(guī)定了DAC曲線(xiàn)的制作（需要補(bǔ)償衰減）。雖然未強(qiáng)制要求“非線(xiàn)性”，但為衰減補(bǔ)償提供了框架和要求。 * NB/T 47013.3： 中國(guó)的《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：