摘要:为了有效解决传统方法存在的检测信号穿透能力弱、幅值精密度低的问题，提出超声波、空气耦合声场、可视化设备三种无损检测技术，并探讨了缺陷信号模态、检测信号时频、声场相关系数测量、数据采集和轨迹跟踪检测等内容。结果显示，较传统方法无损检测信号穿透距离可以领先10mm，波形幅值控制精度达到0．4。
关键词:超声波;空气耦合声场;可视化设备;无损检测
为保证水利工程的长效安全运营，定期检测工程质量状况，并针对存在的问题及时有效的维修具有重要意义。然而，水利工程服役运行年限越长就越迫切要求无损检测，如王荣鲁等利用探地雷达技术检测水工结构质量，工程存在质量问题时会影响图像清晰度，并针对图像变化特征利用误差反向计算和神经网络算法进行处理，使得检测精度得到明显的提升;刘帮俊等综合应用超声脉冲和三维可视化技术检测工程质量，结果发现该方法能够清晰的反映工程整体状况，并创造良好的立体化检测环境，然后利用超声脉冲的反馈特点检测更深层次的工程质量状况，该技术能够直观地呈现出最终的反馈结果，增强检测数据的交互性［1－2］。文章以超声波、空气耦合声场、可视化设备三种无损检测技术为例，深入探讨了缺陷信号模态、检测信号时频、声场相关系数测量、数据采集和轨迹跟踪检测等内容，旨在为工程检测人员提供更加快捷、有效的检测手段。
1无损检测技术简介
矿物质开采是最早应用无损检测技术的领域，随着科技的不断发展被逐渐用于工程质量检测领域，而融入数字化和智能化技术后更加适用于水利工程领域［3］。水利工程质量检测具有较强的实时性和长期性，对此应保证采样数据的可靠性与精准度，无损检测能够贯穿工程结构、原材料质量等各个方面;此外，检测过程中要求不得破坏工程结构，在不损坏工程结构的情况下无损检测技术能够实现数据的连续采集与传输;无损检测技术还具有远距离控制的典型特征，水利工程大多建于局限性较高或偏远地段，采用传统检测方法需要近距离采集数据，实施难度较大、采集精度低且成本较高，无损检测技术的应用可以彻底打破这种限制，完成远距离、全过程实时检测。
2三种无损检测技术的应用
2.1可视化设备无损检测
2.1.1数据采集
无损检测工程质量时可视化设备要采集、分析相关数据，通过设置工程质量标准参数，合理设置水利工程与可视化设备间的数据信道［4］。通过添加数据采集芯片、增设数据采集阈值等实现了工程信息的实时可视化展现，系统可操控性好，并且数据实时性强。通过合理设置参数、波形扫描、数据采集等程序，利用多模式和高频率设备进行可视化检测。保持水工结构外部检测与内部检测信号输出一致，将信号传送至机械控制中心完成数据存储，与此同时快速读取信号内容并规划相应的质量检测轨迹［5］。
2.1.2轨迹跟踪检测
轨迹跟踪检测过程中，要保证工程材料轴线与机械受的操控具有同一水平线，在时间方面保持操控中心与机械手同步接受调度命令。完成定点检测操作后及时纪录行动轨迹，并开展进一步的检测，采集器全过程纪录行动轨迹，如图1所示。
2.2空气耦合声场检测
2.2.1空气耦合声场测量
通过改变空气耦合的换能器和能量传递频率，实现工程质量问题的准确判断。考虑工程的位置特征，在实际检测过程中必须设定适合的环境参数，如空气耦合声场测量受环境参数的影响表示成:β(T，P，f)=15.892×10－11f(T/T0槡)(P/P0)(1)式中:T、P、f为该地区的温度、压强和空气湿度;T0、P0为该地区年均气温和标准气压。在合理设定环境参数的条件下，将干硬芯片增设于换能器内，从而提高空气耦合能量的感应和识别精度。换能器发挥着图谱转换和波形识别的重要作用，当达到设定阈值时将发生规律性震动，因此要减少能量转换的能耗。声场测量环境必须符合无气流要求，而气流接受孔主要体现了空气耦合程度，通过向接受孔传射辐射完成空气耦合检测，该过程要保持波长与孔径的协调一致［6］。
2.2.2空气耦合质量检测
不同传播介质的检测精度具有明显差异，主要受散射和吸收两种衰减作用的影响。温度达到信息传播要求时，空气流体将受到吸收衰减的强烈干扰，衰减系数α的计算公式为:α=23ω2pc3［o－(γ－1)］(2)式中:ω为空气温度;p、c为正常和特定气压下的空气比热容;o、γ为流体黏滞系数和导热系数。一般条件下空气的信号传播能力较差，要达到信号的标准传输频率需要经过流体的改善，信号传播频率随流体密度的增大而减小。因此，可以利用超声波来减少流体密度，后期流体的使用程度随发出源系数的减少而降低，所对应的传播范围也更广，超声波加压原理如图2所示。空气耦合检测主要流程为:①合理设置工程建设技术参数和基础原料参数，确保完成空气和超声波加压技术的实施;②充分考虑可操作性要求安设转能起，最大程度的保持构件与仪器的频率相同，规范化、程序化信号传播;③换能器位置适当调节，确保待测量建筑与检测探头的精准对接，保证波形信号的随时接受与发送;④及时传输波形信号，利用扫描装置准确纪录信号变化过程，当达到气压安全阈值时则停止扫描。此外，质量检测对象比较复杂时，为进一步提升检测精度必须多次加压密封空间。
2.3超声波无损检测
2.3.1时频变换
信号时频是超声波检测的重要参数，一般利用函数分解时间和频率。传统的解析方法有傅里叶变换法和小波变换法，这种方法是先从整体的层次上提取超声波信号时频数据，再应用系统函数解析数据，运算不稳定且过于依赖数据源。因此，文章对检测信号时频拟利用Hilbert－Hwang法进行变换［7－8］。该方法主要是利用时频来分析不同频谱中的信号分好，能够保证信号的精准度，汇总与分析流程如图3所示。对于信号时频的规律性利用本征模态函数进行分析，结合瞬时频率生成信号的震动模式和规律，函数在瞬时值与平均值达到交汇点时开始统计数据条件。具体而言，采用函数方程将复杂信号按照时间、振幅、频率分解成多个分量，可利用以下公式代表初始信号s(t)的分解过程:s(t)=?ni=1ci+rn(3)式中:c为分解成分;i、r为函数的分解时段和分解参与。一般地，可利用分解成分确定频谱的极值和均值，该过程中要考虑信号变换瞬时值的相互影响。结合信号的实时更新特征有必要利用各检测时段内的信号，计算局部区域内的平均值和极值，利用下式计算瞬时值:m(t)=c(t)+smin(t)+smax(t)2(4)式中:Smax(t)、Smin(t)统一范围内的最大和最小值。通过以上处理获取的新时频序列就是初始信号与瞬时值之差，可表示成h(t)=s(t)－m(t)，对不同时段的变换函数提供信号数据。在新序列中的极值与平均值交叉点出不超过1的条件下，应利用本征模态函数重新分解初始信号，经多次迭代运算直至交叉点数＞1。采用时频最高成分搭建新时序模型，具体如下:s'(t)=?nici+ri(5)通过运行物理程序、合理设定函数模型、明确函数序列特征等充分体现超声波检测工程质量的物理学特征。
2.3.2模态分解
工程质量存在问题时，超声信号会发出缺陷信号，为有效识别和详细分析所存在的问题，检测人员必须全面正确地理解缺陷信号［9］。一般地，模态分析是最佳的缺陷信号分析方法，其主要流程如下:①采用超声波滤波的的方式检查其他频率内是否存在缺陷信号，从频率、时间、干扰程度等角度与正常信号比对;②通过模型分解，全面掌握缺陷信号特点及其组成成分;③完成缺陷信号频谱的组建，在正常更新频率条件下持续探测缺陷信号时频，并对缺陷信号的能量密度进行计算［10－13］。
2.4试验研究
本研究通过设计对比试验，验证了无损检测的技术可行性和使用有效性。采用空气耦合换能器检测时，其主要流程为:首先，将检测信号传送至控制界面，为达到信号接受强度用降低信噪比法增强波形信号;检测过程中，将传播信号的最大频率和瞬时功率增大至8MHz、6kW，保证信号传输通道畅通和原材稳定。通过对比发射波和回波实现底部结构物的无损检测，若回波持续时间而发射波时间长，则代表空气耦合正常;通过对比标准信号波与反射信号波的周期、波形峰值等参数，若反射信号时间较长则代表可能被水工结构吸收，即内部可能缺陷缺陷。较传统方法，空气耦合检测技术能够及时精准地反映被检测结构的质量情况，基于不同方法的检测频谱如图4。从图4可以看出，文章所用方法能够更加精准地显示检测信号，反射波长幅值总体控制在0.4以内，其它两种方法处于0.8－1.0范围，样品存在质量缺陷时能够客观反映检测波形幅值、检测时间等信息。试验过程中，还对水利工程底部样品利用超声波技术进行检测，随着超声波波长以及发送信号强度的改变，所获取的反馈信号波长可以更加精准地验证检测结果。对于加厚样品，文章所用方法可以精准输出信号时频和波形幅值，向厚度相同的样品构件发射超声波，接收到的波形幅值与缺陷波形保持较好一致性。文章所用方法的信号波形最高可穿透30mm厚构件，而另外两种方法的最高穿透厚度为20mm、15mm。
3结论
文章系统探讨了3种典型的无损检测技术，通过函数模拟和转换信号时频，数据化分析了其检测结果，通过搭建信号传播信道改善了空气耦合换能器测量方式，通过灵敏度补偿增强了可视化设备检测结果精度。虽然，这三种无损检测技术能够明显提升检测效果，但仍在一定程度上受到应用场所的限制，超声波检测需要有良好的介质环境，空气耦合检测受周边环境的影响较大，并且技术难度较高，可视化设备对操控程序具有更高的稳定性要求。因此，必须结合实际情况合理选用这三种检测技术。
作者：张健萍 单位：朝阳市燕都水利设计有限公司
