與鍛造、鑄造、機(jī)械加工等傳統(tǒng)鈦合金制造技術(shù)相比，激光熔化沉積技術(shù)具有復(fù)雜部件快速成型、無(wú)需開模、材料利用率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已逐步應(yīng)用于壓力容器、起重設(shè)備等特種設(shè)備關(guān)鍵構(gòu)件的一體化制造中[1]。由于激光熔化沉積鈦合金制造涉及復(fù)雜的材料熔化物理過程，不僅成型工藝參數(shù)復(fù)雜多樣，而且對(duì)原材料和成型設(shè)備的要求很高，即使嚴(yán)格控制鈦合金部件的成型工藝參數(shù)，在生產(chǎn)過程中仍會(huì)出現(xiàn)孔隙、裂紋、夾雜物等缺陷[2-4]。

超聲檢測(cè)可以檢測(cè)出鈦合金中孔隙、孔洞、裂紋等缺陷[5]。由于激光熔化沉積技術(shù)制備的鈦合金部件具有明顯的各向異性、多晶體高散射等特點(diǎn)，且一般用于特種設(shè)備領(lǐng)域的鈦合金結(jié)構(gòu)尺寸和厚度較大[6-7]，故聲波在鈦合金中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變和衰減，超聲檢測(cè)信噪比較差，缺陷識(shí)別能力明顯下降[8]。由于其復(fù)雜的聲學(xué)特性，采用傳統(tǒng)的距離振幅校正方法來(lái)補(bǔ)償不同深度的回波信號(hào)難以獲得理想的效果[9]。激光熔化沉積制造鈦合金中存在粗大的柱狀晶體結(jié)構(gòu)，雖然在不同位置和深度的超聲波入射方向上，缺陷回波的振幅不具有一致的規(guī)律[10-11]，但是缺陷回波的波形之間卻有一定的相似性，而歸一化互相關(guān)方法適用于測(cè)量信號(hào)與指定信號(hào)的相似性[12]。鑒于傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法在激光熔化沉積鈦合金制造中應(yīng)用的不足，在不改變超聲檢測(cè)系統(tǒng)硬件的情況下，使用歸一化互相關(guān)方法對(duì)采集的測(cè)試回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和重建，并結(jié)合陣列超聲檢測(cè)方法，增強(qiáng)聲束能量，提高聚焦能力，可以提高激光熔化沉積制造鈦合金的測(cè)試精度和效率[13-15]?；跉w一化互相關(guān)方法，可以將指定參考信號(hào)波形的相似性作為測(cè)量尺度來(lái)模擬常規(guī)鈦合金的超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)，并提取顯著衰減位置的弱缺陷信號(hào)[16-17]。此外，歸一化互相關(guān)方法可抑制非相干噪聲，如接口噪聲等[18]。

基于激光熔化沉積技術(shù)制造了有預(yù)埋缺陷的TC11鈦合金試件，通過自主研發(fā)的超聲水浸C掃檢測(cè)系統(tǒng)，采集回波信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬，來(lái)驗(yàn)證歸一化互相關(guān)方法對(duì)超聲檢測(cè)信噪比的改善。對(duì)試件各測(cè)試面采集到的回波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化互相關(guān)信號(hào)處理，重建了預(yù)埋缺陷和底部回波信號(hào)的歸一化互相關(guān)系數(shù)圖像，并與傳統(tǒng)的振幅成像進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不改變系統(tǒng)硬件的情況下，歸一化互相關(guān)信號(hào)處理方法可以提高傳統(tǒng)超聲檢測(cè)對(duì)激光熔化沉積鈦合金缺陷的弱回波信號(hào)的測(cè)試能力。

1、試驗(yàn)制備與試驗(yàn)方法

基于激光熔化沉積技術(shù)制備了尺寸（邊長(zhǎng)）為60mm的正方體TC11鈦合金試件。根據(jù)激光熔化沉積技術(shù)的工藝特點(diǎn)，試件的測(cè)試面被定義為打印面（試件成型過程中激光掃描和步進(jìn)的表面）、沉積面x和沉積面y（包括另外兩個(gè)非打印面）。為了分析超聲波在鈦合金試件不同入射面的缺陷檢測(cè)能力，在試件的打印面和兩個(gè)相鄰的沉積面加工了直徑為0.8mm、深度為5mm的平底孔缺陷，將其分別定義為1號(hào)~6號(hào)缺陷?；谠嚰毕莘植?，在任何檢測(cè)面上進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，有2個(gè)恒定深度的平底孔缺陷和4個(gè)不同深度的橫孔缺陷需要檢測(cè)。激光熔化沉積TC11鈦合金試件實(shí)物及缺陷分布示意如圖1所示。

采用自主研發(fā)的全自動(dòng)超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)采集鈦合金試件的數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)的高頻超聲裝置由一個(gè)超聲波脈沖接收器（JSRPRC-50）和一個(gè)輸入A/D板（OKOSAL12250）組成。機(jī)械臂系統(tǒng)（史陶比爾RX-160）被用作運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器，用來(lái)夾緊和觸發(fā)超聲波傳感器。該系統(tǒng)的超聲波測(cè)試和全自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制軟件均為自主開發(fā)。

考慮到缺陷的大小和鈦合金試件的復(fù)雜聲學(xué)特性，使用了中心頻率為15MHz、晶片直徑為6.35mm、焦距為50.3mm的聚焦超聲波換能器，試件的3個(gè)無(wú)預(yù)埋缺陷的表面被作為超聲垂直入射面，分別對(duì)試件進(jìn)行了3組超聲水浸C掃描檢測(cè)試驗(yàn)（脈沖回波法）。超聲水浸C掃描試驗(yàn)的主要參數(shù)如表1所示。為了便于后續(xù)的超聲回波信號(hào)處理和成像，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)均以全波的方式存儲(chǔ)。傳統(tǒng)超聲水浸檢測(cè)時(shí)聚焦的物理焦點(diǎn)是單一的，對(duì)于較大厚度鈦合金試件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)其焦點(diǎn)對(duì)檢測(cè)區(qū)域的覆蓋，檢測(cè)回波信號(hào)較弱，通常采用直接提高信號(hào)增益或?qū)嵤┚嚯x振幅校正方法來(lái)提高較大厚度回波信號(hào)的信噪比。

但由于鈦合金具有高衰減、高背景噪聲、各向異性等聲學(xué)特性，上述方法無(wú)法獲得理想的效果，文章采用對(duì)常規(guī)超聲換能器采集的回波信號(hào)進(jìn)行后處理的方法，增強(qiáng)弱缺陷回波信號(hào)，抑制背景結(jié)構(gòu)噪聲，進(jìn)而提高較大厚度鈦合金試件的超聲檢測(cè)能力。

2、試驗(yàn)信號(hào)處理與仿真驗(yàn)證

2.1超聲檢測(cè)信號(hào)處理

基于歸一化互相關(guān)的信號(hào)處理方法，計(jì)算接收到的超聲波回波信號(hào)與已知參考信號(hào)在時(shí)間軸上的相似度，從而提取試件較大深度處的回波信號(hào)。超聲檢測(cè)信號(hào)處理過程如圖3所示，對(duì)整個(gè)回波信號(hào)（包括初始波、背景噪聲、缺陷回波和底部回波）中紅圈處局部信號(hào)進(jìn)行放大截取，以水-試件界面的相同換能器參數(shù)的回波信號(hào)為參考信號(hào)，在此基礎(chǔ)上，以歸一化互相關(guān)系數(shù)為尺度重建信號(hào)，表征與參考信號(hào)的相似性。最后，得到信號(hào)處理結(jié)果。對(duì)所有全波信號(hào)進(jìn)行上述信號(hào)處理，參照信號(hào)相似度的尺度對(duì)超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。換能器收到的超聲波回聲信號(hào)r(t)及來(lái)自水-試件界面的參考超聲回波信號(hào)pr(t)的定義分別為

式中：s(t)為來(lái)自鈦合金試件的無(wú)噪聲回波信號(hào)；p(t)為來(lái)自水-試件界面的無(wú)噪聲回波信號(hào)；n1(t)和n2(t)為超聲檢測(cè)系統(tǒng)的接口噪聲。

參考超聲回波信號(hào)pr和接收信號(hào)r，互相關(guān)R(τ)定義為

式中：*為卷積；T為pr的長(zhǎng)度。

參考信號(hào)pr對(duì)接收信號(hào)r的歸一化互相關(guān)系數(shù)ρ(τ)定義為

式中：σpr為參考信號(hào)pr的標(biāo)準(zhǔn)偏差；σr(τ)為以位置τ為中心、長(zhǎng)度為T的接收信號(hào)r的標(biāo)準(zhǔn)偏差；ρ(τ)為獲得的重構(gòu)信號(hào)。

將公式（1），（2）代入公式（3），得非相干噪聲n1和n2通過卷積操作被消除，重建信號(hào)ρ(τ)實(shí)現(xiàn)了非相干噪聲的消除，與原始信號(hào)r(t)相比提高了檢測(cè)信噪比。

2.2超聲檢測(cè)仿真驗(yàn)證

將上述歸一化互相關(guān)信號(hào)處理方法應(yīng)用于全波模擬數(shù)據(jù)以驗(yàn)證其有效性。在CIVA軟件中，分別建立直徑為0.6，0.8，1.0mm的平底孔，相同深度的板材檢測(cè)模型。在參數(shù)設(shè)置與試驗(yàn)設(shè)置一致的情況下，進(jìn)行了C掃描檢測(cè)的模擬。接口噪聲是在上述模擬得到的超聲波全波數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加入的。接口噪聲的強(qiáng)度為式中：

As為φ1.0mm平底孔中心的回波信號(hào)振幅；An為噪聲振幅；Ps為上述回波信號(hào)功率；Pn為噪聲功率。

計(jì)算相應(yīng)信噪比下的附加噪聲功率Pnoise值，在MATLAB中將相應(yīng)功率的接口噪聲加入至模擬全波信號(hào)中。

在全波數(shù)據(jù)中加入比信號(hào)低14dB的接口噪聲，基于歸一化相關(guān)方法的CIVA模擬信號(hào)處理如圖4所示。通過比較上述A掃描信號(hào)和C掃描成像結(jié)果，經(jīng)過歸一化互相關(guān)處理后，時(shí)間軸方向的非相干噪聲被抑制，平底孔缺陷的回波信號(hào)得到加強(qiáng)。與處理前的信號(hào)相比，上述信號(hào)處理結(jié)果具有更高的信噪比，驗(yàn)證了歸一化互相關(guān)方法在高背景噪聲物體中的有效性。

2.3歸一化互相關(guān)系數(shù)測(cè)量的可靠性

在試件的每個(gè)測(cè)試面上選擇一個(gè)沒有預(yù)埋缺陷的10mm×10mm（長(zhǎng)×寬）區(qū)域（共121個(gè)采集點(diǎn)），用上述試驗(yàn)裝置獲得噪聲數(shù)據(jù)。參考信號(hào)（來(lái)自水-鈦界面）被加入至每個(gè)測(cè)試面的噪聲數(shù)據(jù)中，參考信號(hào)的比例因子也由式（6）確定。信號(hào)的加入位置與每個(gè)測(cè)試面的深度一致。為了消除對(duì)歸一化互相關(guān)系數(shù)測(cè)量的可靠性分析的影響，文章截?cái)嗔顺跏疾ê偷撞?。將比噪聲?dB和20dB的參考信號(hào)加入鈦合金試件背景噪聲后的波形如圖5所示。

通過將加入信號(hào)本身作為特定信噪比的噪聲參考信號(hào)數(shù)據(jù)，并計(jì)算歸一化互相關(guān)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差SDρ，可以評(píng)價(jià)信噪比下缺陷信號(hào)（與參考信號(hào)一致）的歸一化互相關(guān)系數(shù)測(cè)量的可靠性。文章將加入和計(jì)算的參考信號(hào)設(shè)定為水-鈦界面的回波信號(hào)，從而評(píng)價(jià)歸一化互相關(guān)系數(shù)檢測(cè)方法對(duì)TC11鈦合金試件平底孔缺陷的檢測(cè)可靠性。

在試件各測(cè)試面（沉積面x、沉積面y、印刷面z）提取的噪聲中，分別計(jì)算了11個(gè)不同信噪比下的歸一化互相關(guān)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，范圍從4dB到20dB，如圖6所示。從圖6可以看出，不同信噪比對(duì)應(yīng)的各測(cè)試面的不確定度變化基本一致；參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)之間的歸一化互相關(guān)系數(shù)差值大于0.3，表明測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)之間存在著弱的相似性。因此，歸一化互相關(guān)方法可以有效地測(cè)量信噪比高達(dá)10dB的平底孔在TC11鈦合金試件3個(gè)表面上的回波。

3、檢測(cè)試驗(yàn)與結(jié)果

基于試驗(yàn)裝置和超聲檢測(cè)信號(hào)處理方法，對(duì)試件的每個(gè)測(cè)試面都進(jìn)行超聲C掃描和信號(hào)處理。底部回波的常規(guī)振幅成像結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，試件同一測(cè)試面的底部回波振幅在不同位置處有明顯差異，不同測(cè)試面的底部回波衰減規(guī)律也不一樣；底部回波的最大振幅點(diǎn)在打印面z上呈點(diǎn)狀分布，在其他兩個(gè)表面（沉積面x和沉積面y）上則沿沉積方向呈條狀分布，這是因?yàn)樵诩す馊刍练e的過程中，有粗大的柱狀晶體生長(zhǎng)方向與沉積方向一致。超聲波在不同方向傳播時(shí)，通過的晶粒界面的數(shù)量和散射程度不同，導(dǎo)致激光熔化沉積鈦合金試件不同測(cè)試面上底部回波的衰減規(guī)律性與內(nèi)部晶粒分布規(guī)律相似。

底部回波振幅的衰減沒有可量化的規(guī)律，因此，僅用增益補(bǔ)償?shù)姆椒ê茈y優(yōu)化測(cè)試結(jié)果。試件底部回波的歸一化互相關(guān)系數(shù)成像結(jié)果如圖8所示，與圖7相比，該方法改善了底部回波的成像性能?？梢钥吹?，兩個(gè)沉積面上底部回波的歸一化互相關(guān)系數(shù)成像結(jié)果顯示出明顯的條狀特征，而打印面的成像結(jié)果顯示出明顯的點(diǎn)狀特征。沉積面的底部回波歸一化互相關(guān)系數(shù)成像結(jié)果可以反映出粗大的柱狀晶體在沉積方向上的整體生長(zhǎng)。相反，在印刷表面，其可以部分反映出粗大晶體在印刷方向上的整體均勻性。3個(gè)測(cè)試表面的底部回波的歸一化互相關(guān)系數(shù)成像結(jié)果反映了柱狀晶體在其制造過程中的生長(zhǎng)和分布特征，可用于評(píng)估試件的整體制造質(zhì)量。

預(yù)埋缺陷的常規(guī)振幅C掃描成像結(jié)果如圖9所示。在沉積面x和沉積面y的成像結(jié)果中，只有1號(hào)和4號(hào)淺層缺陷可以被清楚地識(shí)別，其他缺陷的信噪比較低，無(wú)法在沉積面上識(shí)別。在打印面z可以識(shí)別相對(duì)深度較大的3號(hào)、4號(hào)和6號(hào)缺陷。出現(xiàn)上述情況的原因是，與通過沉積面相比，超聲波在柱狀晶體之間傳播的界面較少，檢測(cè)深度較大。由于淺層位置的缺陷信號(hào)振幅較高，出現(xiàn)了飽和采樣。在截?cái)嗖糠只夭ㄐ盘?hào)后的歸一化互相關(guān)系數(shù)成像結(jié)果如圖10所示。歸一化互相關(guān)系數(shù)成像結(jié)果表明，每個(gè)測(cè)試面中剩余的未檢測(cè)到的預(yù)埋缺陷均可以被有效識(shí)別，對(duì)比圖9中常規(guī)振幅成像結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)測(cè)試面沿線所有預(yù)埋缺陷的檢測(cè)。在C掃描投影方向上，缺陷成像的特點(diǎn)是振幅從中心向外逐漸減小。

歸一化互相關(guān)方法在參考信號(hào)的尺度上對(duì)這些回波進(jìn)行歸一化處理，提取出微弱的信號(hào)，同時(shí)也擴(kuò)大了歸一化互相關(guān)系數(shù)成像上的缺陷尺寸。此外，對(duì)于邊緣效應(yīng)和鈦合金試件的復(fù)雜聲學(xué)特性帶來(lái)的噪聲，還需要進(jìn)一步的研究。

4、結(jié)語(yǔ)

文章基于歸一化互相關(guān)信號(hào)處理方法，在自主研發(fā)的超聲水浸C掃描檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)TC11鈦合金試件預(yù)埋缺陷的檢測(cè)，主要結(jié)論如下。

（1）歸一化互相關(guān)方法在超聲檢測(cè)全波數(shù)據(jù)信號(hào)處理中的應(yīng)用，提高了傳統(tǒng)單聲道超聲檢測(cè)對(duì)大厚度、復(fù)雜聲學(xué)特性的鈦合金試件的缺陷檢測(cè)能力。理論和仿真證明，歸一化互相關(guān)方法可以減少非相干噪聲。

（2）激光熔化沉積制造的鈦合金具有復(fù)雜聲學(xué)特性，歸一化互相關(guān)方法以與參考信號(hào)的相似度（歸一化互相關(guān)系數(shù)）為尺度，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，參考信號(hào)的選擇取決于待檢測(cè)的缺陷類型。

（3）提出的超聲檢測(cè)參數(shù)和信號(hào)處理方法對(duì)鈦合金試件中信噪比高于10dB的平底孔缺陷具有可靠的檢測(cè)能力。

（4）采用歸一化互相關(guān)法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈦合金試件不同測(cè)試面全波信號(hào)的重建。底部回波的歸一化互相關(guān)系數(shù)成像結(jié)果反映了試件印刷面和沉積面中粗大柱狀晶體的生長(zhǎng)特征。在試件的不同超聲入射方向上，所有預(yù)埋缺陷均被檢測(cè)出，對(duì)試件邊緣和內(nèi)部接口噪聲的進(jìn)一步優(yōu)化以及測(cè)試結(jié)果中預(yù)埋缺陷的量化需要進(jìn)一步的研究。

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