CN101701936A - 基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是基于虚拟聚焦的板结构超声阵列成像方法，属于无损检测领域。该方法通过对换能器阵列接收数据进行处理，实现换能器周围360°范围内任意方向上的缺陷指向和聚焦检测，可以解决大范围检测问题。当信号的波束指向偏转到缺陷位置所在的方向，所有信号将在缺陷处聚焦，此方向上由缺陷引起的反射信号能量最强，据此获得缺陷的方向信息，并由此提高信噪比。传感器阵列中的每个传感器单元均与独立的多通道的激励/接收转换开关相连，使检测信号的激励和接收具有很大的灵活性。

Description

基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种板结构大范围、高灵敏度缺陷检测方法，特别是一种基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法，其通过对换能器阵列采集数据进行虚拟聚焦处理，实现板结构大范围聚焦检测。该方法主要用于压力容器，大型储罐等板类结构的缺陷检测，属于无损检测领域。

背景技术

压力容器是石油、化工等行业的重大装备，也是国家进行战略油贮备的基础设施。由于其盛装着易燃、易爆、剧毒或腐蚀介质，长期承受高温和压力，是危险性较高的特种设备，在生产和使用中的失效形式比较复杂，易发生事故。给国家和人民生命财产造成了巨大的损失。因此，迫切需要发展压力容器无损检测技术，以避免和减少压力容器失效事故的发生。

超声导波技术具有检测效率高、速度快等优点，特别适合于板、管、杆等波导的大范围健康检测。由于结构尺寸较大，压力容器健康检测问题可简化为板结构无损检测问题，因此超声导波技术对大型储罐检测具有特殊优势。板结构中传播的超声导波称为兰姆波(Lamb Wave)。由于兰姆波在板中传播时声场遍及整个壁厚，传播距离较长且衰减较小，因此兰姆波常用于板状结构的检测。利用单换能器(反射式)或双换能器(透射式)对板结构进行兰姆波检测时，只能实现某单一方向范围内的缺陷检测，空间上或不能聚焦或只能聚焦在某一固定位置处。因此，单(双)换能器兰姆波检测灵敏度较低，信噪比差。

为克服单换能器检测能量分散、分辨率低、信号分析困难等缺点，可以利用多个阵元组成换能器阵列进行相控阵无损检测。相控阵超声检测技术通过电子系统控制换能器阵列中各个阵元，按照一定的延迟时间规则发射和接收超声波，实现动态聚焦。因此，相控阵检测具有快速、准确、适应性强的优点，而且成像质量好。但相控延时发射电路极为复杂，对发射信号的同步和延时要求很高，而且随着阵元数目的增加，控阵电路制作的复杂性和成本都显著增加，因此，其广泛应用受到了极大的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种板结构大范围、高灵敏度兰姆波缺陷检测方法，特别是一种基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法。在无需相控阵延时控制硬件电路的基础上，该方法通过对点阵元组成换能器阵列接收数据进行软件处理，即在换能器周围任意空间位置处，对换能器阵列各阵元接收信号施加一定相位移动，使换能器各阵元组合接收数据在该空间位置具有相同的相位，实现该位置的聚焦检测。因此，该方法可以实现换能器周围360°范围内任意位置的指向聚焦检测，不仅缺陷分辨率高，而且检测效率高，。

本发明提出的基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法，其基本原理在于：

与检测范围相比，换能器阵列尺寸很小，因此换能器阵列可简化为点声源。因此，换能器阵列板结构兰姆波检测属于点声源远场检测问题。同时，基于Born近似原理，超声波在远场范围传播中遇到反射体时，可以忽略超声波的多次反射及衰减，认为超声波在反射体处发生全反射。换能器阵列阵元的个数为N，N≥8，则激励接收阵元的组合数为n，n＝N(N-1)，此处不考虑超声导波自激励自接收的状态。

在频域，对换能器阵列接收信号S_n(ω)(S_n(ω)为其频谱，ω为信号的角频率)施加相位因子

构造空间任意方向

上反射体回波表达式

如果选择的相位因子

使

方向上反射体回波表达式

中所有信号具有相同的相位，则可以实现该方向上反射体的聚焦检测。即选择施加在信号上的相位因子，使信号在

方向上指向性最好。

在远场检测范围内，换能器阵列可认为是多阵元组成的点声源。点声源的空间指向性能可利用点扩散函数表示。表征换能器阵列空间指向性的点扩散函数

可表示为

其中，

表示n对激励接收阵元组合在

方向上的指向性函数。

其中的下标ii和jj均为大于等于1的自然数，并且ii，jj≤N，i表示虚数单位，

和

为激励和接收阵元的周向指向性函数，r(T)ii和r(R)jj为激励和接收阵元的半径。当反射体位于远场域，即反射体到原点的距离远大于激励和接收阵元到原点的距离时，对于一维环形阵列，周向指向性函数可以表示为

其中，J₀为零阶贝塞尔函数，d表示阵列的直径，k＝2π/λ为波数，λ为超声导波的波长，

为阵元所在位置的方向，

表示声束方向。

在任意指向方向上，利用优化方法(如遗传算法)，对相位因子

进行优化设计，选择出最佳的相位因子

使得点扩散函数

在方向

处最大，即在该方向上聚焦。对换能器阵列检测数据S_n(ω)施加该最佳的相位因子，就可以实现该位置的聚焦功能。

在方向上，对施加最佳相位因子的反射体回波信号

作空间反傅立叶变换，可以得到空间点

聚焦后的幅值表达式：

为施加最佳相位因子后空间点处的幅值表达式。同理，根据(5)式可以得到空间任意一点

聚焦后幅值，从而实现空间任意一点聚焦检测。根据空间各点的幅值进行成像，根据颜色就可以定位反射体所在位置。

本发明的技术方案如下：

本发明中使用了传统的超声导波检测装置，如图1所示。换能器阵列为一维环形阵列，阵元数为N个，N≥8，每个阵元既是激励阵元，又是接收阵元，但又不能同时为激励和接收阵元。任意函数发生器的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与换能器激励阵元相连。接收阵元与示波器某个通道相连。示波器通过串口与计算机相连。具体检测步骤为：

1)根据待检测板结构几何及材料性能参数，计算板结构的频散曲线。根据频散曲线中兰姆波传播特性，选定激励信号的频率和幅值。

2)利用上述所选定频率和幅值的激励信号，对换能器阵元采用一发一收的方式进行超声导波实验，记录换能器阵列接收数据，得到n组时域信号f_n(t)，其中n表示激励和接收传感器的组合数，且n＝N(N-1)。N(N≥8)表示换能器阵列阵元的个数，，t表示信号的时间。选定换能器阵列圆心为参考极坐标系的原点。

3)对上述得到的n组时域信号f_n(t)作傅立叶变换，得到n组频域信号S_n(ω)，其中ω为信号的角频率。根据等声束角的原则确定声束方向

其中，m_ii表示声束方向的数目，ii表示第ii个声束方向，并且1≤ii≤m_ii。

4)对步骤3)中得到的频域信号S_n(ω)在第一个声束方向

上施加一个相位因子

得到该声束方向上的反射体回波信号

5)根据步骤4)中的相位因子

可以得到点扩散函数

6)根据上述得到的点扩散函数

构造目标函数

上式

表示位于方向上的反射点在方向上的点扩散结果，

在方向

上施加的相位因子。

7)对所得到的目标函数μ(t)取最大值后，得到最佳相位因子

8)对步骤3)中得到的频域信号S_n(ω)施加最佳相位因子

得到

方向上的最佳聚焦效果的反射体回波信号

9)对上述得到的反射体回波信号

空间反傅立叶变换，可以得到空间点

聚焦后的幅值表达式。

10)在空间不同指向方向上，重复步骤4)-9)，根据(6)式可以得到空间任意一点

聚焦后幅值，根据空间各点的幅值进行成像，根据颜色就可以定位反射体所在位置。

所述的基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法，其特征在于：所述的换能器阵列数目均大于8。

所述的基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法，其特征在于：所述的换能器阵列为一维或二维的环形阵列，阵元为压电或EMAT点源换能器。

本发明具有以下优点：(1)在无需相控阵相位控制硬件系统的基础上，通过对换能器阵列接收数据进行软件虚拟聚焦处理，实现板内任意位置波束指向聚焦检测功能，解决板结构大范围无损检测问题。(2)当信号的波束指向偏转到缺陷位置所在方向，所有信号将在缺陷处聚焦，此方向上由缺陷引起的反射信号能量和幅度最强，据此获得缺陷的方向信息，并由此提高信噪比，对小缺陷的检出能力有显著提高；(3)传感器阵列中的每个传感器单元均与独立的多通道的激励/接收转换开关相连，使检测信号的激励和接收具有很大的灵活性。

附图说明

图1是本发明基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测装置原理图；

图2是本发明基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法流程图；

图3是本发明中遗传算法相位因子优化流程图；

其中：1-任意函数发生器；2-功率放大器；3-示波器；4-计算机；5-换能器阵列；6-待检测板；7-板上缺陷所在位置。

具体实施方式

如图1-3所示，基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法的具体步骤为：

1)待检测板结构为1m*1m的铝板，计算板结构的频散曲线。选取的激励信号为10个周期的汉宁窗调制的单音频信号。根据频散曲线中兰姆波传播特性，选取的信号的频率为180kHz，幅值为300mv。

2)选取阵元数目为8个，利用上述所选定频率和幅值的激励信号，对换能器阵元采用一发一收的方式进行超声导波实验，记录换能器阵列接收数据，得到n组时域信号f_n(t)，其中n表示激励和接收传感器的组合数，且n＝N(N-1)＝56。N表示换能器阵列阵元的个数，t表示信号的时间。选定换能器阵列圆心为参考极坐标系的原点。

3)对上述得到的56组时域信号f_n(t)作傅立叶变换，得到56组频域信号S_n(ω)。根据等声束角的原则确定声束方向

其中，m_ii表示声束方向的数目为8，ii表示第ii个声束方向，并且1≤ii≤8。

4)对步骤3中得到的频域信号S_n(ω)在第一个声束方向

上施加一个相位因子得到该声束方向上的反射体回波信号

5)根据步骤4中的相位因子可以得到点扩散函数

6)选取遗传算法作为优化方法对目标函数进行优化得到最佳相位因子

遗传算法的具体算法流程如下：

a)初始化。当K＝0时，选取初始种群t_K，种群数量为l。

b)计算种群t_K中适应度μ(tK)。

c)以比例选择概率p(μ(tK))，随机选取父代种群t_KK。

$p\left(\mathrm{\μ}\left(t_K\right)\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{jj}}\left(t_K\right)}{\underset{\mathrm{jj}=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{jj}}\left(t_K\right)}$

其中，分母中l为种群数量。

d)由父代种群t_KK经过遗传交叉、变异得到中间种群t_KM。

e)由t_KK和t_KM共同组成新一代种群t_K-1。如果满足优化准则，则成功得到第一个方向上的最佳相位因子。如果不满足优化准则，继续改变初始相位因子，直到找到符合优化准则的相位因子。

f)如果得到第一个方向的最佳相位因子，用相同方法继续寻找其他方向上的最佳相位因子

7)对步骤3中得到的频域信号S_n(ω)施加最佳相位因子

得到

方向上的最佳聚焦效果的反射体回波信号

8)对上述得到的反射体回波信号

空间反傅立叶变换，可以得到空间点

聚焦后的幅值表达式。

9)在空间不同指向方向上，重复步骤4)-步骤8)，根据(6)式可以得到空间任意一点聚焦后幅值，根据空间各点的幅值进行成像，根据颜色就可以定位反射体所在位置。

上述步骤中，换能器阵列数目为8，换能器阵列为一维环形阵列，阵元为EMAT点源换能器。

上述步骤只是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (3)

1.一种基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法，其特征在于：检测方法的步骤如下：

1)根据待检测半结构几何及材料性能参数，计算板结构的频散曲线，根据频散曲线中兰姆波传播特性，选定激励信号的频率和幅值；

2)利用上述所选定频率和幅值的激励信号，对换能器阵元采用一发一收的方式进行超声导波实验，记录换能器阵列接收数据，得到n组时域信号f_n(t)，其中n表示激励和接收传感器的组合数，且n＝N(N-1)，N(N≥8)表示换能器阵列阵元的个数，t表示信号的时间，选定换能器阵列圆心为参考极坐标系的原点；

3)对上述得到的n组时域信号f_n(t)作傅立叶变换，得到n组频域信号S_n(ω)，其中ω为信号的角频率，根据等声束角的原则确定声束方向

其中，m_ii表示声束方向的数目，ii表示第ii个声束方向，并且1≤ii≤m_ii；

4)对步骤3)中得到的频域信号S_n(ω)在第一个声束方向

上施加一个相位因子

得到该声束方向上的反射体回波信号：

5)根据步骤4)中的相位因子

得到点扩散函数

其中，

表示n对激励接收阵元组合在

方向上的指向性函数

其中：

和

为激励和接收阵元的周向指向性函数，r_(T)ii和r_(R)jj为激励和接收阵元的距离，其中的下标ii和jj均为大于等于1的自然数，并且ii，jj≤N，i表示虚数单位，当反射体位于远场域，即反射体到原点的距离远大于激励和接收阵元到原点的距离时，对于一维环形阵列，周向指向性函数可以表示为

其中，J₀为零阶贝塞尔函数，d表示阵列的直径，k＝2π/λ为波数，λ为超声导波的波长，

为阵元所在的角度，

表示声束方向；

6)根据上述得到的点扩散函数构造目标函数：

上式

表示位于

方向上的反射点在方向

上的点扩散结果，

为在方向

上施加的相位因子。

7)对所得到的目标函数μ(t)取最大值后，得到最佳相位因子

8)对步骤3)中得到的频域信号S_n(ω)施加最佳相位因子

得到方向上的最佳聚焦效果的反射体回波信号

9)对上述得到的反射体回波信号

空间反傅立叶变换，得到空间点

聚焦后的幅值表达式：

上述公式(8)中的指数右上标i表示虚数单位，

10)在空间不同指向方向上，重复步骤4)-步骤9)，根据式(8)得到空间任意一点

聚焦后幅值，根据空间各点的幅值进行成像，根据颜色就可以定位反射体所在位置。

2.根据权利要求1所述的基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法，其特征在于：所述的换能器阵列数目均大于8。

3.根据权利要求1所述的基于换能器阵列虚拟聚焦的板结构兰姆波无损检测方法，其特征在于：所述的换能器阵列为一维或二维的环形阵列，阵元为压电或EMAT点源换能器。

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