CN101819182A - 重构非均匀介质中缺陷形状的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，具体包括以下步骤：首先利用超声波检测系统检测非均匀介质，获得非均匀介质中的缺陷回波幅值，在计算机中利用工程计算软件对公式(1)和(2)进行程序编写，然后输入相应的缺陷回波的幅值即可实现非均匀介质的缺陷形状的重构；

其中公式(1)和(2)是根据均匀的各向同性介质中的三维Born近似公式和三维Kirchhoff近似公式中分别引入相速度式而导出的，所以本发明的重构非均匀介质中缺陷形状的方法简单方便，能快速、准确、低成本的重构出非均匀介质中三维缺陷的形状。

Description

重构非均匀介质中缺陷形状的方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种重构非均匀介质中的缺陷形状的方法。

背景技术

随着我国现代化建设的发展，无损检测的方法无论在高科技建设方面还是在基础设施建设方面都发挥着及其重要的作用。无损检测(NDT)就是一种采用声、光、电、磁等物理原理对被检对象进行检测，在不损坏、不破坏被检对象的情况下，获得被检对象的各种信息(如内部、表面的不连续、位置、大小、形状等等)的方法。常用的无损检测方法有射线照相、渗透检测、磁粉检测、超声检测、涡流检测五大方法。其中所述的超声波检测是利用物体自身或缺陷的声学特性对超声波传播的影响，来检测物体的缺陷或某些物理特性。

非均匀介质是指含相关散射体的介质(即一个理想的散射体模型，散射体所占的体积比较大且产生较强的散射效果)或者是指含不相关散射体的介质(即一个理想的散射体模型，散射体所占的体积比特别小且产生非常弱小的散射)。其中非均匀介质中的缺陷具体可指非均匀介质中的包裹、夹杂、空洞及裂纹等，在对非均匀介质中所含缺陷进行定量检测时，常常会受到非均匀介质中的缺陷形状的限制，从而造成对非均匀介质中的缺陷的定量检测带来很大困难，如果能知道非均匀介质中的缺陷形状，就可以根据缺陷形状判断非均匀介质的服役时间、以及缺陷的可能发展趋势，从而避免一些事故的发生，提高非均匀介质的使用可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，该方法简单方便，能快速、准确、低成本的重构出非均匀介质中三维缺陷的形状。

本发明的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，包括以下步骤：首先利用超声波检测系统检测非均匀介质，获得非均匀介质中的缺陷回波幅值，在计算机中利用工程计算软件对公式(1)和(2)进行程序编写，然后输入相应的缺陷回波的幅值即可实现非均匀介质的缺陷形状的重构，

其中x是特征函数Γ(x)和γ_H(x)的参数，

是单位矢量

指向y_m方向的分量，

表示缺陷散射场纵波的散射幅值，k_L表示纵波波数，f表示频率，

是单位矢量指向y方向，

表示单位球上的积分，C_L(f)就是非均匀介质中的相速度。

本发明的重构非均匀介质中缺陷形状的方法，通过超声波检测系统检测非均匀介质从而获得分均匀介质中的缺陷回波幅值，其中公式(1)和(2)是根据均匀的各向同性介质中的三维Born近似公式和三维Kirchhoff近似公式中分别引入相速度式而导出的，再利用相关工程计算软件对公式(1)和(2)进行编程，然后再代入相应的缺陷回波幅值即可对非均匀介质中的缺陷形状进行重构，所以本发明的重构非均匀介质中缺陷形状的方法简单方便，能快速、准确、低成本的重构出非均匀介质中三维缺陷的形状。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2含人工缺陷的水泥砂浆试件图；

图3非均匀化的三维Born近似公式重构出水泥砂浆试件中的三维缺陷形状；

图4非均匀化的三维Kirchhoff近似公式重构出水泥砂浆试件中的三维缺陷形状。

具体实施方式

本发明的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其中所述的超声波检测系统检测非均匀介质包括以下步骤：将超声传感器置于非均匀介质的表面，优选的是超声传感器与非均匀介质的表面垂直接触，且超声传感器与非均匀介质之间采用白凡士林作为耦合剂；超声波脉冲发射/接收仪产生一个脉冲信号施加于超声波传感器，本发明中优选的超声波脉冲发射/接收仪为Model5800型探伤仪，超声波传感器在非均匀介质中产生一束纵波，该纵波在非均匀介质中遇到缺陷产生的回波信号又传输到超声波传感器，超声波传感器接收到回波信号再经超声波脉冲发射/接收仪后将其送入数字示波器，数字示波器通过分析反射回波信号，以数据的形式将其存储在计算机中，采用上述技术方案，能快速、准确的检测出非均匀介质中所存在的缺陷。

本发明的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，在利用超声波检测系统检测非均匀介质中的缺陷时，其中超声传感器的探测点均匀分布在非均匀介质的表面；本发明的重构非均匀介质中缺陷形状的方法，所述的超声传感器在非均匀介质的表面每间隔一定角度手动移动一次且间隔角度小于等于30°，且沿轴线方向每间隔一段距离移动一步且间隔距离小于等于15mm，具体的在非均匀介质的表面进行检测时，在同一截面内每间隔一定角度手动移动一次且间隔角度小于等于30°，一般优选的是在同一截面内间隔角度越小，获得的数据就越准确，检测所得效果越好；其中沿轴线方向每间隔一段距离移动一步且间隔距离小于等于15mm，优选的也是沿轴线方向间隔移动的距离越小，获得的数据就越准确，检测所得效果越好；所述的超声传感器在非均匀介质表面进行检测时每个探测点均重复检测数次；采用上述技术方案，可以减小检测系统的随机误差，从而能够准确的获取非均匀介质中的缺陷回波幅值。

本发明的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，所述的工程计算软件包括Mathematica5.0、Maple7.0、Matlab7.0和Wavestar，其中在利用超声波检测系统检测非均匀介质中时，超声波传感器在非均匀介质中产生一束纵波，该纵波在非均匀介质中遇到缺陷产生的回波信号又传输到超声波传感器，超声波脉冲发射/接收仪后将其送入数字示波器，数字示波器首先利用工程计算软件Wavestar对非均匀介质的缺陷回波信号进行采集，再利用工程计算软件Mathematica5.0和Maple7.0对非均匀介质中的缺陷回波信号进行处理和计算，再将缺陷回波信号以缺陷回波幅值数据的形式存储在计算机中；然后在计算机中利用工程计算软件Matlab7.0对公式(1)和(2)进行程序编写，并在公式(1)和(2)输入相应的缺陷回波幅值数据，从而即可实现非均匀介质中的缺陷形状进行重构，所以本发明的重构非均匀介质中缺陷形状的方法简单方便，能快速、准确、低成本的重构出非均匀介质中三维缺陷的形状。

本发明的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，所述的公式(1)和(2)中的频率f的取值范围是0.2～1.5MHz。

本发明的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其中所述的公式(1)和(2)是根据均匀的各向同性介质中的三维Born近似公式和三维Kirchhoff近似公式推导而来的，具体的过程如下：

S1：输入均匀介质中的三维Born近似、Kirchhoff近似公式，对于三维Born近似公式其形式为：

$\mathrm{\Γ}\left(x\right)=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^3}\∫{\∫}_0^{\∞}\frac{{\hat{y}}_m}{u^0}{A}_m(k_L,\hat{y})e^{2i{k}_L\hat{y}\·x}4d{k}_L\mathrm{d\Ω}\left(\hat{y}\right)$

其中X是特征函数Γ(x)的参数，

是单位矢量

指向y_m方向(从笛卡儿直角坐标系的原点)的分量，u⁰表示入射平面纵波振幅，

表示缺陷散射场纵波的散射幅值，k_L表示纵波波数，

是单位矢量指向y方向(从笛卡儿直角坐标系的原点)，

表示单位球上的积分。关于单位球上的积分作如下处理：

因为有

(单位球的笛卡尔直角坐标表达式)

所以有 ${\left(2k_L{\hat{y}}_1\right)}^2+{\left(2k_L{\hat{y}}_2\right)}^2+{\left(2k_L{\hat{y}}_3\right)}^2=4k_L^2$

在球坐标下令 $\left\{\begin{array}{c}2k_L{\hat{y}}_1=2k_L\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ 2k_L{\hat{y}}_2=2k_L\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\\ 2k_L{\hat{y}}_3=2k_L\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

则 $\left|J\right|={\left(2k_L\right)}^2\sin \mathrm{\θ}=4k_L^2\sin \mathrm{\θ}$

由于通常情况下入射波是垂直入射所以θ常取90°，此时sinθ的值是单位1，因而在书写公式时sinθ就被1代替了，从而可以对三维Born近似公式进行变换；三维Kirchhoff近似公式其形式为：

${\mathrm{\γ}}_H\left(x\right)=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^3}\∫{\∫}_0^{\∞}\frac{{\hat{y}}_m}{i{u}^0}{A}_m\left(\hat{y}\right)e^{2i{k}_L\hat{y}\·x}4k_L{\mathrm{dk}}_L\mathrm{d\Ω}\left(\hat{y}\right)$

其中X是奇异函数γ_H(x)的参数，其它变量的含义与上述三维Born近似公式同；

S2：对公式中与波数相关的变量实行非均匀化处理，其步骤如下：在非均匀介质中，由于相速度的频散特性，取

k_L＝ω/C_L(f)＝2πf/C_L(f)

其中k_L是一个关于频率f为变量的函数。C_L(f)就是非均匀介质中的相速度，对上式关于变量频率两边求导后得

${\mathrm{dk}}_L=2\mathrm{\π}\frac{C_L\left(f\right)-f{C}_L^{\′}\left(f\right)}{C_L^2\left(f\right)}\mathrm{df}$

其中C_L(f)由非均匀介质中Kramers-Kronig(克拉茂-克朗尼希)关系决定；

S3：代入非均匀化后的波数变量调整三维Born近似、Kirchhoff近似公式，其步骤如下：

对于三维Born近似公式

$\mathrm{\Γ}\left(x\right)=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^3}\∫{\∫}_0^{\∞}\frac{{\hat{y}}_m}{u^0}{A}_m(k_L,\hat{y})e^{2i{k}_L\hat{y}\·x}4d{k}_L\mathrm{d\Ω}\left(\hat{y}\right)$

中的k_L和dk_L分别用步骤S2所述的表达式代入后并化简得公式(1)如下：

故公式(1)也可成为非均匀化的三维Born近似公式，一般情况下上式被积变量f的取值范围是f：0.2～1.5MHz；

对于三维Kirchhoff近似公式

${\mathrm{\γ}}_H\left(x\right)=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^3}\∫{\∫}_0^{\∞}\frac{{\hat{y}}_m}{i{u}^0}{A}_m\left(\hat{y}\right)e^{2i{k}_L\hat{y}\·x}4k_L{\mathrm{dk}}_L\mathrm{d\Ω}\left(\hat{y}\right)$

中的k_L和dk_L分别用步骤S2所述的表达式代入并化简后得公式(2)如下：

故公式(2)也可称为非均匀化的三维Kirchhoff近似公式。

下面结合说明书附图和实施例对本发明的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法作进一步的详细说明：

实施例

为了用本发明的重构非均匀介质中缺陷形状的方法重构出图2中所示的水泥砂浆柱的三维缺陷的形状，具体操作如下：

实验准备阶段：

超声波脉冲发射/接收仪采用美国MODEL 5800；

数字示波器采用美国泰克公司的TDS 3200；

超声波传感器采用纵波直探头，由广东汕头超声所加工制作；

水泥砂浆柱是以沙子、水泥和水按照1∶9∶4的体积比混合加工而成的，测得水泥砂浆柱中纵波的声速为3100m/s，水泥砂浆柱的尺寸是：直径80mm，母线长是100mm，其中自行加工的缺陷形状是截面形状为直径是8mm的圆形通孔柱；

如图1所示，首先将超声传感器置于被检试件水泥砂浆柱的表面，且使超声传感器与水泥砂浆柱的表面垂直接触，超声传感器与水泥砂浆柱之间采用白凡士林作为耦合剂；超声传感器与超声波脉冲发射/接收仪相连，超声波脉冲发射/接收仪与数字示波器相连，数字示波器与计算机相连；

实验检测阶段：

启动超声波脉冲发射/接收仪，超声波脉冲发射/接收仪产生一个脉冲信号施加于超声波传感器，超声波传感器在水泥砂浆柱中产生一束纵波，该纵波在水泥砂浆柱中遇到缺陷，产生的回波信号又传输到超声波传感器，然后反射回波信号被同时发射\接收的同一超声波传感器接收信号，所接收到的缺陷回波信号再一次经过超声波脉冲发射/接收仪后，超声波脉冲发射/接收仪后将其送入数字示波器，数字示波器首先利用工程计算软件Wavestar对水泥砂浆柱的缺陷回波信号进行采集，再利用工程计算软件Mathematica5.0和Maple7.0对水泥砂浆柱中的缺陷回波信号进行处理和计算，然后以数据的形式将水泥砂浆柱的缺陷回波幅值存储在计算机中；最后再利用工程计算软件Matlab7.0对公式(1)和(2)进行程序编写，并在公式(1)和(2)中输入相应的缺陷回波的幅值数据即可对水泥砂浆柱中的缺陷形状进行重构，如图3所示，是由公式(1)重构出的水泥砂浆柱的缺陷形状图，其优点在于重构缺陷内部特征信息；如图4所示，是由公式(2)重构出的水泥砂浆柱的缺陷性状图，其优点在于重构缺陷外部特征信息；如图3和图4所示，平面内的坐标表示通孔缺陷在水泥砂浆柱某一截面的位置，纵向的坐标表示通孔缺陷在水泥砂浆柱轴向的位置，坐标系边侧的柱状带表示传感器在水泥砂浆柱的轴线方向每间隔10mm移动一步，在实际检测时，超声传感器在水泥砂浆柱中的探测点均匀分布在其表面，每个探测点均重复检测数次，检测时超声传感器在水泥砂浆柱的同一截面圆的表面每间隔角度20°时手动移动一次，同时还沿着水泥砂浆柱的轴线方向每隔10mm时移动一步，然后将每步的结果叠加起来，结果如图3、4所示。

Claims (10)

1.一种重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，包括以下步骤：首先利用超声波检测系统检测非均匀介质，获得非均匀介质中的缺陷回波幅值，在计算机中利用工程计算软件对公式(1)和(2)进行程序编写，然后输入相应的缺陷回波的幅值即可实现非均匀介质的缺陷形状的重构，

其中x是特征函数Γ(x)和γH(x)的参数，

是单位矢量

指向y_m方向的分量，表示缺陷散射场纵波的散射幅值，k_L表示纵波波数，f表示频率，

是单位矢量指向y方向，

表示单位球上的积分，C_L(f)就是非均匀介质中的相速度。

2.根据权利要求1所述的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其特征在于所述的超声波检测系统检测非均匀介质包括以下步骤：将超声传感器置于非均匀介质的表面，超声波脉冲发射/接收仪产生一个脉冲信号施加于超声波传感器，超声波传感器在非均匀介质中产生一束纵波，该纵波在非均匀介质中遇到缺陷产生的回波信号又传输到超声波传感器，超声波传感器接收到回波信号再经超声波脉冲发射/接收仪后将其送入数字示波器，数字示波器通过分析反射回波信号，以数据的形式将其存储在计算机中。

3.根据权利要求1所述的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其特征在于：所述的工程计算软件包括Mathematica5.0、Maple7.0、Matlab7.0和Wavestar，其中Wavestar用于非均匀介质的缺陷数据的采集，Mathematica5.0、Maple7.0用于非均匀介质中缺陷回波幅值数值的处理和计算，Matlab7.0用于非均匀介质中的缺陷形状的重构。

4.根据权利要求1所述的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其特征在于：所述的公式(1)和(2)中的频率f的取值范围是0.2～1.5MHz。

5.根据权利要求2所述的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其特征在于：所述的超声波脉冲发射/接收仪为Model5800型探伤仪。

6.根据权利要求2所述的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其特征在于：所述的超声传感器的探测点均匀分布在非均匀介质的表面。

7.根据权利要求2或6所述的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其特征在于：所述的超声传感器与非均匀介质的表面垂直接触。

8.根据权利要求2或6所述的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其特征在于：所述的超声传感器与非均匀介质之间采用白凡士林作为耦合剂。

9.根据权利要求2所述的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其特征在于：所述的超声传感器在非均匀介质的表面每间隔一定角度手动移动一次且间隔角度小于等于30°，且沿轴线方向每间隔一段距离移动一步且间隔距离小于等于15mm。

10.根据权利要求6所述的重构非均匀介质中的缺陷形状的方法，其特征在于：所述的超声传感器在非均匀介质表面进行检测时每个探测点均重复检测数次。

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