CN102507737A - 柱面聚焦楔块的超声衍射时差法 - Google Patents

Abstract

柱面聚焦楔块的超声衍射时差法，涉及超声波检测领域，解决了现有衍射时差法检测存在缺陷衍射信号能量水平低、检测灵敏度有待提升的问题，它包括的具体步骤如下：步骤一、确定已知条件：探头晶片直径、楔块纵波声速、被检测工件纵波声速、水中纵波声速；步骤二、设定所需条件：主轴声束水程、被检测工件中纵波折射角度、主轴声束在工件中的聚焦垂直深度；步骤三、根据上述条件计算楔块柱面曲率半径，并采用制作加工的柱面聚焦楔块实施超声衍射时差法的检测。用于超声波检测。

Description

柱面聚焦楔块的超声衍射时差法

技术领域

本发明涉及超声波检测领域。

背景技术

超声衍射时差法在厚壁焊缝检测中得到了广泛的应用。由于衍射时差法基于接收缺陷端部弱衍射波实施测量，因此检测设备需在相对高的增益条件下工作。高增益工作状态会给回波信号带来系统噪声干扰，如电噪声。同时，焊缝区各向异性的组织结构也会带来更强的结构噪声，这都增加了缺陷识别的难度。另外，通过单纯增加超声脉冲发射功率的高增益工作状态会导致距离分辨率的下降。上述问题是常规衍射时差法存在的技术弊端之一，很大程度上限制了该方法的推广使用。解决噪声问题，可以利用成熟的硬件滤波技术.但当噪声频谱和信号频谱重叠，或噪声幅度接近或大于信号幅度时，硬件滤波有可能使信号失真严重。相关研究表明，可以通过基于软件滤波的信号处理方法来抑制噪声并能更为有效地提高缺陷信号的辨识能力[刚铁，迟大钊，盛朝阳.超声检测信号中复杂成份噪声的抑制方法：中国，200710072506.3]。提高超声回波能量水平可以采用聚焦探头。例如，点聚焦探头采用球面晶片汇聚声场，能有效克服声能量发散，点聚焦探头在超声无损检测中得到了广泛的使用。点聚焦探头对于需逐点栅格式扫查的被检测对象是有益的，但由于其声场分布呈锥形，无法满足超声衍射时差法检测方式在被检测工件深度方向大范围覆盖的需求。

现有衍射时差法检测存在缺陷衍射信号能量水平低、检测灵敏度有待提升的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有衍射时差法检测存在缺陷衍射信号能量水平低、检测灵敏度有待提升的问题，提供柱面聚焦楔块的超声衍射时差法。

柱面聚焦楔块的超声衍射时差法，它包括具体步骤如下：

步骤一、确定已知条件：探头晶片直径、楔块纵波声速、被检测工件纵波声速、水中纵波声速；

步骤二、设定所需条件：主轴声束水程、被检测工件中纵波折射角度、主轴声束在工件中的聚焦垂直深度；

步骤三、根据上述条件计算楔块柱面曲率半径：

探头发射声束入射到曲面上的入射角为i₁，经过曲面折射后的折射角为r₁，规定声束在水与被检测板材界面处的折射角度β，入射角等于楔块倾角θ，则根据折射定律有：

sinθ/sinβ＝v_水/v_板材                            (1)

解式(1)得θ的角度；

设主轴声束经由楔块及水耦合层后，聚焦在被检测体厚度深度h处：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PQ}=h/\cos \mathrm{\β}\\ \mathrm{PS}=\mathrm{PQ}\×\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(2\right)$

解式(2)得被检测板材中焦距PS长度；

根据几何光学原理，PS和PR存在着以下关系，

PS/PR＝v_水/v_板材                                   (3)

解式(3)得水中焦距PR长度；

根据折射定律以及几何关系联立得，

解式(4)的i₁角度；

sini₁＝(d/2)/R                                     (5)

解式(5)得楔块曲率半径R；

其中，式(4)，(5)的解法如下：

设若

(d/2)/(OP+PR)＝a

         i₁-r₁＝c                                  (6)

       v_水/v_铝＝b

则有

sin(i₁-r₁)＝a

i₁-r₁＝c                                           (7)

$\frac{{\sin i}_1}{\sin r_1}=b$

并有如下推导

$\frac{\sin (r_1+c)}{\sin r_1}=b$

$\⇒\frac{\sin r_1\cos c+\cos r_1\sin c}{{\sin r}_1}=b$

$\⇒\cos c+\frac{1}{\tan r_1}\sin c=b---\left(8\right)$

$\⇒\tan r_1=\frac{b-\cos c}{\sin c}$

$\⇒r_1={\tan }^{-1}\left(\frac{b-\cos c}{\sin c}\right)$

$\⇒i_1=r_1+c={\tan }^{-1}\left(\frac{b-\cos c}{\sin c}\right)+c$

由此解得i₁，采用制作加工的柱面聚焦楔块实施超声衍射时差法的检测。

本发明的方法，利用聚焦楔块代替常规楔块进行衍射时差法检测，能在不经由信号处理、不提高系统脉冲信号发射功率的条件下，使得缺陷的检测灵敏度提高6～12dB，有效地提高了缺陷信号的辨识能力，有利于检测者快速识别缺陷信号，避免缺陷漏检。

附图说明

图1为本发明柱面聚焦超声探头声场分布示意图，图中：1为探头，2为有机玻璃楔块，3为水；图2为图1Z-Z方向的剖视图，图中：1为探头，2为有机玻璃楔块，3为水；图3为设计加工获得柱面聚焦楔块示意图；图4为人工缺陷试块及其检测方式示意图；图5为各人工缺陷埋藏深度示意图；图6为常规衍射时差法检测图像；图7为本发明方法检测图像。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括的具体步骤如下：

步骤一、确定已知条件：探头晶片直径、楔块纵波声速、被检测工件纵波声速、水中纵波声速；

步骤二、设定所需条件：主轴声束水程、被检测工件中纵波折射角度、主轴声束在工件中的聚焦垂直深度；

步骤三、根据上述条件计算楔块柱面曲率半径：

探头发射声束入射到曲面上的入射角为i₁，经过曲面折射后的折射角为r₁，规定声束在水与被检测板材界面处的折射角度β，入射角等于楔块倾角θ，则根据折射定律有：

sinθ/sinβ＝v_水/v_板材                             (1)

解式(1)得θ的角度；

设主轴声束经由楔块及水耦合层后，聚焦在被检测体厚度深度h处：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PQ}=h/\cos \mathrm{\β}\\ \mathrm{PS}=\mathrm{PQ}\×\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(2\right)$

解式(2)得被检测板材中焦距PS长度；

根据几何光学原理，PS和PR存在着以下关系，

PS/PR＝v_水/v_板材                                   (3)

解式(3)得水中焦距PR长度；

根据折射定律以及几何关系联立得，

解式(4)的i₁角度；

sini₁＝(d/2)/R                                     (5)

解式(5)得楔块曲率半径R；

其中，式(4)，(5)的解法如下：

设若

(d/2)/(OP+PR)＝a

         i₁-r₁＝c                                  (6)

       v_水/v_铝＝b

则有

sin(i₁-r₁)＝a

i₁-r₁＝c                                           (7)

$\frac{{\sin i}_1}{\sin r_1}=b$

并有如下推导

$\frac{\sin (r_1+c)}{\sin r_1}=b$

$\⇒\frac{\sin r_1\cos c+\cos r_1\sin c}{{\sin r}_1}=b$

$\⇒\cos c+\frac{1}{\tan r_1}\sin c=b---\left(8\right)$

$\⇒\tan r_1=\frac{b-\cos c}{\sin c}$

$\⇒r_1={\tan }^{-1}\left(\frac{b-\cos c}{\sin c}\right)$

$\⇒i_1=r_1+c={\tan }^{-1}\left(\frac{b-\cos c}{\sin c}\right)+c$

由此解得i₁，采用制作加工的柱面聚焦楔块实施超声衍射时差法的检测。

具体实施方式二：本实施方式采用具体实施方式一的技术方案，结合具体的环境进行实验，说明本发明的效果，以厚度为10.5mm铝合金板作为检测对象，楔块采用有机玻璃制作：

步骤一、确定已知条件：探头晶片直径d＝6mm、有机玻璃纵波声速v_有机玻璃＝2730m/s、被检测工件纵波声速v_铝＝6260m/s、水中纵波声速v_水＝1480m/s；

步骤二、设定所需条件：主轴声束水程OP＝1.5mm、被检测工件中纵波折射角度θ＝60°、主轴声束在工件中的聚焦深度h＝5.3mm；

步骤三、计算楔块曲率半径：

探头发射声束入射到曲面上的入射角为i₁，经过曲面折射后的折射角为r₁。规定声束在水与铝合金板界面处的折射角度β＝60°。入射角等于楔块倾角θ，则根据折射定律有，

sinθ/sinβ＝v_水/v_铝                                (1)

解式(1)得，θ＝11.6°。

设主轴声束经由楔块及水耦合层后，聚焦在被检测体厚度1/2处，即深度h取5.3mm。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PQ}=h/\cos \mathrm{\β}\\ \mathrm{PS}=\mathrm{PQ}\×\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(2\right)$

解式(2)得，PS＝7.0mm。

根据几何光学原理，PS和PR存在着以下关系，

PS/PR＝v_水/v_铝                                      (3)

解式(3)得，PR＝30.2mm。

根据折射定律以及几何关系联立得，

解式(4)的，i₁＝11.8°。

sini₁＝(d/2)/R                                 (5)

解式(5)得，楔块曲率半径R为11.63mm。

在步骤三中，式(4)，(5)的解法如下：

设若

(d/2)/(OP+PR)＝a

         i₁-r₁＝c                              (6)

       v_水/v_铝＝b

则有

sin(i₁-r₁)＝a

    i₁-r₁＝c                                   (7)

$\frac{{\sin i}_1}{\sin r_1}=b$

并有如下推导

$\frac{\sin (r_1+c)}{\sin r_1}=b$

$\⇒\frac{\sin r_1\cos c+\cos r_1\sin c}{{\sin r}_1}=b$

$\⇒\cos c+\frac{1}{\tan r_1}\sin c=b---\left(8\right)$

$\⇒\tan r_1=\frac{b-\cos c}{\sin c}$

$\⇒r_1={\tan }^{-1}\left(\frac{b-\cos c}{\sin c}\right)$

$\⇒i_1=r_1+c={\tan }^{-1}\left(\frac{b-\cos c}{\sin c}\right)+c$

由此可解得i₁。

发明效果：加工制作的楔块如图3所示。在厚度为10.5mm的高强铝合金板上加工不同深度的平底孔作为人工缺陷，人工缺陷试件及其检测方式如图4所示。各人工缺陷埋藏深度见图5。选用一对宽带窄脉冲探头(晶片尺寸中心频率5MHz)，以水作为耦合剂，对人工缺陷试块进行检测。在探头间距23mm，对平底孔分别进行常规衍射时差法与柱面聚焦衍射时差法扫描。当检测侧向波幅值均占满屏的40％的情况下，常规方法检测的D扫描图像如图6所示，聚焦方法检测的D扫描图像如图7所示。可见聚焦方法检测到的缺陷影像在背景图像中的对比度得到很大程度上的改善，更易于辨识。从而实现不经由提高脉冲发射能量的途径，改善系统的检测灵敏度。

Claims (1)

1.柱面聚焦楔块的超声衍射时差法，其特征是它包括的具体步骤如下：

步骤一、确定已知条件：探头晶片直径、楔块纵波声速、被检测工件纵波声速、水中纵波声速；

步骤二、设定所需条件：主轴声束水程、被检测工件中纵波折射角度、主轴声束在工件中的聚焦垂直深度；

步骤三、根据上述条件计算楔块柱面曲率半径：

探头发射声束入射到曲面上的入射角为i₁，经过曲面折射后的折射角为r₁，规定声束在水与被检测板材界面处的折射角度β，入射角等于楔块倾角θ，则根据折射定律有：

sinθ/sinβ＝v_水/v_板材                          (1)

解式(1)得θ的角度；

设主轴声束经由楔块及水耦合层后，聚焦在被检测体厚度深度h处：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PQ}=h/\cos \mathrm{\β}\\ \mathrm{PS}=\mathrm{PQ}\×\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(2\right)$

解式(2)得被检测板材中焦距PS长度；

根据几何光学原理，PS和PR存在着以下关系，

PS/PR＝v_水/v_板材                                (3)

解式(3)得水中焦距PR长度；

根据折射定律以及几何关系联立得，

解式(4)的i₁角度；

sini₁＝(d/2)/R                                  (5)

解式(5)得楔块曲率半径R；

其中，式(4)，(5)的解法如下：

设若

(d/2)/(OP+PR)＝a

         i₁-r₁＝c                               (6)

       v_水/v_铝＝b

则有

sin(i₁-r₁)＝a

     i₁-r₁＝c                                (7)

$\frac{{\sin i}_1}{\sin r_1}=b$

并有如下推导

$\frac{\sin (r_1+c)}{\sin r_1}=b$

$\⇒\frac{\sin r_1\cos c+\cos r_1\sin c}{{\sin r}_1}=b$

$\⇒\cos c+\frac{1}{\tan r_1}\sin c=b---\left(8\right)$

$\⇒\tan r_1=\frac{b-\cos c}{\sin c}$

$\⇒r_1={\tan }^{-1}\left(\frac{b-\cos c}{\sin c}\right)$

$\⇒i_1=r_1+c={\tan }^{-1}\left(\frac{b-\cos c}{\sin c}\right)+c$

由此解得i₁，采用制作加工的柱面聚焦楔块实施超声衍射时差法的检测。

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