CN104280458A - 一种利用超声相控阵检测孔型缺陷的定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用超声相控阵检测孔型缺陷的定量评价方法，当超声波束遇到一定深度的孔型缺陷时，大部分的声波发生反射，只有少部分的声波发生衍射绕过孔型缺陷传播，探头接收到孔型缺陷的反射回波和衍射回波，利用二者的声程差对孔型缺陷进行定量评价。本发明与普通的超声相控阵相比，其技术效果为：增加了定量的功能，从原理上也为相控阵定量提供了一种新的定量方法，并提出利用衍射回波进行定量评价的概念，开拓衍射波检测的新思路。采用本发明方法可以准确、快速的对孔型缺陷的孔径大小做出评价，操作方法简单、方便。

Description

一种利用超声相控阵检测孔型缺陷的定量评价方法

技术领域

本发明涉及一种检测孔型缺陷的定量评价方法，具体涉及一种利用超声相控阵检测孔型缺陷的定量评价方法。

背景技术

超声相控阵检测技术以其优越的声束聚焦特性、快速的扫查能力和清晰、直观的成像结果等优点迅速被人们所认知，并开始应用于航空航天、压力容器、船舶等领域的检测。对于检测工作来说，除了知道孔型缺陷的位置外，还要知道孔型缺陷的大小，甚至孔型缺陷的类型等。目前，超声相控阵检测技术不能实现对孔型缺陷进行定量评价，这极大的限制了超声相控阵技术的广泛推广与应用。

与常规超声技术相比，相控阵技术存在以下定量难点:

（1）发射/接收方式的改变。超声相控阵检测技术采用阵列式换能器，多个换能器阵元按一定形状、尺寸排列，构成超声阵列换能器。采用多阵元的阵列式换能器，可以发射能量更强，范围更广的超声波束，检测灵敏度和定位精度也比常规方法高。此外，多阵元的换能器设计可以接收到常规方法接收不到的微弱的回波。在超声波与孔型缺陷作用的过程中，大部分的声波被直接反射，而只有较少部分的声波发生衍射，在经过传播过程中的衰减，到达换能器的衍射回波已经很微弱，只有接收性能好的阵列式换能器才能接收并识别出来。

（2）声场工作区域的改变。常规超声检测法工作在声场的远场区，且远场区的声场能量分布随着距离的增加而逐渐衰减。随着距离的增加，声波的能量逐渐衰减，反射回波的能量也随之降低，因而可以利用回波幅值特性进行孔型缺陷定量。而超声相控阵技术则工作在声场的近场区，发射的子波束在近场区干涉，形成聚焦区域，达到提高检测灵敏度的效果；但接收波幅值的大小不能真实反映孔类孔型缺陷面积（尺寸）的大小。

（3）常规的DAC（距离-波幅曲线）定量法则不适用于超声相控阵检测，需要找寻新的评价方法。对于超声相控阵系统，采用阵列式探头，激发的声场本来就比常规单探头激发的要复杂，且波束干涉聚焦后，聚焦区域的声场能量比不聚焦的区域要强很多。常规的DAC曲线法不再适用于超声相控阵的定量评价。

超声相控阵检测设备具有许多常规超声检测手段无法替代的优点，但是相控阵设备不能对检测过程中遇到的孔型缺陷进行定量的问题极大的限制了相控阵技术的推广和应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种能够准确、有效地对超声相控阵检测过程中遇到的孔型缺陷进行定量评价的方法。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：一种利用超声相控阵检测孔型缺陷的定量评价方法，其特征在于方法步骤如下：

（1）采用多阵元的阵列式换能器对带有孔型缺陷的样品进行检测；

（2）采集到反射回波声程 ，衍射回波声程和爬波传播的距离；

（3）反射回波的声程与衍射回波的声程，二者的差值在数值上等于孔型缺陷周长的一半，孔型缺陷的直径为，即：

；

(4)通过计算得到孔型缺陷的直径，即：

。

为了获得更好的技术效果，步骤（4）中，所述孔型缺陷的直径进行修正。材料的特性决定了声波的速度，不同的材料，其修正系数也不一样。K为修正系数，K=0.85-1.05，则修正后孔型缺陷的直径∅：；被检测样品为金属材料时，所述K=0.85-1；被检测样品为非金属材料时，所述K=1-1.05。

本发明的原理：当阵列式换能器发出的超声波束向前传播遇到一定深度的孔型缺陷时，大部分的声波发生反射，只有少部分的声波发生衍射绕过孔型缺陷向前传播。当衍射的声波传播到与孔径相切时，会发生波形转换，形成绕着孔径传播的声波。该声波绕着孔传播，同时向空间辐射声波，我们称此声波为爬波。当这个爬波传播到另一侧与孔径相切的位置时，探头能接收到的辐射声波最强，在相控阵的扇形扫描视图上显示为紧跟反射波的一个斑点，在A扫描波形图中也可以看到，只是幅值比反射波要低得多，且由于噪声的干扰，难以识别。爬波从产生到接收，传播的距离刚好为孔型缺陷周长的一半，数值上等于反射回波与衍射回波的声程差值。通过测量反射回波与衍射回波的声程，即可计算孔型缺陷的孔径大小。

本发明与普通的超声相控阵相比，其技术效果为：增加了定量的功能，从原理上也为相控阵定量提供了一种新的定量方法，并提出利用衍射回波进行定量评价的概念，开拓衍射波检测的新思路。采用本发明方法可以准确、快速的对孔型缺陷的孔径大小做出评价，操作方法简单、方便。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的相控阵探头排列示意图。

图3本发明的实施例超声波衍射示意图。

图4本发明的实施例有机玻璃内直径为Φ1mm横孔衍射回波定量结果。

图5本发明的实施例碳钢内直径为Φ3mm横孔衍射回波定量结果。

具体实施方式

下面结合图1和实施例对本发明的实施方式作进一步的说明。

实施例1

首先，在进行检测工作前，需要对超声相控阵仪器的参数进行选择和校准，检测仪器的参数主要取决于检测对象的材料特性、结构等。其中，可供选择的检测参数有：

波型。普通的超声相控阵主要有两种：纵波和横波。

扫描方式。普通的扫描方式有两种：线性扫查和扇形扫查。结合波型参数，有：纵波线扫、纵波扇扫、横波线扫、横波扇扫，根据检测的对象和条件进行选择。

探头，即相控超声发射/接收模块。探头的参数又包括：频率、阵元数量、阵元间距、阵元长度等。不同的频率，激发的声场能量不一样；不同的阵元数量、阵元间距等，声场的特性也会有所差异。目前，相控阵的探头都是一体化的，如图2所示，探头生产厂商针对不同的检测情况，制作了各种不同规格的探头，这些探头的诸多参数，如频率、阵元数量、阵元间距等都是固定的，一旦选中了探头，则与探头相关的所有参数都已选定。如若需要改变参数，则只能通过更换探头来实现。所以，探头的选取需要综合考虑。选定探头后，有时还需要选取与探头匹配的斜楔。

对于超声相控阵仪器，参数选取完成后，点击确认，相控阵设备（SIUI supor-32p）仪器就会根据所选取的参数自动生成延时法则，实现声束的聚焦、偏转等功能。

参数选择完成后，就需要对仪器进行校准。对于不同超声相控阵仪器，需要校准的参数是一致的，其差别在于校准的过程不一样。需要校准的参数包括：零点校准、声速校准、楔块延迟校准（若没有楔块，则无需校准）、TCG校准（时间增益校准）、ACG校准（角度增益校准）、编码器校准。仪器的校准要严格按照相应的校准规范或校准方法进行。

校准完成后即可开始检测；如图1所示。

对于孔型缺陷，采用该设备直接对孔型缺陷进行定量评价。首先，选中要进行定量的孔型缺陷，由于衍射回波能量较弱，需要调整增益，使衍射回波达到一定高度，并与反射回波明显的区分开。依次利用闸门分别标记反射回波和衍射回波的声程，根据公式（2）、（3）就能够得出缺陷的尺寸大小，进而缺陷做出评价。

利用该方法对有机玻璃内直径为Φ1mm的长横孔定量和碳钢内部Φ3mm的长横孔定量的案例。

选用相控阵的探头参数：频率4MHz，阵元数量为16，阵元间距为0.5mm，斜楔为有机玻璃，折射角度为55°，扫查方式为横波扇形扫查。检测结果利用公式（2）进行定量，并进行适当的修正。

表1 有机玻璃材料内部直径为Φ1mm横孔检测定量评价结果

对所测横孔直径进行加和平均值为0.9614mm，有机玻璃k值为1.05，再对检测结果进行修正计算，将计算结果和修正结果进行绘图，其结果如图4所示。

表2 碳钢材料内部直径为Φ3mm横孔检测定量评价结果

对所测横孔直径进行加和平均值为3.0875mm，碳钢k值为0.96，再对检测结果进行修正计算，将计算结果和修正结果进行绘图，其结果如图5所示。

技术效果

从表1、2可以看出，利用衍射回波对超声相控阵孔型缺陷进行定量的结果与横孔的实际孔径相比，相对误差很小，均在5%以内，定量较为准确，满足实际现场的定量检测需求，方法操作简单、有效。

工作机理：当阵列式换能器发出的超声波束向前传播遇到一定深度的孔型缺陷时，大部分的声波发生反射，只有少部分的声波发生衍射绕过孔型缺陷向前传播。当衍射的声波传播到与孔径相切时，会发生波形转换，形成绕着孔径传播的声波。该声波绕着孔传播，同时向空间辐射声波，我们称此声波为爬波。当该爬波传播到另一侧与孔径相切的位置时，探头能接收到的辐射声波最强，在相控阵的S扫描（扇形扫描）视图上显示为紧跟反射波的一个斑点，在A扫描波形图中也可以看到，只是幅值比反射波要低得多，且由于噪声的干扰，难以识别。爬波从产生到结束，传播的距离刚好为孔型缺陷周长的一半，数值上等于反射回波与衍射回波的声程差值。通过测量反射回波与衍射回波的声程，即可计算孔型缺陷的孔径大小。

本发明的定量过程的理论预测计算公式如下：设反射回波声程为，衍射回波的声程为，爬波传播的距离为，孔型缺陷的直径为，则二者的声程差在数值上等于孔型缺陷周长的一半。

；

由此可计算得到孔型缺陷孔径为： ；

为了获得更好的技术效果，对定量的结果提出修正，对于碳钢，修正系数K=0.96，则有孔型缺陷的定量孔径Φ为：

；

该公式计算的结果即为修正后碳钢表面孔型缺陷的直径；

对于有机玻璃，修正系数K=1.05，则有孔型缺陷的定量孔径Φ为：

；

该公式计算的结果即为修正后有机玻璃表面孔型缺陷的直径。

Claims (4)

1.一种利用超声相控阵检测孔型缺陷的定量评价方法，其特征在于方法步骤如下：

（1）采用多阵元的阵列式换能器对带有孔型缺陷的样品进行检测；

（2）采集到反射回波声程 QUOTE ，衍射回波声程 QUOTE 和爬波传播的距离 QUOTE ；

（3）反射回波声程与衍射回波声程的声程差在数值上等于孔型缺陷周长的一半，孔型缺陷的直径为 QUOTE ，即：

QUOTE ；

（4）通过计算得到孔型缺陷的直径 QUOTE ，即：

QUOTE 。

2.如权利要求1所述的一种利用超声相控阵检测孔型缺陷的定量评价方法，其特征在于：所述步骤（4），对孔型缺陷的直径 QUOTE 进行修正，K为修正系数，K=0.85-1.05，则修正后孔型缺陷的直径 QUOTE ：

QUOTE 。

3.如权利要求2所述的一种利用超声相控阵检测孔型缺陷的定量评价方法，其特征在于：被检测样品为金属材料，所述K=0.85-1。

4.如权利要求2所述的一种利用超声相控阵检测孔型缺陷的定量评价方法，其特征在于：被检测样品为非金属材料，所述K=1-1.05。