CN104483385B - 一种各向异性材料纵波声速的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测技术领域，涉及对采用超声探头测量各向异性材料纵波声速方法的改进。其特征在于，采用相控阵超声线阵探头进行测量，测量的步骤如下：超声回波数据采集及存储；获取超声回波信号的底波传播时间数据组；计算底波传播时间平均值数据组；计算声波最短路径传播角度数据组和声波最短传播路径数据组；计算各声波最短路径传播角度下所对应的纵波声速数据组；构造纵波传播速度V与声波传播角度Θ的解析函数。本发明提出了一种改进的各向异性材料纵波声速的测量方法，简化了测量步骤，缩短了测量周期，提高了测量精度。

Description

一种各向异性材料纵波声速的测量方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及对采用超声探头测量各向异性材料纵波声速方法的改进。

背景技术

超声检测是通过超声波与被测试样相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试样进行几何特征测量、宏观缺陷检测、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性能进行评价的技术。超声检测中使用的常规超声探头就晶片数量而言通常有两种：一种只包含一个晶片，这个晶片既用于发射又用于接收超声波；另一种包含一对晶片，一个晶片用于发射超声波，另一个用于接收超声波。与常规超声探头不同，相控阵超声探头是一个换能器组件，一般包含16至256个数量不等的小型单个晶片，每个晶片可分别用于激励和接收超声波。同时，这些晶片可以排列成条状(线阵)、2维矩阵、环状(环阵)等不同形状。材料的声速是弹性模量等机械性能的直接反映，通过精确测量材料声速，可反映出材料和工件的状态；另外，在超声检测中对被测材料声速进行精确测量，对准确确定缺陷位置和形状起着关键作用。因此，对材料声速进行准确测量具有重大的实际意义。然而，各向异性材料具有许多各向同性材料所不存在的声波传播现象，如声速具有方向性、声波的相速度和群速度之间存在差异、具有三种不同的声波传播速度(而非二种)以及很多更加细微的区别。因此，当利用超声波对各向异性材料进行检测时，必须深刻了解超声波在各向异性材料中的传播性质，其中，测量各向异性材料的实际声速是一项重要的工作。传统的超声测量声速方法多采用单个探头的反射法或一对探头的穿透法来实现，由于各向异性材料的声速方向性，当测量不同传播角度下的声速时，需要采用计算机控制的测角器来不断调节入射角，并借助水浸循环泵来稳定水温，同时由于模转换和反射/透射系数的影响，导致反射回波信号的幅值比较低(如李家伟、陈积懋.无损检测手册[M].北京：机械工业出版社,2002,p238)。其缺点是：测量步骤复杂，测量周期长，测量精度低。

发明内容

本发明的目的是：提出一种改进的各向异性材料纵波声速的测量方法，以便简化测量步骤，缩短测量周期，提高测量精度。

本发明的技术方案是：一种各向异性材料纵波声速的测量方法，由各向异性材料制成的被测试样具有长方体外形，在被测试样内部不存在缺陷，其特征在于，采用相控阵超声线阵探头进行各向异性材料纵波声速的测量，测量的步骤如下：

1、超声回波数据采集及存储：将包含N个阵元晶片的相控阵超声线阵探头放置在被测试样的上表面上，N不小于16，在纵波声速测量过程中不移动相控阵超声线阵探头位置；设置相控阵超声探伤仪，使相控阵超声线阵探头中从端头起的至少连续M个阵元晶片依次发射超声波，M不小于3且不大于N/4，同时，每个发射阵元晶片发射超声波时，采集相控阵超声线阵探头中从发射阵元晶片起的连续N-M+1个阵元晶片接收到的超声回波信号，作为一个超声回波数据组U_m＝{U_m1,U_m2,…,U_mi,…,U_m(N-M+1)}，m为超声回波数据组的序号，m＝1,2,…,M，并将超声回波数据组U_m进行存储；

2、获取超声回波信号的底波传播时间数据组：定义底波传播时间t为超声回波信号中始波与底波之间的时间差；依次提取超声回波数据组U_m中每个超声回波信号的底波传播时间，形成底波传播时间数据组t_m＝{t_m1,t_m2,…,t_mi,…,t_m(N-M+1)}；

3、计算底波传播时间平均值数据组：按照下式对M个底波传播时间数据组中序号对应的数据项取平均值，得到底波传播时间平均值数据组

式中，i＝1,2,…,N-M+1；

4、计算声波最短路径传播角度数据组和声波最短传播路径数据组：定义声波最短路径传播角度θ为两条直线的夹角，一条为过发射阵元晶片中心并垂直于被测试样底面的直线，另一条为发射声波传播线，发射声波传播线为发射阵元晶片中心与被测试样底面反射点的连线，底面反射点是发射阵元晶片中心和接收阵元晶片中心连线的垂直平分线与底面的交点；定义声波最短传播路径S由发射声波传播线和接收声波传播线组成，接收声波传播线为被测试样底面反射点与接收阵元晶片中心的连线；

4.1、按照下式计算从端头起的第1个阵元晶片发射的声波最短路径传播角度数据组θ_n：

θ_n＝tan^-1[(n-1)p/(2H)]……………………………………………………[2]

式中：

n是接收阵元晶片的序号，n＝1,2,…,N-M+1；

p是相控阵超声线阵探头的阵元晶片间距；

H是被测试样厚度；

声波最短路径传播角度数据组θ_n中的数据项分别与底波传播时间平均值数据组中序号相同的数据项对应；

4.2、按照下式计算从端头起的第1个阵元晶片发射的声波最短传播路径数据组S_n：

S_n＝sqrt[((n-1)p)²+4H²]…………………………………………………[3]

声波最短传播路径数据组S_n中的数据项分别与底波传播时间平均值数据组中序号相同的数据项对应；

5、计算各声波最短路径传播角度下所对应的纵波声速数据组v_n：将声波最短传播路径数据组S_n中的数据项与底波传播时间平均值数据组中序号对应数据项做相除运算，得到各声波最短路径传播角度下所对应的纵波声速数据组v_n；

6、构造纵波传播速度V与声波传播角度Θ的解析函数：利用上述步骤中所获得的纵波声速数据组v_n和声波最短路径传播角度数据组θ_n中的对应数据项，采用最小二乘曲线拟合方法，构造纵波传播速度与声波传播角度的至少4阶解析函数，

V＝aΘ⁴+bΘ³+cΘ²+dΘ+e…………………………………………………[4]

式中，V是纵波传播速度；Θ是声波传播角度，0≤Θ<π/2；a、b、c、d、e为解析函数的系数。

本发明的优点是：提出了一种改进的各向异性材料纵波声速的测量方法，简化了测量步骤，缩短了测量周期，提高了测量精度。

附图说明

图1是声波最短路径传播角度的示意图。图中：

1是相控阵超声线阵探头；

1a是相控阵超声线阵探头起始阵元晶片；

1b是相控阵超声线阵探头终止阵元晶片；

2是被测试样；

2a是被测试样底面；

3是声波最短路径传播角度；

4是发射阵元晶片中心；

5是过发射阵元晶片中心并垂直于被测试样底面的直线；

6是被测试样底面反射点；

7是接收阵元晶片中心；

8是发射阵元晶片中心和接收阵元晶片中心连线的垂直平分线；

9是发射声波传播线；

10是接收声波传播线。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。一种各向异性材料纵波声速的测量方法，由各向异性材料制成的被测试样具有长方体外形，在被测试样内部不存在缺陷，其特征在于，采用相控阵超声线阵探头进行各向异性材料纵波声速的测量，测量的步骤如下：

1、超声回波数据采集及存储：将包含N个阵元晶片的相控阵超声线阵探头放置在被测试样的上表面上，N不小于16，在纵波声速测量过程中不移动相控阵超声线阵探头位置；设置相控阵超声探伤仪，使相控阵超声线阵探头中从端头起的至少连续M个阵元晶片依次发射超声波，M不小于3且不大于N/4，同时，每个发射阵元晶片发射超声波时，采集相控阵超声线阵探头中从发射阵元晶片起的连续N-M+1个阵元晶片接收到的超声回波信号，作为一个超声回波数据组U_m＝{U_m1,U_m2,…,U_mi,…,U_m(N-M+1)}，m为超声回波数据组的序号，m＝1,2,…,M，并将超声回波数据组U_m进行存储；

2、获取超声回波信号的底波传播时间数据组：定义底波传播时间t为超声回波信号中始波与底波之间的时间差；依次提取超声回波数据组U_m中每个超声回波信号的底波传播时间，形成底波传播时间数据组t_m＝{t_m1,t_m2,…,t_mi,…,t_m(N-M+1)}；

3、计算底波传播时间平均值数据组：按照下式对M个底波传播时间数据组中序号对应的数据项取平均值，得到底波传播时间平均值数据组

式中，i＝1,2,…,N-M+1；

4、计算声波最短路径传播角度数据组和声波最短传播路径数据组：定义声波最短路径传播角度θ为两条直线的夹角，一条为过发射阵元晶片中心并垂直于被测试样底面的直线，另一条为发射声波传播线，发射声波传播线为发射阵元晶片中心与被测试样底面反射点的连线，底面反射点是发射阵元晶片中心和接收阵元晶片中心连线的垂直平分线与底面的交点；定义声波最短传播路径S由发射声波传播线和接收声波传播线组成，接收声波传播线为被测试样底面反射点与接收阵元晶片中心的连线；

4.1、按照下式计算从端头起的第1个阵元晶片发射的声波最短路径传播角度数据组θ_n：

θ_n＝tan^-1[(n-1)p/(2H)]……………………………………………………[2]

式中：

n是接收阵元晶片的序号，n＝1,2,…,N-M+1；

p是相控阵超声线阵探头的阵元晶片间距；

H是被测试样厚度；

声波最短路径传播角度数据组θ_n中的数据项分别与底波传播时间平均值数据组中序号相同的数据项对应；

4.2、按照下式计算从端头起的第1个阵元晶片发射的声波最短传播路径数据组S_n：

S_n＝sqrt[((n-1)p)²+4H²]…………………………………………………[3]

声波最短传播路径数据组S_n中的数据项分别与底波传播时间平均值数据组中序号相同的数据项对应；

由于相控阵超声线阵探头的阵元晶片间距相等，则从端头起第2个阵元晶片发射、第2至N-M+2个阵元晶片接收时，其声波最短路径传播角度数据组和声波最短传播路径数据组中的数据项与第1个阵元晶片发射、第1至N-M+1个阵元晶片接收时是对应相同的；同理，从端头起第M个阵元晶片发射、第M至N个阵元晶片接收时，也具有对应相同的声波最短路径传播角度和声波最短传播路径；因此，只需计算出第1个阵元晶片发射的声波最短路径传播角度数据组θ_n和声波最短传播路径数据组S_n；

5、计算各声波最短路径传播角度下所对应的纵波声速数据组v_n：将声波最短传播路径数据组S_n中的数据项与底波传播时间平均值数据组中序号对应数据项做相除运算，得到各声波最短路径传播角度下所对应的纵波声速数据组v_n；

6、构造纵波传播速度V与声波传播角度Θ的解析函数：利用上述步骤中所获得的纵波声速数据组v_n和声波最短路径传播角度数据组θ_n中的对应数据项，采用最小二乘曲线拟合方法，构造纵波传播速度与声波传播角度的至少4阶解析函数，

V＝aΘ⁴+bΘ³+cΘ²+dΘ+e…………………………………………………[4]

式中，V是纵波传播速度；Θ是声波传播角度，0≤Θ<π/2；a、b、c、d、e为解析函数的系数；

将0～π/2之间的任意声波传播角度Θ代入上式中，均可获得该声波传播角度下的纵波传播速度V。

本发明的工作原理是：

1、本发明提出采用相控阵超声线阵探头进行各向异性材料纵波声速的测量，仅采用一个相控阵超声线阵探头贴于被测试样上表面上，通过采集一次超声回波数据进行数据处理即可获得被测试样不同传播角度下的纵波声速，无需采用测角器来多次反复调节入射角，简化了声速测量步骤，缩短了声速测量周期；

2、本发明提出采用相控阵超声线阵探头进行各向异性材料纵波声速的测量，由于所采用的相控阵超声线阵探头的阵元晶片宽度很小，均为毫米级别，则阵元晶片接收超声回波信号的相位延迟很小，从而可获得更加精确的底波传播时间，提高了声速测量精度。

实施例1

本实施例以一种碳纤维增强环氧树脂基复合材料层压板试样为例，来详细描述纵波声速的测量方法，被测试样厚度H＝10mm，测量步骤如下：

1、超声回波数据采集及存储：选择相控阵超声线阵探头，阵元个数N＝32，阵元间距p＝0.6mm，阵元宽度a＝0.5mm；将相控阵超声线阵探头涂抹耦合剂后放置在被测试样的上表面上，在纵波声速测量过程中不移动相控阵超声线阵探头位置；设置相控阵超声探伤仪，使相控阵超声线阵探头中从左端起的第1至3号阵元晶片依次发射超声波，同时，当第1个阵元晶片发射超声波时，采集第1至30号阵元晶片接收到的超声回波信号，作为一个超声回波数据组U₁＝{U₁₁,U₁₂,…,U_1i,…,U_1,30}；同理，当第2个和第3个阵元晶片发射超声波时，采集第2至31号阵元晶片和第3至32号阵元晶片接收到的超声回波信号，作为另外两个超声回波数据组U₂＝{U₂₁,U₂₂,…,U_2i,…,U_2,30}和U₃＝{U₃₁,U₃₂,…,U_3i,…,U_3,30}，并将超声回波数据组U_m(m＝1,2,3)进行存储；

2、获取超声回波信号的底波传播时间数据组：定义底波传播时间t为超声回波信号中始波与底波之间的时间差；依次提取超声回波数据组U_m中每个超声回波信号的底波传播时间，形成3个底波传播时间数据组t₁＝{t₁₁,t₁₂,…,t_1i,…,t_1,30}、t₂＝{t₂₁,t₂₂,…,t_2i,…,t_2,30}和t₃＝{t₃₁,t₃₂,…,t_3i,…,t_3,30}；

3、计算底波传播时间平均值数据组：按照下式对3个底波传播时间数据组t₁,t₂,t₃中序号对应的数据项取平均值，得到底波传播时间平均值数据组

式中，i＝1,2,…,30；所计算的底波传播时间平均值如表1所示；

4、计算声波最短路径传播角度数据组和声波最短传播路径数据组：

4.1、按照下式计算从左端起第1个阵元晶片发射的声波最短路径传播角度数据组θ_n：

θ_n＝tan^-1[(n-1)p/(2H)]……………………………………………………[2]式中，n是接收阵元晶片的序号，n＝1,2,…,30；p是阵元晶片间距，p＝0.6mm；H是被测试样厚度，H＝10mm；

声波最短路径传播角度数据组θ_n中的数据项分别与底波传播时间平均值数据组中序号相同的数据项对应，声波最短路径传播角度的计算结果如表1所示；

4.2、按照下式计算从左端起第1个阵元晶片发射的声波最短传播路径数据组S_n：

S_n＝sqrt[((n-1)p)²+4H²]…………………………………………………[3]

声波最短传播路径数据组S_n中的数据项分别与底波传播时间平均值数据组中序号相同的数据项对应，声波最短传播路径的计算结果如表1；

5、计算各声波最短路径传播角度下所对应的纵波声速数据组v_n：将声波最短传播路径数据组S_n中的数据项与底波传播时间平均值数据组中序号对应数据项做相除运算，得到各声波最短路径传播角度下所对应的纵波声速数据组v_n，如表1中纵波声速所示；

6、构造纵波传播速度V与声波传播角度Θ的解析函数：利用表1中所获得的纵波声速数据组v_n和声波最短路径传播角度数据组θ_n中的对应数据项，采用最小二乘曲线拟合方法，构造纵波传播速度与声波传播角度的4阶解析函数：

V＝546.3Θ⁴+112.4Θ³+507.9Θ²-18.2Θ+2944.2……………………[4]式中，0≤Θ<π/2；将0～π/2之间的任意声波传播角度Θ代入上式中，均可获得该声波传播角度下的纵波传播速度V。

表1

Claims (1)

1.一种各向异性材料纵波声速的测量方法，由各向异性材料制成的被测试样具有长方体外形，在被测试样内部不存在缺陷，其特征在于，采用相控阵超声线阵探头进行各向异性材料纵波声速的测量，测量的步骤如下：

1.1、超声回波数据采集及存储：将包含N个阵元晶片的相控阵超声线阵探头放置在被测试样的上表面上，N不小于16，在纵波声速测量过程中不移动相控阵超声线阵探头位置；设置相控阵超声探伤仪，使相控阵超声线阵探头中从端头起的至少连续M个阵元晶片依次发射超声波，M不小于3且不大于N/4，同时，每个发射阵元晶片发射超声波时，采集相控阵超声线阵探头中从发射阵元晶片起的连续N-M+1个阵元晶片接收到的超声回波信号，作为一个超声回波数据组U_m＝{U_m1,U_m2,…,U_mi,…,U_m(N-M+1)}，m为超声回波数据组的序号，m＝1,2,…,M，并将超声回波数据组U_m进行存储；

1.2、获取超声回波信号的底波传播时间数据组：定义底波传播时间t为超声回波信号中始波与底波之间的时间差；依次提取超声回波数据组U_m中每个超声回波信号的底波传播时间，形成底波传播时间数据组t_m＝{t_m1,t_m2,…,t_mi,…,t_m(N-M+1)}；

1.3、计算底波传播时间平均值数据组：按照下式对M个底波传播时间数据组中序号对应的数据项取平均值，得到底波传播时间平均值数据组

${\stackrel{\&OverBar;}{t}}_i=\underset{m=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}\frac{t_{mi}}{M}\mathrm{...}\&lsqb;1\&rsqb;$

式中，i＝1,2,…,N-M+1；

1.4、计算声波最短路径传播角度数据组和声波最短传播路径数据组：定义声波最短路径传播角度θ为两条直线的夹角，一条为过发射阵元晶片中心并垂直于被测试样底面的直线，另一条为发射声波传播线，发射声波传播线为发射阵元晶片中心与被测试样底面反射点的连线，底面反射点是发射阵元晶片中心和接收阵元晶片中心连线的垂直平分线与底面的交点；定义声波最短传播路径S由发射声波传播线和接收声波传播线组成，接收声波传播线为被测试样底面反射点与接收阵元晶片中心的连线；

1.4.1、按照下式计算从端头起的第1个阵元晶片发射的声波最短路径传播角度数据组θ_n：

θ_n＝tan^-1[(n-1)p/(2H)]……………………………………………………[2]

式中：

n是接收阵元晶片的序号，n＝1,2,…,N-M+1；

p是相控阵超声线阵探头的阵元晶片间距；

H是被测试样厚度；

声波最短路径传播角度数据组θ_n中的数据项分别与底波传播时间平均值数据组中序号相同的数据项对应；

1.4.2、按照下式计算从端头起的第1个阵元晶片发射的声波最短传播路径数据组S_n：

$S_n=\sqrt{\&lsqb;{\left(\right(n-1\left)p\right)}^2+4H^2\&rsqb;}\mathrm{...}\&lsqb;3\&rsqb;$

n是接收阵元晶片的序号，n＝1,2,…,N-M+1；

声波最短传播路径数据组S_n中的数据项分别与底波传播时间平均值数据组中序号相同的数据项对应；

1.5、计算各声波最短路径传播角度下所对应的纵波声速数据组v_n：将声波最短传播路径数据组S_n中的数据项与底波传播时间平均值数据组中序号对应数据项做相除运算，得到各声波最短路径传播角度下所对应的纵波声速数据组v_n；

1.6、构造纵波传播速度V与声波传播角度Θ的解析函数：利用上述步骤中所获得的纵波声速数据组v_n和声波最短路径传播角度数据组θ_n中的对应数据项，采用最小二乘曲线拟合方法，构造纵波传播速度与声波传播角度的至少4阶解析函数：

V＝aΘ⁴+bΘ³+cΘ²+dΘ+e…………………………………………………[4]

式中，V是纵波传播速度；Θ是声波传播角度，0≤Θ<π/2；a、b、c、d、e为解析函数的系数。