CN108226304A - 一种基于测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法 - Google Patents

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温欣
段晓敏
齐天之
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Abstract

本发明提供一种基于测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法。本发明将超声相控阵的合成声场作为整体来处理，在准平面波和小缺陷体测量的前提下，分别建立相控阵系统测量模型和试块模型，计算得到横通孔缺陷位置的声辐射强度，并求解横通孔缺陷的频域回波电压信号，从而完成声场距离幅度曲线DAC的绘制。本发明可定量分析超声相控阵检测系统的聚焦性能和检测灵敏度变化规律，通过分别调整试块模型中的横通孔缺陷大小、相控阵聚焦深度和相控阵聚焦偏转角度，绘制不同聚焦声场距离幅度曲线。

Description

一种基于测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法
技术领域
本发明涉及超声相控阵无损检测领域，具体的，涉及一种超声相控阵线扫描灵敏度计算方法。
背景技术
超声相控阵技术近年来逐渐被应用到工业无损检测领域，相控阵技术的优势在于可以实现声束的偏转、聚焦和电子扫描，进而有效地提高了检测灵敏度和检测效率。
然而，新技术也产生一些新的问题，对于传统的单晶换能器(包括直探头、斜探头和聚焦探头等)检测系统，其向媒质中辐射固定指向角度和形状的声束，因而主要考虑声束轴线方向的声压变化对系统灵敏度影响，通常使用距离波幅曲线来补偿不同深度横通孔缺陷回波幅度的变化。但是对于多通道超声相控阵检测系统，由于它在各种时间延迟激励下，可以辐射出不同角度偏转和不同深度聚焦的声束，这些声束在媒质中不同位置聚焦时，其焦点处声强会随着不同偏转角度和不同聚焦深度而发生变化，即超声换能器辐射声场的能量分布具有不均匀性，这造成同样尺寸的横通孔缺陷位于声场中不同位置时，横通孔缺陷回波幅度会出现差异，因此需要对声束轴线距离幅度灵敏度进行校准和补偿。
由相控阵检测系统原理可知，相控阵检测系统的灵敏度会受到不同指向角度和形状声束的影响，非常复杂，因此传统检测灵敏度测定技术是采用实验方法来制作距离波幅曲线(DAC)。这种方法费时费力，这就为横通孔缺陷的准确定量评价带来严重困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法。本发明通过建立相控阵系统测量模型，并利用该模型来定量分析超声相控阵检测系统的聚焦性能和检测灵敏度变化规律，提出一种新的针对测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤S01：根据探头的晶片尺寸、晶片排列位置、数量、中心距离、中心频率建立超声相控阵探头模型；
步骤S02：根据试块的材料性质、试块形状和横通孔缺陷大小、位置深度建立工件模型；
步骤S03：计算超声相控阵探头线扫描的声场辐射情况，然后，根据工件模型的横通孔缺陷位置，模拟出该横通孔缺陷位置的声辐射强度，再根据该横通孔缺陷位置的声辐射强度求解横通孔缺陷的频域回波电压信号，横通孔缺陷的频域回波电压信号的计算公式为
其中，VR(ω)表示频域回波电压信号，β(ω)为系统影响因子，表示发射和接收传感器辐射到横通孔缺陷体表面的质点速度场，A3D(ω)/L为长度L的横通孔远场散射幅度，ω表示角频率，kp表示介质纵波波速，ST表示超声相控阵探头的表面面积；
步骤S04：指定一声束轴向方向，并沿该声束轴向方向调整步骤S02中所述的试块模型中的横通孔缺陷位置，计算沿声束轴向方向上不同距离的横通孔缺陷的频域回波电压信号的峰峰值，绘制指定声束轴线上的距离幅度曲线；
步骤S05：调整步骤S02中所述试块模型中的横通孔缺陷大小，或调整相控阵聚焦深度，或调整相控阵聚焦偏转角度，绘制一系列距离幅度曲线。
进一步地，所述步骤S03中计算超声相控阵探头的声场辐射情况的方法包括以下步骤
步骤S31：使用瑞利-索末菲衍射积分计算超声相控阵探头中单个阵元的声场为
其中，k＝2πf/c1，f为频率，c1为试块材料中的声速，rm为积分面元ds到场点之间的矢径，ν0为换能器表面质点的振动速度；
步骤S32：整个探头的声场varray用以下公式表示
其中N为探头中阵元的数量，n为阵元编号，τn为该阵元的延迟时间，ω为角频率。
进一步地，所述步骤S03中根据横通孔缺陷位置的声辐射强度求解横通孔缺陷的频域回波电压信号时采用的求解方法为分离变量法。
从上述技术方案可以看出，本发明发展了一种基于超声模型的距离幅度曲线计算方法，通过理论模型预测频域回波电压信号，提取横通孔缺陷频域回波电压信号的峰峰值，绘制出DAC曲线。因此，本发明具有减少实验消耗、可快速准确地定量评价横通孔缺陷的显著特点。
附图说明
图1为超声相控阵偏转聚焦线扫描测量横通孔缺陷示意图；
图2为频域回波电压信号的模型预测与实验测量对比图；
图3为垂直聚焦声束(焦距20mm)的DAC曲线图；
图4为垂直聚焦声束(焦距30mm)的DAC曲线图；
图5为偏转聚焦声束(偏转角15°焦距20mm)的DAC曲线图；
图6为偏转聚焦声束(偏转角30°焦距20mm)的DAC曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
请参看图1-2。图1为超声相控阵偏转聚焦线扫描测量横通孔缺陷示意图，图2为频域回波电压信号的模型预测与实验测量对比图。
相控阵线阵探头1放置于低碳钢试块3上表面，相控阵线阵探头由64个阵元构成，图中仅示意标记一些阵元5，通过控制一组阵元延时激励出偏转聚焦超声波声束2，聚焦于横通孔4，横通孔4的散射信号再被同一组阵元接收，可得到缺陷回波信号，计算回波信号波峰与波谷幅度差值可得到峰峰值，信号信息的峰峰值为距离幅度曲线中对应点的纵坐标，如图2中实线所示。
在实验测量过程中，需要调整超声相控阵偏转聚焦的焦距和偏转角度，并调整试块横通孔缺陷的位置深度和大小，费时费力，为横通孔缺陷的准确定量评价带来严重困难。
根据目前的超声测量理论，在准平面波和小横通孔缺陷体测量的条件下，脉冲回波测量横通孔缺陷的回波电压信号存在解析的结果。但是对于相控阵换能器，每个阵元的尺寸较小，因而每个阵元辐射的声场近似于球面波，难以满足准平面波假设条件。这样，如果单独地处理每个阵元的发射和接收，就不能直接应用一般的超声测量模型。但是，如果将一定时序延迟激励下所获得的合成声场作为一个整体来处理，这个叠加后的声场能量主要集中在偏转轴线附近，并且具有很好的准直性，因此可以表达为准平面波的形式。
为此，本发明公开一种基于测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法，包括以下步骤
步骤S01：根据探头的晶片尺寸、晶片排列位置、数量、中心距离、中心频率建立超声相控阵探头模型。
对于传统的单晶换能器，由于指向角固定不变，因而检测系统的灵敏度主要随着缺陷体埋藏深度不同而发生变化。而对于相控阵系统，其检测灵敏度不但受到深度变化影响，还会受到声束偏转和聚焦的影响，比起单晶换能器要更加复杂，根据超声相控阵仪器的晶片尺寸、晶片排列位置、数量、中心距离、中心频率建立完整的可用于计算超声相控阵线扫描灵敏度的超声相控阵探头模型。
步骤S02：根据试块的材料性质、试块形状和横通孔缺陷大小、位置深度建立工件模型。
试块的材质为不锈钢试块，内含标准横通孔缺陷体，横通孔缺陷的大小和位置深度已知，与超声相控阵的接收到的频域回波电压信号的峰峰值联合，可确定DAC曲线。
步骤S03：计算超声相控阵探头线扫描的声场辐射情况，然后，根据工件模型的横通孔缺陷位置，模拟出该横通孔缺陷位置的声辐射强度，再根据该横通孔缺陷位置的声辐射强度求解横通孔缺陷的频域回波电压信号，横通孔缺陷的频域回波电压信号的计算公式为
其中，VR(ω)表示频域回波电压信号，β(ω)为系统影响因子，表示发射和接收传感器辐射到时横通孔缺陷体表面的质点速度场，A3D(ω)/L为长度L的横通孔远场散射幅度，ω表示角频率，kp表示介质纵波波速，ST表示超声相控阵探头的表面面积。
参看图2，图中虚线为步骤S03中计算得到的频域回波电压信号。具体计算参数为聚焦深度为30mm，焦点处有半径为1.8mm的横通孔缺陷，试块材质为不锈钢。将上述理论方法计算的频域回波电压信号与实验测量结果进行比较，结果表明模型预测与试验测量在横通孔缺陷回波幅度和相位方面都具有较好的一致性。
步骤S04：指定一声束轴向方向，并沿该声束轴向方向调整步骤S02中所述的试块模型中的横通孔缺陷位置，计算沿声束轴向方向上不同距离的横通孔缺陷的回波电压信号的峰峰值，绘制指定声束轴线上距离幅度曲线；
指定一声束轴向方向，并沿着该声束轴线方向等间隔改变试块横通孔缺陷位置参数，计算不同试块横通孔缺陷位置的频域回波电压信号峰峰值，获得声束轴线灵敏度变化规律，进而绘制声束轴线距离幅度曲线。如图3中实心点划线代表了1mm横通孔缺陷沿着声束轴线的距离幅度曲线。
步骤S05：调整步骤S02中所述试块模型中的横通孔缺陷大小，或调整相控阵聚焦深度，或调整相控阵聚焦偏转角度，绘制一系列距离幅度曲线。
通过调整试块模型中的横通孔缺陷大小，绘制不同横通孔缺陷尺寸的距离幅度曲线，如图3-6所示，分别绘制了0.5mm、1mm、2mm和3mm横通孔缺陷的距离幅度曲线。
通过调整聚焦声束的焦距和聚焦偏转角度，可以绘制不同聚焦声场的距离幅度曲线，如图3-6所示，图3为上述四种不同尺寸横通孔缺陷的焦距为20mm的垂直聚焦声束的DAC曲线，图4为上述四种不同尺寸横通孔缺陷的焦距为30mm的垂直聚焦声束的DAC曲线，图5为上述四种不同尺寸横通孔缺陷的焦距为20mm的15°偏转角聚焦声束的DAC曲线，图6为上述四种不同尺寸横通孔缺陷的焦距为20mm的30°偏转角聚焦声束的DAC曲线。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：根据探头的晶片尺寸、晶片排列位置、数量、中心距离、中心频率建立超声相控阵探头模型；
步骤S02：根据试块的材料性质、试块形状和横通孔缺陷大小、位置深度建立工件模型；
步骤S03：计算超声相控阵探头线扫描的声场辐射情况，然后，根据工件模型的横通孔缺陷位置，模拟出该横通孔缺陷位置的声辐射强度，再根据该横通孔缺陷位置的声辐射强度求解横通孔缺陷的频域回波电压信号，横通孔缺陷的频域回波电压信号的计算公式为
其中，VR(ω)表示频域回波电压信号，β(ω)为系统影响因子，表示发射和接收传感器辐射到横通孔缺陷体表面的质点速度场，A3D(ω)/L为长度L的横通孔远场散射幅度，ω表示角频率，kp表示介质纵波波速，ST表示超声相控阵探头的表面面积；
步骤S04：指定一声束轴向方向，并沿该声束轴向方向调整步骤S02中所述的试块模型中的横通孔缺陷位置，计算沿声束轴向方向上不同距离的横通孔缺陷的频域回波电压信号的峰峰值，绘制指定声束轴线上的距离幅度曲线；
步骤S05：调整步骤S02中所述试块模型中的横通孔缺陷大小，或调整相控阵聚焦深度，或调整相控阵聚焦偏转角度，绘制一系列距离幅度曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法，其特征在于，所述步骤S03中计算超声相控阵探头的声场辐射情况的方法包括以下步骤：
步骤S31：使用瑞利-索末菲衍射积分计算超声相控阵探头中单个阵元的声场为
其中，k＝2πf/c1，f为频率，c1为试块材料中的声速，rm为积分面元ds到场点之间的矢径，ν0为换能器表面质点的振动速度；
步骤S32：整个探头的声场varray用以下公式表示
其中N为探头中阵元的数量，n为阵元编号，τn为该阵元的延迟时间，ω为角频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于测量模型的超声相控阵线扫描灵敏度计算方法，其特征在于，所述步骤S03中根据横通孔缺陷位置的声辐射强度求解横通孔缺陷的频域回波电压信号时采用的求解方法为分离变量法。
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