CN108490079B - 一种基于超声换能器的波束成形方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超声换能器的波束成形方法，本发明涉及基于超声换能器的波束成形方法。本发明的目的是为了解决现有导波换能器无法产生沿某一特定方向传播超声导波，导致通过信号定位损伤检测难度大的问题。具体过程为：一、根据被检测结构的材料特征和几何特征，得到被检测结构中传播的超声导波的频散曲线；所述材料特征为材料密度和拉梅常数；所述几何特征为结构的厚度；二、根据频散曲线计算激发频率下的导波波长λ；三、将两个超声换能器以中心间距为λ/2放置，对两个超声换能器分别施加同幅值，反相位的激励信号，得到沿两个超声换能器中心连线所在直线的正负方向的两个方向性波束。本发明属于基于超声波方法的结构无损检测领域。

Description

一种基于超声换能器的波束成形方法

技术领域

本发明涉及基于超声换能器的波束成形方法。

背景技术

超声导波是一种可在薄板、管道、杆件等具有有限边界的结构构件内传播的超声波。相比传统的超声波，超声导波可以在上述结构中长距离大范围传播，在遇到结构微小缺陷或损伤时，除了继续传播的部分之外，还会在缺陷处发生波的散射或反射，对上述各种来源波的特征进行分析可以识别出结构的微小缺陷或损伤，进一步的分析可以对缺陷进行定位、定量甚至对其进行成像。基于超声导波的结构损伤识别方法对结构局部微小缺陷敏感，相对传统超声无损检测，可以检测更大范围和距离，是目前得到广泛关注、研究和应用的结构无损检测方法之一。

与常规的超声波相比，超声导波具有更复杂的传播模式，在不同结构中传播模式有所不同，如板中的导波分为对称模态和反对称模态，各自从零阶开始，理论上都有无限阶数；而管中沿轴向传播的导波分为轴对称的纵向模态、轴对称的扭转模态和非轴对称的弯曲模态，沿周向传播的导波又有相应的分类。通常情况下，在一个频率上可以激发出多个模态的导波。上述模态的导波在实际结构中传播、反射等过程中又呈现出更复杂的行为，如传播时大部分导波模态因其频散效应会导致波形发生不同程度的改变；在遇到边界时导波会因模态转换产生更多其他模态的波形；在长距离传播时会产生衰减，减小信噪比等。上述因素都增加了传感器接收到导波信号的复杂性，也增加了基于导波方法的结构损伤检测的难度。

在结构中传播的超声导波通过换能器激发，常见的换能器包括压电类换能器、空气耦合换能器、激光超声换能器、磁致伸缩换能器和电磁超声换能器等。上述绝大部分换能器激发出的导波在各传播方向具有相同的传播特征，一般称为全向超声导波换能器。当全向导波在结构中传播遇到结构边界或者损伤时会发生反射，导波检测正是通过接收到的波形信号中各个波包与相应的损伤以及结构边界之间的对应关系来判断损伤位置。全向导波在传播时不可避免地遭遇上述导波传播过程中的复杂现象，如在边界的反射、模态转换、叠加等，尤其是在结构几何特征复杂的情况下，就会增加反射边界，导致接收到大量的反射回波和模态转换并相互叠加，从而无法很好地解释各波包与损伤的具体对应关系，也即无法通过信号定位损伤。为了减少导波在结构中传播的复杂性，大量研究人员提出了各种方法，如在板中激发无频散效应的零阶水平剪切波(SH₀)，在管中激发扭转波，这两种模态的波在长距离传播时波形不会发生改变，在边界不会发生模态转换。也可以通过相控阵原理对导波进行偏转和聚焦，对特定点进行扫描成像，可增加信噪比，避免了对原始波形解释的困难。另外也可通过导波调频方法在特定频率点激发单一模态导波，在一定程度上也可减少导波传播过程中导致的复杂性，但现有导波换能器无法产生沿某一特定方向传播超声导波，导致通过信号定位损伤检测难度大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有导波换能器无法产生沿某一特定方向传播超声导波，导致通过信号定位损伤检测难度大的问题，而提出一种基于超声换能器的波束成形方法。

一种基于超声换能器的波束成形方法具体过程为：

步骤一、根据被检测结构的材料特征和几何特征，得到被检测结构中传播的超声导波的频散曲线；

所述被检测结构的材料特征为被检测结构的材料密度和拉梅常数；

所述几何特征为被检测结构的厚度等；

所述频散曲线为被检测结构中传播的导波频率f和导波相速度c_p之间的关系曲线；

步骤二、根据频散曲线计算激发频率下的导波波长λ；

导波的波速随频率不同而不同，从而导波的波长也会随激励频率的变化而变化；

步骤三、将两个超声换能器以中心间距为λ/2放置，对两个超声换能器分别施加同幅值，反相位的激励信号，得到沿两个超声换能器中心连线所在直线的正负方向的两个方向性波束。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种基于超声换能器的波束成形方法，该阵列由两个全向超声换能器组成，换能器的间距与导波波长相关，通过在两个超声换能器上施加大小相等极性相反的激励电压，可以在特定方向上增强导波幅值，同时极大抑制其他方向的导波幅值，形成空间上的窄带波束，将波动能量对准特定方向，导波换能器沿特定方向传播超声导波，从而减小在非检测边界，即其他方向上的反射和模态转换，减小传感器接收到导波信号的复杂性，很好地解释各波包与损伤的具体对应关系，通过信号定位损伤，同时也增加信噪比和传播距离，大大降低基于导波方法的结构损伤检测难度，也为进一步发展其他基于导波的检测方法提供了一种全新的波源。

见图7为本发明一种基于全向超声导波换能器的波束成形方法，传感器收到导波信号与未损伤位置的参考信号相减之后得到的信号为由裂缝反射产生，图中第一组波包为传感器直接接收到的信号，后两组波包均为裂缝反射产生，作为对比，图8为普通全向超声导波换能器激励与接收到的信号，可见由于波的反射、模态转换等因素影响，从传感器接收到的信号中很难清晰分辨出裂缝产生的反射波。

当两个换能器中心间距为λ/2时，在两个换能器中心连线方向上，信号幅值为单一换能器幅值的2倍，而在垂直于两个换能器中心连线方向上，信号幅值为0。

附图说明

图1为本发明提出的基于全向超声导波换能器的波束成形阵列示意图；

图2为换能器间距与波长比为1/2时波束成形阵列的方向图；

图3为本发明用于薄铝板的实施方式示意图；

图4为本发明作为基本单元组成的线性阵列；

图5为图4所示阵列所激发导波方向图；

图6为本发明作为基本单元组成的线性阵列布设于正交异性钢桥面板U型肋上的示意图，该图显示为U型肋侧面；

图7为在实际正交异性钢桥面板U型肋上进行本发明方向性波束激发后由传感器接收到的超声导波信号示意图，三个虚线圈代表三组波包；

图8为在实际正交异性钢桥面板U型肋上进行普通全向导波激发后由传感器接收到的超声导波信号示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种基于超声换能器的波束成形方法具体过程为：

步骤一、根据被检测结构的材料特征和几何特征，得到被检测结构中传播的超声导波的频散曲线；

所述被检测结构的材料特征为被检测结构的材料密度和拉梅常数；

所述几何特征为被检测结构的厚度等；

所述频散曲线为被检测结构中传播的导波频率f和导波相速度c_p之间的关系曲线；

步骤二、根据频散曲线计算激发频率下的导波波长λ；

导波的波速随频率不同而不同，从而导波的波长也会随激励频率的变化而变化；

步骤三、将两个超声换能器以中心间距为λ/2放置，对两个超声换能器分别施加同幅值，反相位的激励信号，得到沿两个超声换能器中心连线所在直线的正负方向的两个方向性波束。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中根据被检测结构的材料特征和几何特征，得到在被检测结构中传播的超声导波的频散曲线；

所述被检测结构的材料特征为被检测结构的材料密度和拉梅常数；

所述几何特征为被检测结构的厚度等；

所述频散曲线为在被检测结构中传播的导波频率f和导波相速度c_p之间的关系曲线；

具体过程为：

通过将被检测结构的材料特征和几何特征代入频散方程求得频散曲线，频散方程的形式如下：

其中，

式中，k为波数，d为被检测测结构的厚度，c_L和c_T分别为被检测测结构材料中的纵波波速和横波波速，λ、μ为拉梅常数，ρ为被检测测结构的材料密度，q、p为中间变量；式中d、c_L、c_T、λ、μ、ρ、q、p已知；求出ω和k；根据ω求f，根据ω和k求c_p；ω为圆频率；

根据圆频率ω求被检测测结构中的导波频率f：

f＝ω/2π；

根据圆频率ω和波数k求被检测测结构中的导波相速度：

根据导波相速度和导波频率得到被检测结构中传播的超声导波的频散曲线。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中根据频散曲线计算激发频率下的导波波长λ；公式为：

λ＝c_p/f。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中将两个超声换能器以中心间距为λ/2放置，对两个超声换能器分别施加同幅值，反相位的激励信号，得到沿两个换能器中心连线所在直线的正负方向的两个方向性波束；具体过程为：

将两个超声换能器A₁和A₂以间隔距离D并排放置，称之为换能器阵列，见图1。

假设超声换能器A₁激发出单频简谐波，则超声换能器A₁激发出单频简谐波在目标点M的波前表达为：

波前是指波在介质中传播时，某时刻刚刚开始位移的质点构成的面。它代表某时刻波能量到达的空间位置；

式中

为超声换能器A₁与目标点M之间的距离，

为波数，

λ为波长，ω为波的圆频率，t为时间；j为虚数单位，j²＝-1；

同样，假设超声换能器A₂激发出单频简谐波，超声换能器A₂相位与超声换能器A₁正好相反，则超声换能器A₂激发出单频简谐波在目标点M的波前表达为：

式中

为超声换能器A₂与目标点M之间的距离，

为波数，

λ为波长，ω为波的圆频率，t为时间；

考虑点M为远场，两个超声换能器之间的间距远小于超声换能器与点M之间的距离，可得

且θ₁≈θ₂≈θ，进一步推导得到单频简谐波在点M的合成波形：

式中，

为单频简谐波在点M的合成波形，D为超声换能器A₁和A₂的间隔距离，

为两个换能器连线中心与目标点M之间的距离，

为波数，

θ₁为超声换能器A₁和目标点M的连线与A₂到A₁的连线沿y轴正方向所夹的角(以顺时针方向为夹角正方向)，θ₂为超声换能器A₂和目标点M的连线与A₂到A₁的连线沿y轴正方向所夹的角，θ为两个换能器连线中心和目标点M的连线与A₂到A₁的连线沿y轴正方向所夹的角；

根据单频简谐波在点M的合成波形可知两个超声换能器的间距D与所激励导波的波长λ之比确定了阵列的方向图；

在两个换能器上施加大小相等极性相反的激励信号，当D/λ＝1/2时，在两个换能器中心连线方向上得到最大的波叠加幅值，由此，得到沿两个换能器中心连线所在直线的正负方向的两个方向性波束。

上式中2jsin(π·D/λ·cosθ)为换能器阵列的方向图，其具体形状依赖于两个换能器之间的间距和简谐波的波长，即D/λ。可以证明，当D/λ＝1/2时，可以在与两个换能器中心连线方向上得到最大的波叠加幅值，而在其他方向上的波幅被不同程度地抑制，见图2(图中0度方向对应图1中的x向)。此时，波束成形阵列激励所产生的波束只有主瓣，没有旁瓣，且在垂直于换能器中心连线方向上，信号幅值为零。当D/λ<1/2时，随着比值的增大，波束主瓣幅值随之增大，当D/λ>1/2时，主瓣消失，出现旁瓣，使得所激励波束不再具有良好的方向性。

根据上述原理，将本发明用于激发超声导波时应首先根据被检测结构的几何特征计算在其中传播的超声导波的频散曲线，即在该结构中传播的导波频率f和导波相速度c_p之间的关系曲线。激发频率下的导波波长λ可以根据频散曲线计算，即λ＝c_p/f。将两个换能器以中心间距为λ/2放置，对两个换能器分别施加同幅值，反相位的激励信号，这样便可以得到沿两个换能器中心连线所在直线的正负方向的两个方向性波束。

以换能器阵列为基本单元进一步形成其他形式的阵列，如线性阵列等，具有方向性更强或其他的波束成形效果。(线性阵列由若干个换能器以某一间距排成一列构成。把整个基于全向超声导波换能器的波束成形阵列当作一个新的换能器，然后用若干这种阵列个以一定间距排成一列；)

将该阵列应用于平面结构或曲面结构，产生方向性波束。

阵列中的两个超声换能器为全向超声换能器或全向非均匀超声换能器。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述超声换能器为全向超声换能器或全向非均匀超声换能器。

全向是指产生向各个方向传播的导波。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述全向非均匀超声换能器为d₃₆型压电换能器(PMNPT)或全向非均匀的磁致伸缩换能器等。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1

使用压电陶瓷片作为本发明中的全向超声换能器，将其直接固定于被测结构表面，用于方向性导波波束的激发。图3给出了该阵列用于薄铝板的实施方式。首先，根据薄铝板材料和几何参数计算其导波频散曲线，选取所采用的导波模态及中心频率，计算出所采用导波模态的波长λ，然后，用环氧树脂类粘结剂将两个尺寸完全相同的压电陶瓷片沿待检测方向以间距λ/2粘贴于清洁后的铝板表面。待粘结剂完全固化后，使用信号发生器向两个压电陶瓷片分别施加指定幅值和中心频率且相位刚好相反的两个电压信号(如V_pp＝40伏，中心频率为100kHz的五峰值反相窄带波形)，从而在铝板中激励出沿两个换能器中心连线所在直线的正负方向的两个方向性波束。

实施例2

将本发明作为基本单元(以下简称基本单元)形成线性阵列，如图4所示，同样粘贴于被测结构表面，可以激发具有更强的方向性导波波束。基本单元之间的间距为d，且当d<λ，θ＝0时，其方向图如图5所示，可见此线性阵列可激发出方向性更好的超声导波波束。本例中的基本单元仍由压电陶瓷片组成。图6给出了由5组基本单元组成的线性阵列用于实际正交异性钢桥面板裂缝检测的实施方式，该桥面板的横隔板1、横隔板2与U型肋交接处均有一条裂缝。线性阵列间的基本单元间距满足一般线性阵列不产生旁瓣的限制条件即可，本实例中线性阵列基本单元间距取为3λ/4。正交异性钢桥面板中的U型肋具有沿顺桥向长度很长，而两侧边界较复杂的几何特征，因此本发明适用于U型肋的长度方向裂缝检测。将本发明形成的线性阵列牢固粘结于U型肋侧表面后，将该线性阵列的前后两排换能器分别并联接入信号发生器的两个通道，使用信号发生器同时向两个通道分别施加指定幅值和中心频率且相位刚好相反的两个电压信号，便可在U型肋中激励出具有良好方向性和较大幅值的波束，并沿其长度方向传播。

上述线性阵列在某实际正交异性钢桥面板U型肋上激励的30kHz超声导波后，传感器收到导波信号，与未损伤位置的参考信号相减之后得到的信号为由裂缝反射产生，见图7，图中第一组波包为传感器直接接收到的信号，后两组波包均为裂缝反射产生。作为对比，图8为普通全向超声导波换能器激励与接收到的信号，可见由于波的反射、模态转换等因素影响，从传感器接收到的信号中很难清晰分辨出裂缝产生的反射波。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超声换能器的波束成形方法，其特征在于：所述方法具体过程为：

步骤一、根据被检测结构的材料特征和几何特征，得到被检测结构中传播的超声导波的频散曲线；

所述被检测结构的材料特征为被检测结构的材料密度和拉梅常数；

所述几何特征为被检测结构的厚度；

所述频散曲线为被检测结构中传播的导波频率f和导波相速度c_p之间的关系曲线；

步骤二、根据频散曲线计算激发频率下的导波波长λ；

步骤三、将两个超声换能器以中心间距为λ/2放置，对两个超声换能器分别施加同幅值，反相位的激励信号，得到沿两个超声换能器中心连线所在直线的正负方向的两个方向性波束的具体过程为：

将两个超声换能器A₁和A₂以间隔距离D并排放置，称之为换能器阵列；

假设超声换能器A₁激发出单频简谐波，则超声换能器A₁激发出单频简谐波在目标点M的波前表达为：

式中

为超声换能器A₁与目标点M之间的距离，

为波数，

λ为波长，ω为波的圆频率，t为时间；j为虚数单位，j²＝-1；

同样，假设超声换能器A₂激发出单频简谐波，超声换能器A₂相位与超声换能器A₁正好相反，则超声换能器A₂激发出单频简谐波在目标点M的波前表达为：

式中

为超声换能器A₂与目标点M之间的距离，

为波数，

λ为波长，ω为波的圆频率，t为时间；

点M为远场，得

且θ₁≈θ₂≈θ，得到单频简谐波在点M的合成波形：

式中，

为单频简谐波在点M的合成波形，D为超声换能器A₁和A₂的间隔距离，

为两个换能器连线中心与目标点M之间的距离，

为波数，

θ₁为超声换能器A₁和目标点M的连线与A₂到A₁的连线沿y轴正方向所夹的角，θ₂为超声换能器A₂和目标点M的连线与A₂到A₁的连线沿y轴正方向所夹的角，θ为两个换能器连线中心和目标点M的连线与A₂到A₁的连线沿y轴正方向所夹的角；

根据单频简谐波在点M的合成波形可知两个超声换能器的间距D与所激励导波的波长λ之比确定了阵列的方向图；

在两个换能器上施加大小相等极性相反的激励信号，当D/λ＝1/2时，在两个换能器中心连线方向上得到最大的波叠加幅值，由此，得到沿两个换能器中心连线所在直线的正负方向的两个方向性波束。

2.根据权利要求1所述一种基于超声换能器的波束成形方法，其特征在于：所述步骤一中根据被检测结构的材料特征和几何特征，得到在被检测结构中传播的超声导波的频散曲线；具体过程为：

通过将被检测结构的材料特征和几何特征代入频散方程求得频散曲线，频散方程的形式如下：

其中，

式中，k为波数，d为被检测测结构的厚度，c_L和c_T分别为被检测测结构材料中的纵波波速和横波波速，λ、μ为拉梅常数，ρ为被检测测结构的材料密度，q、p为中间变量；ω为圆频率；

根据圆频率ω求被检测测结构中的导波频率f：

f＝ω/2π；

根据圆频率ω和波数k求被检测测结构中的导波相速度：

根据导波相速度和导波频率得到被检测结构中传播的超声导波的频散曲线。

3.根据权利要求1或2所述一种基于超声换能器的波束成形方法，其特征在于：所述步骤二中根据频散曲线计算激发频率下的导波波长λ；公式为：

λ＝c_p/f。

4.根据权利要求1所述一种基于超声换能器的波束成形方法，其特征在于：所述超声换能器为全向超声换能器或全向非均匀超声换能器。

5.根据权利要求4所述一种基于超声换能器的波束成形方法，其特征在于：所述全向非均匀超声换能器为d₃₆型压电换能器或全向非均匀的磁致伸缩换能器。

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