CN108535362A - 非经典非线性超声相控阵无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
非经典非线性超声相控阵无损检测方法，利用非线性超声相控阵聚焦声场的特性，通过相位调控，灵活的将焦点聚焦到样品的不同位置；利用相控阵来接收信号，通过对接收信号的进行滤波处理，将滤出的高次谐波信号进行时间反转成像；通过提取高次谐波进行时间反转成像；通过图像比较可以看出：当存在一个缺陷时，聚焦点聚焦在缺陷位置时，通过提取谐波信号进行时间反转成像，时间反转成像的结果可以反映缺陷的位置；当存在两个缺陷时，将焦点分别聚焦在不同缺陷处，提取谐波信号进行时间反转成像，然后将获得的图像进行合成，也可以得到反映两个缺陷位置的成像效果。
Description
一、技术领域
本发明涉及利用超声相控阵技术，实现缺陷的非经典非线性超声成像的方法。
二、背景技术
相控阵无损检测技术由于检测手段灵活多样、适用性强，自问世以来一直受到研究人员的持续关注，在传统产业机械制造业和现代工业检测领域中都有广泛的应用。然而，现有的常规相控阵无损检测方法主要是利用声波线性特性，通过研究声学的各种物理参量，例如声速、声衰减在固体材料中传播的变化，可以得到材料的力学特性以及结构方面的信息。但是，对于材料内部的缺陷或微裂纹，传统的相控阵检测技术则难以检测，而这种微裂纹的漏检往往会导致安全隐患甚至造成严重的后果，例如航天器与飞机的故障及失事。
与之相对地，非经典非线性声学检测技术却可以很好地识别固体材料或构件早期性能的退化。一般而言，固体材料内的微小裂纹或缺陷总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为，从而引起超声波传播的非线性，即高频谐波的产生。相对于基频来说，高次谐波参量对材料微孔和微裂纹等缺陷更为敏感。因此，通过测量材料的非线性，可以检测及评价材料的微孔和微裂纹，也就是所谓的非线性声学检测。
近年来，应用非经典非线性声学对金属、混凝土等介观弹性材料或具有微不均匀性的材料进行检测的理论和技术已经成为无损检测研究的一个关键发展方向，在金属疲劳损伤探测、桥梁建设、油/气输送管道渗漏监控等国家重点扶持和发展的前沿科技领域都具有广泛的前景，进一步促进该技术的发展，对提高检测的定性及定量分析结果具有积极意义和重要的参考价值，对铁路交通、航空航天等社会生活和军事领域的发展也具有重要的促进作用。
三、发明内容
本发明的目的：采用超声相控阵技术，实现缺陷的非经典非线性无损检测并进行超声成像。
本发明的技术方案：非线性超声相控阵即非经典非线性超声相控阵无损检测方法，非经典非线性超声相控阵通过关注缺陷的非经典非线性对超声接收信号响应的影响，来实现对微小缺陷的检测。利用非线性超声相控阵聚焦声场的特性，通过相位调控，灵活的将焦点聚焦到样品的不同位置；利用相控阵来接收信号，通过对接收信号的进行滤波处理，将滤出的高次谐波信号进行时间反转成像；通过提取高次谐波进行时间反转成像；通过图像比较可以看出：当存在一个缺陷时，聚焦点聚焦在缺陷位置时，通过提取谐波信号进行时间反转成像，时间反转成像的结果可以反映缺陷的位置；当存在两个缺陷时，将焦点分别聚焦在不同缺陷处，提取谐波信号进行时间反转成像，然后将获得的图像进行合成，也可以得到反映两个缺陷位置的成像效果。
声源为相控阵声源，发射换能器阵列与接收换能器阵列的长度覆盖样品的左、右侧区域宽度，接收换能器阵列在样品的另一侧均与样品接触；
声波在均匀弹性介质中的二维传播可以用Cauchy方程表示为
其中，ρ为材料密度，vx、vy为质点速度在x、y方向上的分量，σxx、σyy、σxy为质点应力分量，Fx、Fy为质点在x、y方向上所受的外力。
本构方程为
其中，εxx、εyy、εxy为应变分量，K1、K2、μ为固体材料弹性模量；
采用动态弹性有限积分法(Elastodynamic Finite Integration Technique，EFIT)对式(1)和式(2)的波动方程进行离散，将固体材料划分为二维网格单元，在每个单元的中心计算应力分量σxx、σyy，在单元边界上计算速度分量vx、vy，在四个角点上计算σxy；
忽略外力，在离散单元上可以得到关于速度的递推方程如下
关于应力的递推方程为
其中Δ为正方形网格，即Δ＝Δx＝Δy；
声波在粘弹性固体材料中传播的过程中，振幅会产生衰减；在计算中，采用简化模型来描述这种衰减造成的影响，在应力和应变每次计算更新后，乘以一衰减因子α，即
α＝exp(-πfΔt/(2Q)) (5)
其中，f为声源频率，Δt为离散时间步长，Q为材料品质因数；
根据图3所述的Preisach-Mayergoyz(PM)模型基本迟滞单元的开闭模式，当孔压增大时每个迟滞单元发生的应变εM表示为
缺陷区域中应力－应变的非线性迟滞关系正是通过这些基本迟滞单元的加权叠加得到。定义f(Po,Pc)为PM空间的密度分布函数，所有迟滞单元的应变εH表示为
其中O2为PM空间内迟滞单元的Po值；当所有迟滞单元均处于开放状态时，通过式(7)中第一个二重积分项对体模量的逆进行修正；当所有迟滞单元均处于关闭状态时，通过式(7)中第二个二重积分项对体模量的逆进行修正；而等式右边的第一个积分项则是对当孔压P下所有处于开放状态的迟滞单元体模量的逆的修正项；
类似的，当孔压减小时也能求得每个迟滞单元发生的应变，并推导出关于所有迟滞单元的应变εH的方程如下
其中C2为PM空间内迟滞单元的Pc值；在计算过程中，首先根据式(7)和式(8)建立缺陷区域中应力－应变的非线性关系并求得体模量，再结合波动方程的离散方法求得含有基波和高次谐波成分的数值解；
当聚焦中心在缺陷位置时,成像中的缺陷位置与实际的缺陷的位置基本一致。当聚焦位置不在缺陷处时，由于在缺陷处产生的声压较小，缺陷由于非经典非线性产生的谐波就很小；因此通知相控阵的聚焦点扫描获取不同的图像从而确定缺陷的位置。当聚焦点分别聚焦在不同的缺陷位置时进行成像，然后将图像进行合成，也可以反映出两个缺陷的位置。图像的合成就是把两张超声图合并在一张图上。
典型的超声频率700KHz,通过控制相控阵振源的相位来控制聚焦点的位置。
根据互易性原理，在线性弹性材料中，对于A、B两个换能器，换能器B从发射换能器A接收到的信号，与信号源在B换能器处时A换能器所接收到的信号相同。时间反转法正是基于声波方程的这种时间反转不变性，其主要过程如下：首先向不均匀介质(即含有缺陷的固体材料样本)发射一个声信号；声信号在介质内遇到待测目标(即缺陷)后，目标对声波进行散射并产生在介质内传播的散射信号；用接收阵列对该散射信号进行接收；将接收到的信号进行时间反转后，再传输回介质内，最终信号将重新聚焦于目标，从而实现了对缺陷的定位。以上时间反转法是基于声波的线性传播情况，当应用于非线性的谐波聚焦特性分析时，当介质整体保持线性弹性，而非线性效应较小或高度局域化时，可以不破坏时间反转的不变性，时间反转法的聚焦仍然有效。
本发明的有益效果，与现有技术相比具有如下的特点：利用缺陷的非经典非线性效应来对实现对缺陷的检测；利用时间反转方法来消除媒质的衰减对声波传播的影响；利用超声相控阵可以灵活聚焦点，通过聚集点的移动得到不同的图像，通过图像的对比可以判定缺陷的位置。
四、附图说明
图1EFIT离散单元；
图2样品几何尺寸，中间黑色区域为破损区域；
图3改进PM模型,反映应力(τ)和应变(ε)滞后关系；
图4单个缺陷中心坐标位于(95mm，95mm)，发射和接收相控阵的聚焦中心坐标(95mm，95mm)的成像结果；
图5单个缺陷中心坐标位于(95mm，95mm)，发射和接收相控阵的聚焦中心坐标(95mm,55mm)的成像结果；
图6是两个缺陷中心坐标分别位于(95mm，95mm)和(145mm，95mm)的成像结果，其中，图6(a)为发射和接收相控阵的聚焦中心坐标(95mm，95mm)的成像结果,图6(b)为发射和接收相控阵的聚焦中心坐标(145mm，95mm)的成像结果，图6(c)为图6a和图6b合成成像图。
五、具体实现方案
整个样品本身不考虑非线性，即样品除破损区域外其他区域都是线性弹性。声源为相控阵声源，发射换能器阵列与接收换能器阵列的长度覆盖样品的破损区域宽度，接收换能器阵列在样品的另一侧均与样品接触。当聚焦中心在缺陷位置时整个时间反转成像的步骤由发射相控阵产生聚焦声波，然后又接收相控阵来进行接收，先滤出高次谐波成分，然后对高次谐波成分进行时间反转进行成像，可观测非经典非线性缺陷的成像情况。
在得到接收信号后，滤出其中非线性成分，就可以进行时间反转成像，与无损样品中声波信号频谱比较，可以发现，高次谐波均是由于缺陷的非经典非线性效应产生，因此可以任意滤出一高次谐波成分进行时间反转成像。
含有一个缺陷的粘弹性固体材料的二维几何模型如图1所示。其中，样本尺寸为250×150mm2，声源为相控阵声源，发射换能器阵列与接收换能器阵列的长度覆盖样品的破损区域宽度，左侧5mm-145mm，接收换能器阵列覆盖样品右侧1mm-149mm，其余各边取自由边界条件。当聚焦中心在缺陷位置时，提取接收信号的高次谐波,通过时间反转可以得成像图。超声频率700KHz,通过控制相控阵振源的相位来控制聚焦点。
缺陷为一个尺寸为10mm×10mm的长方形区域，缺陷区域表现出迟滞非线性，而样品的其它区域设为线性。受损区域中心坐标为(95mm,95mm)，采用改进的Preisach-Mayergoyz(PM)模型模拟。改进的PM模型如图3,假设滞后单元初始状态处于打开阶段，应力τ从Po开始增加并小于Pc时，滞后单元表现出线性弹性性质，弹性模量为K1。应力增至Pc时，应变ε产生一阶跃变化，变化值为r2,滞后单元进入关闭状态。应力持续增加，滞后单元继续呈现线性弹性性质。而当滞后单元初始状态是关闭，应力大于Pc并慢慢减小，在减小至Po之前，滞后单元呈现线性弹性性质，减小至Po，滞后单元应变产生一阶跃变化，变化值为r1,滞后单元进入打开状态。继续减小应力，滞后单元呈现线性弹性性质。
K1、K2、μ为固体材料弹性模量，它们与拉密常数(λ,μ)关系如下：K1＝λ+2μ,K2＝λ，Q为材料品质因数。
数值仿真中材料参数取铁的参数：
K1＝1.412×1011Pa,K2＝5.2202×1010Pa,μ＝4.45×1010Pa,Q值取10。对于衰减造成的影响，采用一简化模型，在应力和应变每次计算更新后，乘以一衰减因子α：α＝exp(-πfΔt/(2Q))，式中f为声源频率，Δt为离散时间间隔。采用频率为f的连续波声源对含有裂纹的样本进行激励，并在二维平面内对其施加外力Fx＝Asin(2πft)、Fy＝0，其中A＝1×108，f＝700KHz。在对波动方程的离散过程中，网格边长为0.5mm，时间步长为5×10-8s，采样频率为20MHz，采样数为5000。
本发明用超声相控阵作为声源，利用其声场聚焦的特性，通过改变超声相控阵的聚焦点，对接收到的信号进行滤波、提取高次谐波信号进行时间反转，从而获取缺陷的图像。
当聚焦中心在缺陷位置时，提取接收信号的高次谐波,通过时间反转可以得成像图(图4)。由图4可见，成像中的缺陷位置与实际的缺陷的位置基本一致。当聚焦位置不在缺陷处时，由于在缺陷处产生的声压较小，缺陷由于非经典非线性产生的谐波就很小，成像如图5，几乎看不到任何缺陷部分。因此可以通知相控阵的聚焦点扫描获取不同的图像从而确定缺陷的位置。当聚焦点分别聚焦在不同的缺陷位置时进行成像，然后将图像进行合成，也可以反映出两个缺陷的位置。图6(a)，(b)为两个缺陷，其中心位置分别为(95mm，95mm)和(145mm，95mm)，通过非经典非线性超声相控阵方法得到接收信号，然后提取高次谐波进行时间反转的成像图，由图可以非常清晰的分辨出每个缺陷的位置。图6(c)为图6(a)和图6(b)的合成图，因此当两个缺陷的中心间隔为10mm的时候，我们依然可以清晰的分辨出两个缺陷的位置。
Claims (5)
1.非经典非线性超声相控阵无损检测方法，其特征是利用非线性超声相控阵聚焦声场的特性，通过相位调控，灵活的将焦点聚焦到样品的不同位置；利用相控阵来接收信号，通过对接收信号的进行滤波处理，将滤出的高次谐波信号进行时间反转成像；通过提取高次谐波进行时间反转成像；通过图像比较可以看出：当存在一个缺陷时，聚焦点聚焦在缺陷位置时，通过提取谐波信号进行时间反转成像，时间反转成像的结果可以反映缺陷的位置；当存在两个缺陷时，将焦点分别聚焦在不同缺陷处，提取谐波信号进行时间反转成像，然后将获得的图像进行合成。
2.根据权利要求1所述的非经典非线性超声相控阵无损检测方法，其特征是声源为相控阵声源，发射换能器阵列与接收换能器阵列的长度覆盖样品的左、右侧区域宽度，接收换能器阵列在样品的另一侧均与样品接触。
3.根据权利要求1或2所述的非经典非线性超声相控阵无损检测方法，其特征是检测的方法：声波在均匀弹性介质中的二维传播用Cauchy方程表示为
其中，ρ为材料密度，vx、vy为质点速度在x、y方向上的分量，σxx、σyy、σxy为质点应力分量，Fx、Fy为质点在x、y方向上所受的外力。
本构方程为
其中，εxx、εyy、εxy为应变分量，K1、K2、μ为固体材料弹性模量；
采用动态弹性有限积分法(Elastodynamic Finite Integration Technique，EFIT)对式(1)和式(2)的波动方程进行离散，将固体材料划分为二维网格单元，在每个单元的中心计算应力分量σxx、σyy，在单元边界上计算速度分量vx、vy，在四个角点上计算σxy；
忽略外力，在离散单元上可以得到关于速度的递推方程如下
关于应力的递推方程为
其中Δ为正方形网格，即Δ＝Δx＝Δy；
声波在粘弹性固体材料中传播的过程中，振幅会产生衰减；在计算中，采用简化模型来描述这种衰减造成的影响，在应力和应变每次计算更新后，乘以一衰减因子α，即
α＝exp(-πfΔt/(2Q)) (5)
其中，f为声源频率，Δt为离散时间步长，Q为材料品质因数；
根据Preisach-Mayergoyz(PM)模型基本迟滞单元的开闭模式，当孔压增大时每个迟滞单元发生的应变εM表示为
缺陷区域中应力－应变的非线性迟滞关系正是通过这些基本迟滞单元的加权叠加得到；定义f(Po,Pc)为PM空间的密度分布函数，所有迟滞单元的应变εH表示为
其中O2为PM空间内迟滞单元的Po值；当所有迟滞单元均处于开放状态时，通过式(7)中第一个二重积分项对体模量的逆进行修正；当所有迟滞单元均处于关闭状态时，通过式(7)中第二个二重积分项对体模量的逆进行修正；而等式右边的第一个积分项则是对当孔压P下所有处于开放状态的迟滞单元体模量的逆的修正项；
类似的，当孔压减小时也能求得每个迟滞单元发生的应变，并推导出关于所有迟滞单元的应变εH的方程如下
其中C2为PM空间内迟滞单元的Pc值；在计算过程中，首先根据式(7)和式(8)建立缺陷区域中应力－应变的非线性关系并求得体模量，再结合波动方程的离散方法求得含有基波和高次谐波成分的数值解；
当聚焦中心在缺陷位置时,成像中的缺陷位置与实际的缺陷的位置基本一致；当聚焦位置不在缺陷处时，由于在缺陷处产生的声压较小，缺陷由于非经典非线性产生的谐波就很小；因此通知相控阵的聚焦点扫描获取不同的图像从而确定缺陷的位置。
4.根据权利要求1所述的非经典非线性超声相控阵无损检测方法，其特征是当聚焦点分别聚焦在不同的缺陷位置时进行成像，然后将图像进行合成，反映出两个缺陷的位置；图像的合成就是把两张超声图合并在一张图上。
5.根据权利要求1所述的非经典非线性超声相控阵无损检测方法，其特征是超声频率700KHz,通过控制相控阵振源的相位来控制聚焦点的位置。
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