CN108872385B - 一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法及系统，其中方法包括：采用低频超声探头在缺陷试件上加载低频激励信号，并采用超声相控阵换能器在所述缺陷试件上加载高频激励信号，且所述低频激励信号与所述高频激励信号相互作用并生成回波信号；采集所述回波信号，并对所述回波信号进行滤波处理；对滤波处理后的所述回波信号进行时间反转仿真处理，得到多个焦点；根据所述多个焦点确定微裂纹的位置。本发明将相控阵技术与振动声调制和时间反转相结合，提出一种微裂纹的检测与定位方法及系统，能广泛应用于不同类型的结构微裂纹的检测与定位，且具有较高识别率和精度，普适性高。

Description

一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法及系统

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法及系统。

背景技术

在工业中，结构往往会由于疲劳等原因产生微裂纹，这些微裂纹在某些情况下，受到侵蚀由小变大，慢慢的发展为宏观裂纹，从而导致结构的破坏，甚至可能造成无法挽回的后果。因此，结构初期的微裂纹检测就显得尤为重要。

目前对于微裂纹检测的研究几乎都停留在线性声学层次，无法对微裂纹做到有效的检测，微裂纹的检测必须用到非线性超声技术，如振动声调制技术，它对于结构中疲劳裂纹的检测非常敏感，能够十分准确的判断出结构中是否有微裂纹的存在。但目前的非线性超声技术只能对结构的表面进行检测，更无法对微裂纹的位置做出有效的判断，且对结构的检测主要是针对铝管这类较薄的金属薄板结构，而对较厚的结构的检测与定位无法表现出较高的辨识率和精度，无法推广到更广泛的微裂纹检测领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法，包括以下步骤：

步骤1：采用低频超声探头在缺陷试件上加载低频激励信号，并采用超声相控阵换能器在所述缺陷试件上加载高频激励信号，且所述低频激励信号和所述高频激励信号相互作用并生成回波信号；

步骤2：采集所述回波信号，并对所述回波信号进行滤波处理；

步骤3：对滤波处理后的所述回波信号进行时间反转仿真处理，获取多个焦点；

步骤4：根据所述多个焦点确定微裂纹的位置。

本发明的有益效果是：采用基于振动声调制的超声相控阵加载高频激励信号，使得声波在缺陷试件中传播的过程中遇到微裂纹时产生非线性声波，把微裂纹当作非线性声波的声源，通过时间反转技术，将非线性声波进行时间反转后便得到了声源点，从而确定缺陷试件中微裂纹的位置，具有较高识别率和精度，将超声相控阵技术与振动声调制技术和时间反转技术结合起来，可是使得对微裂纹的检测不再局限于金属薄板结构的检测，也不再局限对闭合微裂纹的检测与定位，能广泛应用于结构微裂纹定位，检测与定位精度也获得大幅提升，普适性高。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述步骤1中之前还包括：

根据所述缺陷试件的参数信息分别确定相匹配的所述低频超声探头的参数和相匹配的所述超声相控阵换能器的参数；

上述进一步方案的有益效果是：通过缺陷试件的参数确定相匹配的低频超声探头和超声相控阵换能器，以便更好的激发低频激励信号和高频激励信号，便于振动声调制的有效进行，便于后续根据采集到的回波信号进行时间反转，从而获取微裂纹的准确位置。

进一步：所述缺陷试件的参数信息包括所述缺陷试件的尺寸、材料、声速传播速度和所述微裂纹的缺陷范围，所述低频超声探头的参数包括孔径大小、中心频率和采样频率，所述超声相控阵换能器的参数包括探头的孔径大小和中心频率以及所述超声相控阵换能器中各阵元的宽度、间距和延迟法则。

上述进一步方案的有益效果是：通过缺陷试件的尺寸、材料、声波传播速度和微裂纹的缺陷范围，便于确定更精确的低频激励信号和高频激励信号，通过低频超声探头的孔径大小、中心频率和采样频率，便于确定更匹配的低频超声探头，通过超声相控阵换能器的探头的孔径大小和中心频率、各振元的宽度及间距以及各振元的延迟法则，便于确定更匹配的超声相控阵换能器，从而便于确定更好进行振动声调制，提高微裂纹的检测精度。其中，各振元的延迟法则指参与波束形成的发射与接收探头振元以及对应每个振元的发射电路和接收电路时序和时间间隔的控制规则，包括振元激发延迟规则、发射延迟规则、接收延迟规则等，振元激发延迟规则可以控制振元激发的数量、起始位置，发射延迟规则可以控制发射声束的偏转、聚焦和聚焦偏转，接收延迟规则可以动态地改变接收信号的聚焦延迟，控制接收声束的动态聚焦。

进一步：所述步骤2中滤波处理具体为：

采用带通滤波器对所述回波信号进行滤波处理，得到一阶旁瓣非线性信号。

上述进一步方案的有益效果是：由于振动声调制中的非线性信号是由微裂纹和声波作用产生的，因此可以视微裂纹为非线性信号的声源，通过滤除不同时刻的回波信号中的线性部分信号，提取回波信号中的非线性信号，便于后续对其进行时间反转仿真处理，非线性时间反转信号便会在微裂纹位置处聚焦，从而实现对微裂纹的定位；而微裂纹与激励信号相互产生的非线性信号有多种，包括一阶旁瓣非线性信号、二阶旁瓣非线性信号、谐波信号等，如果直接对这些非线性信号进行时间反转聚焦仿真处理，最终微裂纹处的聚焦信号可能被激励信号源处的聚焦信号淹没，为保证时间反转信号在微裂纹处的聚焦效应，选择信噪比最高的一阶旁瓣非线性信号作为时间反转的非线性信号，可以保证微裂纹的定位更精确，提高检测精度。

进一步：所述步骤3中时间反转仿真处理具体步骤为：

步骤31：建立仿真模型；

步骤32：采用有限元软件将所述一阶旁瓣非线性信号加载到所述仿真模型中，进行时间反转仿真处理，获取所述多个焦点。

上述进一步方案的有益效果是：通过时间反转仿真处理可以使得一阶旁瓣非线性信号在仿真模型中，进行时域上翻转，并分别由相应的接收传感器单元重新发送出去，使得不同振元发出的、沿不同路径传播的信号同时到达声源位置，可以使能量在空间、时间上聚焦，而且时间反转可以补偿超声导波的频散、多模式和多径效应造成的声波散焦和畸变，不需要传播介质和换能器阵列的先验知识就能实现声波能量的自适应聚焦，便于获得微裂纹的聚焦，便于后续对微裂纹的位置进行定位，检测与定位精度高。

进一步：所述仿真模型为线性结构。

上述进一步方案的有益效果是：由于一阶旁瓣非线性信号为非线性信号，通过线性结构的仿真模型，可以使得一阶旁瓣非线性信号在进行时间反转时，避免产生不必要的非线性信号，对一阶旁瓣非线性信号的时间反转产生影响。

进一步：所述步骤4中具体实现为：

根据所述缺陷试件创建坐标系，分别获取所述多个焦点位置的坐标为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)……(x_m，y_m，z_m)(i＝1,2,3……m)，并根据所述多个焦点的位置的坐标计算所述微裂纹的位置坐标，所述计算具体公式为：

上述进一步方案的有益效果是：通过建立坐标系，确定时间反转后的焦点位置坐标，通过概率学求平均值的方法，可以确定微裂纹的准确的位置坐标，计算方法简单，定位精度高。

为了解决本发明的技术问题，还提供了一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位系统，低频信号单元、信号提供单元、超声相控阵单元、信号采集单元，滤波单元、时间反转单元和位置获取单元；

所述低频信号单元，用于采用低频超声探头对缺陷试件加载低频激励信号；

所述超声相控阵单元，用于采用超声相控阵换能器在所述缺陷试件上加载高频激励信号；

所述信号提供单元，用于提供所述低频激励信号和所述高频激励信号；

所述信号采集单元，用于采集所述低频激励信号与所述高频激励信号相互作用的回波信号；

所述滤波单元，用于根据所述回波信号进行滤波处理；

所述时间反转单元，用于对滤波处理后的所述回波单元进行时间反转仿真处理，获取多个焦点；

位置获取单元，用于根据所述多个焦点确定微裂纹的位置。

本发明的有益效果是：通过超声相控阵单元激发高频激励信号，低频信号单元激发低频激励信号，再通过信号采集单元和滤波单元，获取时间反转单元进行时间反转的一阶旁瓣非线性信号，从而获得时间反转后的焦点，通过位置获取单元获取微裂纹的位置。整个系统协调工作，能广泛用于不同结构的微裂纹的检测与定位，且检测与定位精度高，普适性高。

进一步：还包括信号源确定单元。

所述信号源确定单元用于根据所述缺陷试件的参数分别确定相匹配的所述低频超声探头的参数和相匹配的所述超声相控阵换能器的参数；

所述缺陷试件的参数包括所述缺陷试件的尺寸、材料、声速传播速度和微裂纹缺陷范围，所述低频超声探头的参数包括孔径大小、中心频率和采样频率，所述超声相控阵换能器的参数包括孔径大小和中心频率以及所述超声相控阵换能器中各阵元的宽度、间距和延迟法则。

上述进一步方案的有益效果是：通过信号源确定单元确定相匹配的低频超声探头和超声相控阵换能器，以便更好的激发低频激励信号和高频激励信号，便于振动声调制的有效进行，便于后续根据采集到的回波信号进行时间反转，从而获取微裂纹的准确位置。

进一步：所述时间反转单元还包括仿真模型建立单元、信号加载单元和时间反转处理单元；

所述仿真模型建立单元，用于建立时间反转仿真模型；

所述信号加载单元，用于采用有限元软件将一阶旁瓣非线性信号加载到所述仿真模型中；

所述时间反转处理单元，用于对所述一阶旁瓣非线性信号进行时间反转仿真处理。

上述进一步方案的有益效果是：通过仿真模型建立单元、信号加载单元和时间反转处理单元，实现对不同时刻的一阶旁瓣非线性信号的时间反转仿真处理，便于获取时间反转仿真处理后的多个焦点。

进一步：还包括显示单元，所述显示单元用于显示所述微裂纹的位置。

上述进一步方案的有益效果是：通过显示单元便于将获取的微裂纹的位置展示出来，便于相关人员直观地了解到微裂纹的位置，并根据微裂纹的位置作出相应的维修保养工作。

附图说明

图1为本发明的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法的流程示意图；

图2为本发明的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法的另一实施例的流程示意图；

图3为本发明的一个基于超声相控阵的微裂纹检测与定位系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、缺陷试件，2、低频超声探头，3、超声相控阵换能器，4、耦合剂，5、信号采集装置，6、处理器，7、显示器，8、数据线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

下面结合附图，对本发明进行说明。

实施例一、如图1所示，为本发明的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法，包括以下步骤：

S1：采样低频超声探头在缺陷试件上加载低频激励信号，并采用超声相控阵换能器在所述缺陷试件上加载高频激励信号，且所述低频激励信号与所述高频激励信号相互作用并生成回波信号；

S2：采集所述回波信号，并对所述回波信号进行滤波处理；

S3：对滤波处理后的所述回波信号进行时间反转仿真处理，获取多个焦点；

S4：根据所述多个焦点确定微裂纹的位置。

本实施例中采用基于振动声调制的超声相控阵激发高频激励信号，使得声波在缺陷试件中传播的过程中遇到微裂纹时产生非线性声波，把微裂纹当作非线性声波的声源，通过时间反转技术，将非线性声波进行时间反转后便得到了声源点，从而确定缺陷试件中微裂纹的位置，具有较高识别率和精度，将超声相控阵技术与振动声调制技术和时间反转技术结合起来，可是使得对微裂纹的检测不再局限于金属薄板结构的检测，也不再局限对闭合微裂纹的检测与定位，能广泛应用于结构微裂纹定位，检测与定位精度也获得大幅提升，普适性高。

实施例二、如图2所示，为本发明的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法的另一实施例，包括以下步骤：

S101：根据所述缺陷试件的参数分别确定相匹配的所述低频超声探头的参数和所述超声相控阵换能器的参数。

本实施例选取一块长200mm，宽200mm，厚20mm的碳素钢板作为缺陷试件，缺陷试件内部含有一个微裂纹。该钢板中，横波的传播速度为3200m/s，纵波的传播速度为5900m/s，由此确定本实施例中的低频超声探头的中心频率为0.5MHz，采样频率为100MHz，超声相控阵换能器含64个振元，且各振元的探头的中心频率均为5MHz，探头孔径为38.4mm，各振元的间距为0.6mm。

本实施例根据上述低频超声探头和超声相控阵换能器的参数，由此确定本实施例中的超声相控阵换能器选择5L64型号，低频超声探头选择0.5L14型号；进一步确定将5L64型号的超声相控阵换能器安装在缺陷试件的上方，且正对缺陷试件放置，将0.5L14信号的低频超声探头安装在缺陷试件的下方，且正对缺陷试件放置。

S102:采用所述低频超声探头在所述缺陷试件上加载低频激励信号，采用所述超声相控阵换能器在所述缺陷试件上加载高频激励信号，且所述低频激励信号与所述高频激励信号相互作用并生成回波信号。

本实施例中根据振动声调制技术，先加载低频激励信号，再加载高频激励信号。

S103:采集所述回波信号，并对所述回波信号进行滤波处理。

优选地，采用带通滤波器对所述回波信号进行滤波处理，得到一阶旁瓣非线性信号。由于振动声调制中的非线性信号是由微裂纹和声波作用产生的，因此可以视微裂纹为非线性信号的声源，通过滤除回波信号中的线性部分信号，提取检测信号中的非线性信号，便于后续对其进行时间反转仿真处理，非线性时间反转信号便会在微裂纹位置处聚焦，从而实现对微裂纹的定位，为保证时间反转信号在微裂纹处的聚焦效应，选择信噪比最高的一阶旁瓣非线性信号作为时间反转的非线性信号，可以保证微裂纹的定位更精确，提高检测精度。

具体地，所述带通滤波器的选择方法为：

假设所述高频激励信号频率为ω₁，所述低频激励信号频率为ω₂，则所述带通滤波器的中心频率为ω₁±ω₂，选取带宽

根据以下公式：

其中，

为频带带宽，f_p2、f_p1分别为上限截止频率和下限截止频率，f₀为中心频率；

代入公式，可得所述带通滤波器的带通范围取近似值分别为：

和

本实施例中，经过滤波处理后，得到(4.45MHz，4.55MHz)和(5.45MHz，5.55MHz)的频率范围的一阶旁瓣非线性信号。

优选地，所述带通滤波器采用有限长冲激相应滤波器。有限长冲激相应滤波器具有精确的线性相位特性，可以保证滤波后的信号相位不发生变化影响聚焦效果，提高聚焦精度，从而提高微裂纹的检测与定位精度。

S104：对滤波处理后的所述回波信号进行时间反转仿真处理，获取多个焦点。

优选地，采用Ansys有限元软件将不同时刻的所述一阶旁瓣非线性信号加载到仿真模型中，进行时间反转仿真处理，获取所述多个焦点。

通过时间反转处理可以使得一阶旁瓣非线性信号在仿真模型中，进行时域上翻转，并分别由相应的接收传感器单元重新发送出去，使得不同振元发出的沿不同路径传播的信号同时到达声源位置，可以使能量在空间、时间上聚焦，而且时间反转处理可以补偿超声导波的频散、多模式和多径效应造成的声波散焦和畸变，不需要传播介质和换能器阵列的先验知识就能实现声波能量的自适应聚焦，从而便于获得微裂纹的聚焦，便于后续对微裂纹的位置进行定位。

优选地，所述仿真模型为线性结构。

由于一阶旁瓣非线性信号为非线性信号，通过线性结构的仿真模型，可以一阶旁瓣非线性信号在进行时间反转仿真处理时，避免产生不必要的非线性信号，对一阶旁瓣非线性信号的时间反转产生影响。

本实施例中依据待测碳素钢板的尺寸及材料，在Ansys有限元软件中创建一个线性仿真模型，将一阶旁瓣非线性信号作为时间反转的信号源导入线性仿真模型中，这些一阶旁瓣非线性信号在不同的时刻都会在几乎一致的位置聚焦。

S105：根据所述多个焦点确定微裂纹的位置。

优选地，采用求平均值的方法计算所述时间反转后的焦点的平均值，具体为：

根据所述缺陷试件创建坐标系，分别确定所述多个焦点位置的坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)……(x_m，y_m，z_m)(i＝1,2,3……m)，并根据所述多个焦点位置的坐标计算所述微裂纹的位置坐标，所述计算具体公式为：

通过建立坐标系，确定时间反转后的焦点位置坐标，通过概率学求平均值的方法，可以确定微裂纹的准确的位置坐标，计算方法简单，定位精度高。

实施例三、如图3所示，为本发明的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位系统的结构示意图，包括缺陷试件1、低频超声探头2、超声相控阵换能器3、信号采集装置5、处理器6；

所述低频超声探头2设置在所述缺陷试件1的下方并正对所述缺陷试件1，所述低频超声探头2用于对所述缺陷试件1加载低频激励信号；所述超声相控阵换能器3设置在所述缺陷试件1的上方并正对所述缺陷试件1，所述超声相控阵换能器3用于对所述缺陷试件1加载高频激励信号；所述信号采集装置5通过数据线8分别与所述低频超声探头1和所述超声相控阵换能器3电连接，所述信号采集装置5用于采集所述低频激励信号与所述高频激励信号相互作用的回波信号；所述处理器6通过所述数据线8与所述信号采集装置5电连接，所述处理器6用于根据所述回波信号进行滤波处理，还用于对滤波处理后的回波单元进行时间反转仿真处理，获取多个焦点，还用于根据所述多个焦点确定微裂纹的位置。

由低频超声探头对缺陷试件激发低频激励信号，再通过超声相控阵换能器对缺陷试件激发高频激励信号，基于振动声调制技术，由信号采集装置采集振动声调制后的回波信号，通过处理器进行滤波处理和时间反转，获得不同时刻的多个聚焦的焦点，并通过处理器进行计算提取微裂纹的准确位置。整个系统协调工作，能广泛用于不同结构的微裂纹的检测与定位，且检测与定位精度高，普适性高。

优选地，还包括显示器7，所述显示器7用于将所述微裂纹的位置显示出。

通过显示器便于将获取的微裂纹的位置展示出来，便于相关人员直观地了解到微裂纹的位置，并根据微裂纹的位置作出相应的维修保养工作。

优选地，所述超声相控阵换能器3通过耦合剂4与所述缺陷试件1耦合。

通过耦合剂便于超声相控阵换能器与缺陷试件进行耦合，便于超声相控阵换能器激发高频激励信号，便于与低频激励信号更好地发生振动声调制，并产生回波信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用低频超声探头在缺陷试件上加载低频激励信号，并采用超声相控阵换能器在所述缺陷试件上加载高频激励信号，且所述低频激励信号与所述高频激励信号相互作用并生成回波信号；

步骤2：采集所述回波信号，并对所述回波信号进行滤波处理；

步骤3：对滤波处理后的所述回波信号进行时间反转仿真处理，获取多个焦点；

步骤4：根据所述多个焦点确定微裂纹的位置；

所述步骤4中具体实现为：

根据所述缺陷试件创建坐标系，分别获取所述多个焦点位置的坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)……(x_m，y_m，z_m)(i＝1,2,3……m)，并根据所述多个焦点位置的坐标计算所述微裂纹的位置坐标，计算具体公式为：

2.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法，其特征在于，所述步骤1中之前还包括：

根据所述缺陷试件的参数信息分别确定相匹配的所述低频超声探头的参数和相匹配的所述超声相控阵换能器的参数。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法，其特征在于，所述缺陷试件的参数信息包括所述缺陷试件的尺寸、材料、声速传播速度和所述微裂纹的缺陷范围，所述低频超声探头的参数包括孔径大小、中心频率和采样频率，所述超声相控阵换能器的参数包括探头的孔径大小和中心频率以及所述超声相控阵换能器中各阵元的宽度、间距和延迟法则。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法，其特征在于，所述步骤2中滤波处理具体为：

采用带通滤波器对所述回波信号进行滤波处理，得到一阶旁瓣非线性信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法，其特征在于，所述步骤3中时间反转仿真处理具体步骤为：

步骤31：建立仿真模型；

步骤32：采用有限元软件将所述一阶旁瓣非线性信号加载到所述仿真模型中，进行时间反转仿真处理，获取所述多个焦点。

6.根据权利要求5所述的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位方法，其特征在于，所述仿真模型为线性结构。

7.一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位系统，其特征在于，包括低频信号单元、超声相控阵单元、信号提供单元、信号采集单元，滤波单元、时间反转单元和位置获取单元；

所述低频信号单元，用于采用低频超声探头在缺陷试件上加载低频激励信号；

所述超声相控阵单元，用于采用超声相控阵换能器对所述缺陷试件加载高频激励信号；

所述信号提供单元，用于提供所述低频激励信号和所述高频激励信号；

所述信号采集单元，用于采集所述低频激励信号与所述高频激励信号相互作用的回波信号；

所述滤波单元，用于根据所述回波信号进行滤波处理；

所述时间反转单元，用于对滤波处理后的所述回波信号进行时间反转仿真处理，获取多个焦点；

位置获取单元，用于根据所述多个焦点确定微裂纹的位置；

所述位置获取单元具体用于：

根据所述缺陷试件创建坐标系，分别获取所述多个焦点位置的坐标(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)……(x_m，y_m，z_m)(i＝1,2,3……m)，并根据所述多个焦点位置的坐标计算所述微裂纹的位置坐标，计算具体公式为：

8.根据权利要求7所述的一种基于超声相控阵的微裂纹检测与定位系统，其特征在于，还包括信号源确定单元；

所述信号源确定单元用于根据所述缺陷试件的参数分别确定相匹配的所述低频超声探头的参数和相匹配的所述超声相控阵换能器的参数；

所述缺陷试件的参数包括所述缺陷试件的尺寸、材料、声速传播速度和微裂纹缺陷范围，所述低频超声探头的参数包括孔径大小、中心频率和采样频率，所述超声相控阵换能器的参数包括孔径大小和中心频率以及所述超声相控阵换能器中各阵元的宽度、间距和延迟法则。

9.根据权利要求7所述的基于超声相控阵的微裂纹检测与定位系统，其特征在于，所述时间反转单元还包括仿真模型建立单元、信号加载单元和时间反转处理单元；

所述仿真模型建立单元，用于建立时间反转仿真模型；

所述信号加载单元，用于采用有限元软件将一阶旁瓣非线性信号加载到所述仿真模型中；

所述时间反转处理单元，用于对所述一阶旁瓣非线性信号进行时间反转仿真处理。

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