CN109142527B - 一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法，步骤包括：发射端向待检测位置发射若干组信号；接收端接收若干组待检测位置的散射回波信号，并截取若干组散射回波信号；将接收的每组散射信号的时间序列反转，并选取一个幅值最大的时间点，获得一组时间序列；利用多高斯声束法的稳态聚焦声场计算对在接收端处反向发射的声场做聚焦计算，通过聚焦结果确定缺陷所在位置。本发明利用多高斯声束法的高效性能够快速确定相控阵声束焦点处或声束路径上是否存在缺陷，避免误判，并在一定程度上提高了检测精度。

Description

一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域，尤其涉及一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法。
背景技术
现代工业装备离不开焊接构件的使用。焊缝的结构是复杂的，它存在多种不同介质的交界面及热影响区等，在焊接制造过程中及构件服役期间都可能产生缺陷。为了确保焊接结构的安全性，必须对焊缝进行无损检测。超声相控阵技术可以灵活控制声束聚焦位置，提高检测信噪比、覆盖率和灵敏度，在不移动或少移动换能器的前提下对待测物体的内部进行定位和成像检测。目前，超声相控阵检测技术主要有三个发展方向，分别为数字信号处理新技术；检测设备技术规格的提高；以及与其它检测方法相结合。在检测设备技术规格确定的情况下，研究数字信号处理新技术，提高目前超声相控阵定位和成像检测的图像分辨率及检测精度，有助于提高目前超声相控阵在奥氏体不锈钢等声波衰减强烈的介质中的检测效果，具有重要的意义。多高斯声束法是一种稳态声场计算方法，能够对超声相控阵的聚焦声场进行仿真，分析声场的聚焦特性。此方法的基本原理是将换能器表面的声场看作多个高斯声束的叠加，其模型适应能力强，计算速度快。
发明内容
本发明提供了一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法，包括下列步骤：
发射端向待检测位置发射若干组信号；
接收端接收若干组待检测位置的散射回波信号，并截取若干组散射回波信号；将接收的每组散射信号的时间序列反转，并选取一个幅值最大的时间点，获得一组时间序列；利用多高斯声束法的稳态聚焦声场计算对从接收端处反向发射的声场做聚焦计算，通过聚焦结果确定待检测位置是否为缺陷位置。
优选地，发射端包括相控阵换能器；接收端包括换能器阵列。
优选地，在发射端发射信号之前计算发射端的阵元信号延时，将声束的聚焦点预先设定在待检测位置，即缺陷位置，使接收端可得到较强的散射回波信号。
优选地，发射端设置于焊缝结构上表面的楔形块上，且声束的焦点预先设定在待检测位置；接收端设置在焊缝结构下表面；发射端和接收端位于焊缝同侧。
优选地，相控阵换能器发射若干组信号，包括采用底面反射聚焦扫描方法。
优选地，将接收的每组散射信号的时间序列反转，并选取一个幅值最大的时间点，获得一组时间序列，相当于利用时间反转法获得一组相控阵聚焦的延时法则。
优选地，多高斯声束法的计算方法如下：
发射端设置单个阵元，并穿过楔形块向焊缝结构的对接焊缝母材介质发射信号，信号在对接焊缝母材介质中的位移场可表示为：
Figure GDA0001834920790000021
其中，ρ1为楔形块密度，ρ2为对接焊缝母材介质密度，c1为楔形块中的声速，c2为对接焊缝母材介质中的声速，k1为楔形块中的波数，k2为对接焊缝母材介质中的波数，T1，2为楔形块与对接焊缝母材介质交界面处折射率；β1为楔形块与对接焊缝母材介质交界面处的声束入射角，β2为楔形块与对接焊缝母材介质交界面处的声束透射角，γ为楔形块斜面与水平方向夹角角度，
Figure GDA0001834920790000031
a＝R1/R2，R1为阵元中心声束在楔形块中传播距离，R2为阵元中心声束在对接焊缝母材介质中传播距离；An，Bn为Wen&Breazeale系数，
Figure GDA0001834920790000032
为瑞利距离；
Figure GDA0001834920790000033
Figure GDA0001834920790000034
a1为阵元半宽度；
线型超声相控阵的辐射声场可由特定延迟时间的各阵元辐射声场叠加得到：
Figure GDA0001834920790000035
其中，n为阵元数目，Δtj为各阵元的延迟时间。
本发明的优点在于：在超声相控阵聚焦发射和接收的前提下利用多高斯声束法对缺陷处的多通道散射回波信号进行时反聚焦，并将焦点位置认定为缺陷所在位置，实现了对金属焊缝内的缺陷进行定位的目的。利用多高斯声束法的高效性能够快速确定相控阵声束焦点处或声束路径上是否存在缺陷，避免误判，并在一定程序上提高了检测精度。
附图说明
为了更清楚说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法的流程图；
图2为单个阵元多高斯声束法传播示意图；
图3为本发明实施例的方法操作示意图；
图4为本发明实施例中接收端接收的待检测位置散射回波信号波形图；
图5为利用多高斯声束法计算的待检测位置聚焦声场分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法的流程图。如图1所示，一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法，包括下列步骤：
步骤S101：发射端向待检测位置发射若干组信号。
步骤S102：接收端接收若干组待检测位置的散射回波信号，并截取若干组散射回波信号。
步骤S103：将接收的每组散射信号的时间序列反转，并选取一个幅值最大的时间点，获得一组时间序列。
步骤S104：利用多高斯声束法的稳态聚焦声场计算对从接收端处反向发射的声场做聚焦计算，通过聚焦结果确定缺陷所在位置。
其中，在发射端发射信号之前计算发射端的阵元信号延时，将声束的聚焦点预先设定在待检测位置，即缺陷位置，使接收端可得到较强的散射回波信号。
其中，多高斯声束法的计算方法如下：
如图2所示，发射端设置单个阵元，并穿过楔形块向焊缝结构的对接焊缝母材介质发射信号，信号在对接焊缝母材介质中的位移场可表示为：
Figure GDA0001834920790000041
其中，ρ1为楔形块密度，ρ2为对接焊缝母材介质密度，c1为楔形块中的声速，c2为对接焊缝母材介质中的声速，k1为楔形块中的波数，k2为对接焊缝母材介质中的波数，T1，2为楔形块与对接焊缝母材介质交界面处折射率；β1为楔形块与对接焊缝母材介质交界面处的声束入射角，β2为楔形块与对接焊缝母材介质交界面处的声束透射角，γ为楔形块斜面与水平方向夹角角度，
Figure GDA0001834920790000051
a＝R1/R2，R1为阵元中心声束在楔形块中传播距离，R2为阵元中心声束在对接焊缝母材介质中传播距离；An，Bn为Wen&Breazeale系数，
Figure GDA0001834920790000052
为瑞利距离；
Figure GDA0001834920790000053
Figure GDA0001834920790000054
a1为阵元半宽度；
线型超声相控阵的辐射声场可由特定延迟时间的各阵元辐射声场叠加得到：
Figure GDA0001834920790000055
其中，n为阵元数目，Δtj为各阵元的延迟时间。
在一个具体实施例中，如图3所示。1为发射端，2为接收端，3为楔形块，4为对接焊缝母材介质，5为焊缝介质，6为待检测位置。
其中，发射端1为相控阵换能器，接收端2为换能器阵列，对接焊缝母材介质4为钢材质，焊缝介质5为铜材质。
发射端1设置于焊缝结构上表面的楔形块3上，且声束的焦点预先设定在待检测位置6；接收端2设置在焊缝结构下表面；发射端和接收端位于焊缝同侧。
发射端1采用底面反射聚焦扫描方法向待检测位置6发射若干组信号。
经Comsol仿真计算后，接收端2接收若干组待检测位置6的散射回波信号，如图4所示，并截取若干组散射回波信号。
将接收的每组散射信号的时间序列反转，并选取一个幅值最大的时间点，获得一组时间序列。相当于利用时间反转法获得一组相控阵聚焦的延时法则。
利用多高斯声束法的稳态聚焦声场计算对从接收端处反向发射的声场做聚焦计算，通过聚焦结果确定缺陷所在位置。
图5为利用多高斯声束法计算的待检测位置聚焦声场分布图。如图5所示，其焦点位置即缺陷所在位置。
本发明实施例提供了一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法，在超声相控阵聚焦发射和接收的前提下利用多高斯声束法对多通道的缺陷散射信号进行时反聚焦，并将焦点位置认定为缺陷所在位置，实现了对金属焊缝内的缺陷进行定位的目的。利用多高斯声束法的高效性能够快速确定相控阵声束焦点处或声束路径上是否存在缺陷，避免误判，并在一定程序上提高了检测精度。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于超声相控阵焊缝检测的缺陷定位方法，其特征在于，包括下列步骤：
发射端向待检测位置发射若干组信号；
接收端接收若干组待检测位置的散射回波信号，并截取若干组散射回波信号；将接收的每组所述散射信号的时间序列反转，并选取每组中一个幅值最大的时间点，获得一组时间序列；利用多高斯声束法的稳态聚焦声场计算对从所述接收端处反向发射的声场做聚焦计算，通过聚焦结果确定缺陷所在位置；
其中，所述多高斯声束法的计算方法如下：
发射端设置单个阵元，并穿过楔形块向焊缝结构的对接焊缝母材介质发射信号，所述信号在对接焊缝母材介质中的位移场可表示为：
Figure FDA0002726114030000011
ρ1为楔形块密度，ρ2为对接焊缝母材介质密度，c1为楔形块中的声速，c2为对接焊缝母材介质中的声速，k1为楔形块中的波数，k2为对接焊缝母材介质中的波数，T1，2为楔形块与对接焊缝母材介质交界面处折射率；β1为楔形块与对接焊缝母材介质交界面处的声束入射角，β2为楔形块与对接焊缝母材介质交界面处的声束透射角，γ为楔形块斜面与水平方向夹角角度，
Figure FDA0002726114030000012
a＝R1/R2，R1为阵元中心声束在楔形块中传播距离，R2为阵元中心声束在对接焊缝母材介质中传播距离；An，Bn为Wen&Breazea1e系数，
Figure FDA0002726114030000013
为瑞利距离；
Figure FDA0002726114030000014
Figure FDA0002726114030000015
a1为阵元半宽度，ds为声波传播方向上的单位矢量；ω为声波角频率；x为空间点水平坐标；线型超声相控阵的辐射声场可由特定延迟时间的各阵元辐射声场叠加得到：
Figure FDA0002726114030000016
其中，n为阵元数目，Δtj为各阵元的延迟时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射端包括相控阵换能器；所述接收端包括换能器阵列。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述发射端发射信号之前计算发射端的阵元信号延时，将声束的聚焦点预先设定在待检测位置，即缺陷所在位置，使接收端可得到较强的散射回波信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述发射端设置于焊缝结构上表面的楔形块上，且声束的焦点预先设定在待检测位置；所述接收端设置在焊缝结构下表面；所述发射端和所述接收端位于焊缝同侧。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述发射端发射若干组信号，采用底面反射聚焦扫描方法。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将接收的每组所述散射信号的时间序列反转，并选取一个幅值最大的时间点，获得一组时间序列，相当于利用时间反转法获得一组相控阵聚焦的延时法则。
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