CN110261489A - 线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，本方法基于几何声学，通过计算相控阵超声探头辐射不同角度偏转声束时的有效声辐射口径，推导声束在楔块中的偏转角，而后利用声束在楔块‑工件界面上的折射定量，计算偏转声束覆盖角度，得出声束覆盖角度与探头尺寸、偏转角度和楔块相关参数的关系。该发明有利于选择合适的相控阵超声换能器和楔块角度；方便指导检测方法与工艺的进一步研究。

Description

线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法

技术领域

本发明涉及到超声波检测技术领域，具体涉及到一种线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法。

背景技术

伴随着材料、微加工、计算机和电子技术的迅速发展，相控阵超声检测技术越来越多地应用于工业无损检测中，这是由于其具有检测所用声束灵活可控，检测可靠、高效、受人为因素影响小、无辐射无污染、检测结果直观、可保存的优点。相关理论的逐渐完善、检测方法的不断丰富，以及国内外相关标准、设备、软件的逐步被认可、应用，特别是近两年来该技术现场成功应用，大大推动了相关行业标准形成的进程，进一步加快了该技术的发展与应用。

在焊缝的相控阵超声检测中，目前一般采用超声斜入射脉冲回波法，扇形扫描进行检测，所用相控阵超声换能器一般为平面一维线性相控阵超声换能器：设置探头位置和检测所用声束的扇形扫描角度范围实现待测区域的全部检测。其中，在声场的近场范围内，声波可以有效聚焦，所以常采用相控聚焦方法改善检测效果；在远场则采用偏转声场，减小声束发散角，提高检测横向分辨力。因此需要研究相控阵超声检测中声场的分布特性，以指导检测方法与工艺的研究。现有的方法可以有效计算单个压电晶片辐射声场经斜楔块进入工件后声束的扩散角(即传统斜探头的声束扩散角)，但不能计算相控阵超声斜探头检测时声束的扩散角。相控阵超声斜探头的半扩散角目前主要通过数值仿真或实验测量给出，这并不能给出声束扩散角与换能器和楔块参数的解析关系，难以发现扩散角随斜探头各参数变化的规律，不能有效的指导和制定准确的检测工艺。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角计算方法。通过给出声束扩散角与换能器激活口径、楔块角度、声频率等参数的解析关系；辅助检测人员根据声场扩散角要求选择和设计相控阵超声换能器和楔块，帮助检测人员快速预估不同偏转角度声束扩散角，辅助工艺设计。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，包括以下步骤；

步骤1：构建楔块-工件模型，沿探头及楔块中心作横切面，定义一维线性相控阵超声换能器激活口径为A₀，楔块倾斜角度为α，楔块中的纵波声速为C_W，工件中的声速为C_S，声波频率为f，声束从楔块到工件中的入射角为θ_i；

步骤2：计算楔块中等效的声辐射口径A_W，A_w＝A₀cos(θ_i-α)；

步骤3:计算换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ，

步骤4：楔块中声束主瓣的上边界入射角θ_i1与所述换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ的关系为：θ_i1＝θ_i+θ_Δ，结合步骤2和步骤3中的关系公式，得到楔块中声束主瓣上边界入射角θ_i1为：

步骤5：根据Snell定律得到工件中折射声束主瓣上边界角θ_t1为：

步骤6：楔块中声束主瓣的下边界入射角θ_i2与所述换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ的关系为：θ_i2＝θ_i-θ_Δ，结合步骤2和步骤3中的关系公式及Snell定律得到工件中声束主瓣下边界入射角θ_t2为：

步骤7：根据步骤5和步骤6中的，工件中声束主瓣上、下边界入射角，得到工件中声束主瓣的扩散角Δθ_t为：

进一步的，所述步骤7中的，工件中声束主瓣的扩散角Δθ_t表征了主瓣声束的覆盖范围，所述扩散角Δθ_t大于等于0、小于等于π，定义指向性因子q为主瓣声束宽度的角度，表示如下：

进一步的，所述线性相控阵超声斜探头的超声扫描区间为扇形。在线性相控阵超声扇形扫描中，每相邻两个扫描角度之间的夹角称为角度步进，声束主瓣的扩散角对角度步进的设计至关重要，声束主瓣的扩散角变小，则q值变小，声束主瓣的宽度变窄，声束指向性越好，线性相控阵超声斜探头的检测灵敏度和检测精度就越好。

所述斜探头包括所述换能器及所述楔块。

所述楔块为多边形，楔块的下底面与所述工件的上表面紧密接触；所述楔块的激活口径所在面为倾斜设置。

根据所述的扩散角计算的公式计算-ndB扩散角时，即在垂直于声波传播方向上，声压减小到-ndB所对应的角度，只需要将所述波长乘以系数K即可,系数K为由n值决定,n＝1、2、3、……、n；如当n＝6时，K＝0.60。其中，-ndB是指声压下降的dB值。

所述系数H_n通过公式计算得到，n取值为自然数，H_n为随声压变化的一个变数，根据声压降低或上升而变化。

声压下降或上升某一值时由换能器辐射声场的半扩散角计算公式可推导为某一声压下的等效口径，θ为对应的扩散角；则因此可以令参数

具体的，将n值逐一代入上述公式，可以计算出声压下降不同的dB数时对应的系数K，如下表所示：常用到的-3dB，-6dB，-9dB，-12dB对应的K值。

声压下降ndB	对应系数K
		-3	0.44
-6	0.60
		-12	0.79
-20	0.91

本线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法能够应用于各类工件的超声波检测、探伤中，利用本方法计算的扩散角有利于改善检测工艺，从而提高检测的准确性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、计算出一维线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角，得到相控阵探头辐射声场的扩散角随入射角度、斜探头各参数变化的关系，有利于根据声场选择合适的相控阵超声换能器和楔块；2、指向性因子的简便计算有利于检测人员对检测效果的把握和理解，从而改善检测工艺。如偏转角度越大，扩散角越大，检测横向分辨力和灵敏度越差，那么检测中需要横向分辨力不能大于某值，这时候就可以用该方法进行计算估计。

附图说明

图1为本发明线性相控阵探头辐射偏转声场偏转角度计算示意图；

图2为本发明主瓣声束宽度随入射角的变化示意图；

图中：1、斜探头；2、楔块；3、工件；4、上偏转角曲线；5、下偏转角曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为线性相控阵探头辐射装置，声束由声线表示，各声线独立传播，声线会发生折射、反射、衍射和衰减等。这里只考虑声波折射的情况。

直射波检测时各阵元延时计算方法过程为：

步骤1：构建楔块-工件模型，沿斜探头1及楔块2中心作横切面，定义一维线性相控阵超声换能器激活口径为A₀，楔块2倾斜角度为α，楔块2中的纵波声速为C_W，工件3中的声速为C_S，声波频率为f，声束从楔块2到工件3中的入射角为θ_i；

步骤2：计算楔块2中等效的声辐射口径A_W，A_w＝A₀cos(θ_i-α)；

步骤3:计算换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ，

步骤4：楔块2中声束主瓣的上边界入射角θ_i1与所述换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ的关系为：θ_i1＝θ_i+θ_Δ，结合步骤2和步骤3中的关系公式，得到楔块2中声束主瓣上边界入射角θ_i1为：

步骤5：根据Snell定律得到工件2中折射声束主瓣上边界角θ_t1为：

步骤6：楔块2中声束主瓣的下边界入射角θ_i2与所述换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ的关系为：θ_i2＝θ_i-θ_Δ，结合步骤2和步骤3中的关系公式及Snell定律得到工件3中声束主瓣下边界入射角θ_t2为：

步骤7：根据步骤5和步骤6中的，工件3中声束主瓣上、下边界入射角，得到工件3中声束主瓣的扩散角Δθ_t为：

进一步的，所述步骤7中的，工件3中声束主瓣的扩散角Δθ_t表征了主瓣声束的覆盖范围，所述扩散角Δθ_t大于等于0、小于等于π，定义指向性因子q为主瓣声束宽度的角度，表示如下：

进一步的，所述线性相控阵超声斜探头的超声扫描区间为扇形。在线性相控阵超声扇形扫描中，每相邻两个扫描角度之间的夹角称为角度步进，声束主瓣的扩散角对角度步进的设计至关重要，声束主瓣的扩散角变小，则q值变小，声束主瓣的宽度变窄，声束指向性越好，线性相控阵超声斜探头的检测灵敏度和检测精度就越好。

一般情况下，均匀各向同性材料工件，特别是焊缝的相控阵超声检测中，探头辐射声场至楔块中，经楔块、楔块-工件滑移界面，在界面上发生模式转换后，产生折射波进入待检工件中。例如使用某一款线性相控阵超声斜探头，其激活口径A₀＝9.5mm，楔块倾斜角度α＝36.2°，楔块中的纵波声速c_s＝3236m/s，进入待检测工件中的声速c_w＝2330m/s，折射角θ_i在38°～75°范围内，代入扩散角计算公式，可以计算扩散角，结果如图2所示；曲线4表示-6dB上偏转角，曲线5为-6dB下偏转角；上偏转角的边界与下偏转角的边界之间的夹脚为扩散角。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤；

步骤1：构建楔块-工件模型，沿斜探头及楔块中心作横切面，定义一维线性相控阵超声换能器激活口径为A₀，楔块倾斜角度为α，楔块中的纵波声速为C_W，工件中的声速为C_S，声波频率为f，声波波长为λ，声束从楔块到工件中的入射角为θ_i；

步骤2：计算楔块中等效的声辐射口径A_W，A_w＝A₀cos(θ_i-α)；

步骤3:计算换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ，

步骤4：楔块中声束主瓣的上边界入射角θ_i1与所述换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ的关系为：θ_i1＝θ_i+θ_Δ，结合步骤2和步骤3中的关系公式，得到楔块中声束主瓣上边界入射角θ_i1为：

步骤5：根据Snell定律得到工件中折射声束主瓣上边界角θ_t1为：

步骤6：楔块中声束主瓣的下边界入射角θ_i2与所述换能器辐射声场的半扩散角θ_Δ的关系为：θ_i2＝θ_i-θ_Δ，结合步骤2和步骤3中的关系公式及Snell定律得到工件中声束主瓣下边界入射角θ_t2为：

步骤7：根据步骤5和步骤6中的，工件中声束主瓣上、下边界入射角，得到工件中声束主瓣的扩散角Δθ_t为：

2.根据权利要求1所述的线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，其特征在于，所述步骤7中的，工件中声束主瓣的扩散角Δθ_t表征了主瓣声束的覆盖范围，所述扩散角Δθ_t大于等于0、小于等于π，定义指向性因子q为主瓣声束宽度的角度，表示如下：

3.根据权利要求1所述的线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，其特征在于，所述线性相控阵超声斜探头的超声扫描区间为扇形。

4.根据权利要求1所述的线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，其特征在于，根据所述的扩散角计算的公式计算-ndB扩散角时，即在垂直于声波传播方向上，声压减小到ndB所对应的角度，将所述波长乘以系数K,系数K由n值决定，其中，-ndB是指声压下降的dB值。

5.根据权利要求4所述的线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，其特征在于，所述系数H_n通过公式计算得到，n取值为自然数。

6.根据权利要求1所述的线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，其特征在于，所述楔块为多边形，楔块的下底面与所述工件的上表面紧密接触；所述楔块的激活口径所在面为倾斜设置。

7.根据权利要求1所述的线性相控阵超声斜探头辐射偏转声场扩散角的计算方法，其特征在于，所述斜探头包括所述换能器及所述楔块。