CN110554088A - 一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法。该方法包括下列步骤：根据待测对象的物理属性，计算获得待测对象中导波的群速度频散曲线和相速度频散曲线；根据群速度频散曲线，确定发射换能器的中心频率；根据中心频率和相速度频散曲线，确定超声波入射角度；按照入射角发射超声波，超声波进入待测对象形成导波；接收导波作为回波信号；根据回波信号判断待测对象是否存在缺陷；其中，发射换能器和接收回波信号的换能器通过空气介质与待测对象耦合。解决现阶段对于无法直接接触的待测对象进行缺陷检测的问题。可以实现在固定发射源和接收源的情况下，以一定高度对待测对象的缺陷进行检测，并且具有较高的精度。

Description

一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法
技术领域
本发明涉及超声检测领域，尤其涉及一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法。
背景技术
兰姆波是一种在板中形成的导波，具有频散特性，可以通过瑞利—兰姆方程得到各个模式的相(群)速度与频厚积的关系。由于兰姆波传播过程中衰减小，传播距离远，在短时间内能覆盖大部分的检测范围等特点，被广泛应用于板、壳结构的无损检测。
空气耦合式超声波无损检测技术用空气代替专门的耦合剂或者水，可以通过改变入射角，激励模式变换的横波，表面波以及各种导波，且容易使超声波聚焦。其非接触、非浸入及无损害的特点很好地弥补了普通超声检测适用范围小和很难进行快速检测的不足，在工程建筑、风力发电、航天航空等方面具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明公开了一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法。该方法包括下列步骤：
根据待测对象的物理属性，计算获得待测对象中导波的群速度频散曲线和相速度频散曲线。
根据群速度频散曲线，确定发射换能器的中心频率。
根据中心频率和相速度频散曲线，确定超声波入射角度。
按照入射角发射超声波，超声波进入待测对象形成导波。
接收导波作为回波信号。
根据回波信号判断待测对象是否存在缺陷。
一个实例中，根据群速度频散曲线，确定发射换能器的中心频率的步骤，包括：根据群速度频散曲线中A0模式导波群速度确定导波的频率，即发射换能器的中心频率。
一个实例中，选择相速度频散曲线中A0模式导波对应于中心频率的相速度值；并根据相速度值，结合斯涅耳定律计算得到超声波入射角度。
进一步的，回波信号的出射方向与对应的射出点及其法线的位置关系，和超声波的入射方向与对应的入射点及其法线的位置关系相同。
一个实例中，发射换能器与接收换能器位于所述待测对象的同侧，接收导波作为回波信号的步骤，包括：接收换能器接收导波的透射波作为回波信号。
进一步的，回波信号的出射方向与对应的射出点及其法线的位置关系，和超声波的入射方向对应的镜面反射的出射方向与其射出点及其法线的位置关系相同。
一个实例中，发射换能器和接收换能器通过空气介质与所述待测对象耦合。
本发明的有点在于：解决现阶段对于无法直接接触的待测对象进行缺陷检测的问题。可以实现在固定发射源和接收源的情况下，以一定高度对待测对象的缺陷进行检测，并且具有较高的精度。
附图说明
图1为本发明的一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法流程图；
图2(a)为待测对象中S模式导波的传播方向示意图；
图2(b)为待测对象中A模式导波的传播方向示意图；.
图3为待测对象中导波的群速度频散曲线图；
图4为待测对象中导波的相速度频散曲线图；
图5为本发明的一种对于缺陷的超声反射式检测法示意图；
图6为本发明的一种对于缺陷的超声透射式检测法示意图；
图7为本发明实施例中采用反射式检测法的回波信号图；
图8(a)为本发明实施例中采用透射式检测法在待测对象无缺陷时的回波信号图；
图8(b)为本发明实施例中采用透射式检测法在待测对象有缺陷时的回波信号图。
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为本发明的一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法流程图，如图1所示。该方法包括下列步骤：
步骤S110：根据待测对象的物理属性，计算获得待测对象中导波的群速度频散曲线和相速度频散曲线。此处的导波即兰姆波，后续的步骤中出现的导波均为兰姆波。
具体的，采用MATLAB仿真，根据待测对象的密度、杨氏模量、泊松比以及纵波波速和横波波速，得到群速度频散曲线和相速度频散曲线。其中，上述待测对象的物理属性均为已知参数。
需要说明，多种模式的导波可根据振动类型分为对称型，即S模式导波，和非对称型，即A模式导波。进一步的，S模式导波和A模式导波会随频率的增加，出现多种模式的对应导波。即S模式导波，会随频率的增加，出现S0模式导波(基础的S模式导波)，S1模式导波，S2模式导波等；同样的A模式导波也会出现S模式导波的同类情况。其中，S模式导波在待测对象的上下表面间做椭圆运动，在待测对象的中心做纵向振动，如图2(a)所示；A模式导波在待测对象的上下表面间做椭圆运动，在待测对象的中心做横向运动，如图2(b)所示。
步骤S120：根据群速度频散曲线，确定发射换能器的中心频率。
具体的，根据如图3所示的待测对象中导波的群速度频散曲线图，选择A0模式导波群速度与其他模式的导波的群速度数值相差较大的频率，作为发射换能器激发出的导波的频率，即发射换能器的中心频率。
通过上述，选择A0模式导波群速度与其他模式的导波的群速度数值相差较大的频率，可以使发射换能器只激发出单一模式的导波(即A0模式导波)便于后续的回波信号采集，单一模式的导波可以使信号的能量都聚集在这个模式，不会分给其他模式。
需要说明，基于导波中S模式导波和A模式导波各自的特点，在实验过程中，分别对A0、S0、A1和S1等模式的导波进行测试，得出其中A0模式导波相对于其他模式的导波，信号幅值大，灵敏度高，最适合用于检测。因此，在后续的检测中使用A0模式导波进行。
进一步的，基于空气耦合换能器的制作工艺所限制，上述导波的频率的选取需大于300kHz。
步骤S130：根据导波频率和相速度频散曲线，确定超声波入射角度。
具体的，根据选取的导波的频率和如图4所示的待测对象中导波的相速度频散曲线确定相速度值，即选取的A0模式导波的相速度值，根据相速度值和斯涅耳定律计算入射角，入射角为发射换能器激励超声波的入射方向与入射点对应的待测对象法线的夹角。
进一步的，斯涅耳定律的计算公式为其中，
θ为入射角，vair为空气中的声速340m/s，vi为选定频率的相速度，即A0模式导波于发射换能器中心频率的相速度。
步骤S140：按照入射角发射超声波，超声波进入待测对象形成导波。
步骤S150：接收导波作为回波信号。
其中，接收换能器与发射换能器位于待测对象的同侧；发射换能器和接收换能器通过空气介质与待测对象耦合。
一个实例中，如图5所示，接收换能器接收导波在缺陷处产生的反射波作为回波信号，称为反射式检测法。回波信号的出射方向与对应的射出点及其法线的位置关系，和超声波的入射方向与对应的入射点及其法线的位置关系相同。此时，出射方向与对应法线的夹角角度为θ。
一个实例中，如图6所示，接收换能器接收导波的透射波作为回波信号，称为透射式检测法。回波信号的出射方向与对应的射出点及其法线的位置关系，和超声波的入射方向对应的镜面反射的出射方向与其射出点及其法线的位置关系相同。此时，出射方向与对应法线的夹角角度为θ。
步骤S160：根据回波信号判断待测对象是否存在缺陷。
在一个具体实施里中，将上述方法应用于钢轨轨底的缺陷检测。
根据待测对象，即钢轨轨底的物理属性，计算获得待测对象中导波的群速度频散曲线和相速度频散曲线。
根据钢轨轨底的物理属性确定群速度频散曲线和相速度频散曲线。选择群速度频散曲线中A0模式导波波群速度与其他模式的导波的群速度数值相差较大的频率350kHz，作为发射换能器激发出的导波的频率，即发射换能器的中心频率。
在相速度频散曲线中选择频率350kHz对应的A0模式导波相速度值3009m/s，结合空气中的声速340m/s，根据斯涅耳定律计算得到发射换能器的超声波入射角θ＝6.49°。
发射换能器按照上述入射角和中心频率发射超声波，超声波通过空气介质射入钢轨轨底，并在钢轨轨底内形成导波。
接收换能器与发射换能器位于钢轨轨底的同侧，通过空气介质接收导波的出射波作为回波信号。由于钢轨检测的特殊需求，接收换能器与发射换能器进行检测时距离钢轨轨底上表面的高度大于钢轨轨头顶部距离钢轨轨底上表面的高度差。
上述发射换能器和接收换能器，均采用中心频率为350kHz，6dB带宽为250kHz的空气耦合式换能器。发射换能器在中心频率为350kHz的5周期电信号激励下产生超声波。
如，接收换能器采用反射式检测法，接收换能器与发射换能器的位置关系如图5所示。钢轨轨底若没有缺陷，接收探头将接收不到信号；若存在缺陷，发射探头发射的超声波会经由缺陷反射，被接收探头接收到，由此判断出缺陷是否存在和缺陷的位置。如图7所示，其中回波信号振幅为0时，表示钢轨轨底该检测位置不存在缺陷；回波信号振幅不为0时，表示钢轨轨底该检测位置存在缺陷。
如，接收换能器采用透射式检测法，接收换能器与发射换能器的位置关系如图6所示。钢轨轨底若没有缺陷，接收探头接收的回波信号幅值会很大；若存在缺陷，接收探头接收的回波信号幅值会变小，由此判断出缺陷是否存在和缺陷的位置。当接收换能器接收到的回波信号如图8(a)所示时，表示该检测位置不存在缺陷；当接收换能器接收到的回波信号如图8(b)所示时，表示该检测位置存在缺陷。
本发明提供了一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法。通过空气耦合式换能器激发兰姆波来对钢轨轨底缺陷进行检测的方法。通过空气耦合式换能器以特定角度入射钢轨轨底来激发兰姆波，在钢轨轨底进行传播，遇到缺陷时超声波会有一部分穿透过去，另一部分反射回来，此时由另一个空气耦合式换能器对反射波或者透射波进行接收，经过微弱信号处理方法后根据数据和波形图可以检测出钢轨轨底的缺陷。通过此方法可以解决现阶段对于钢轨轨底缺陷无法进行检测的问题。本发明可以实现在固定发射源和接收源的情况下，在高于钢轨轨头的高度对钢轨轨底的缺陷进行检测，并且具有较高的精度。
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 (7)

1.一种对于缺陷的空气耦合超声检测方法，其特征在于，包括下列步骤：
根据待测对象的物理属性，计算获得待测对象中导波的群速度频散曲线和相速度频散曲线；
根据所述群速度频散曲线，确定发射换能器的中心频率；
根据所述中心频率和所述相速度频散曲线，确定超声波入射角度；
所述发射换能器按照所述入射角度发射超声波，所述超声波进入所述待测对象形成导波；其中，所述发射换能器通过空气介质与所述待测对象耦合；
接收换能器接收所述导波作为回波信号；其中，所述接收换能器通过空气介质与所述待测对象耦合；
根据所述回波信号判断所述待测对象是否存在缺陷。
2.根据权利要求1所述的超声检测方法，其特征在于，所述根据群速度频散曲线，确定发射换能器的中心频率的步骤，包括：根据所述群速度频散曲线中A0模式导波群速度确定所述导波的频率，即所述中心频率。
3.根据权利要求1、2所述的超声检测方法，其特征在于，选择所述相速度频散曲线中A0模式导波对应于所述中心频率的相速度值；根据所述相速度值，结合斯涅耳定律计算得到所述超声波入射角度。
4.根据权利要求1所述的超声检测方法，其特征在于，所述发射换能器与接收换能器位于所述待测对象的同侧；所述接收导波作为回波信号的步骤，包括：所述接收换能器接收所述导波在缺陷处产生的反射波作为所述回波信号。
5.根据权利要求4所述的超声检测方法，其特征在于，所述回波信号的出射方向与对应的射出点及其法线的位置关系，和所述超声波的入射方向与对应的入射点及其法线的位置关系相同。
6.根据权利要求1所述的超声检测方法，其特征在于，所述发射换能器与接收换能器位于所述待测对象的同侧，所述接收导波作为回波信号的步骤，包括：所述接收换能器接收所述导波的透射波作为回波信号。
7.根据权利要求6所述的超声检测方法，其特征在于，所述回波信号的出射方向与对应的射出点及其法线的位置关系，和所述超声波的入射方向对应的镜面反射的出射方向与其射出点及其法线的位置关系相同。
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