CN110794033B - 一种精准控制声场幅值与偏振方向的多波聚焦方法 - Google Patents

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Abstract

一种精准控制声场幅值与偏振方向的多波聚焦方法，属于超声无损检测领域，该方法根据介质已知横波声速cs与纵波声速cl建立声场指向性函数来描述介质内任意一点的声场，对介质表面一阵元施加两个激励脉冲，两脉冲的时间差由目标焦点的声程与介质声速确定，两脉冲的激励幅值由声场指向性函数与目标焦点处的聚焦波幅值和偏振方向角γ确定。通过改变脉冲的激励时间差t0、幅值，可实现目标焦点处横波与纵波的同时聚焦，对介质内任意点声场幅值与偏振方向进行精准控制。本方法无需预模拟，单阵元即可多波聚焦，克服了利用单一波聚焦的缺点，实现较大扫描区域聚焦同时可进行多偏振方向扫描，有效提高信噪比和分辨率，对实际工程运用具有意义。

Description

一种精准控制声场幅值与偏振方向的多波聚焦方法
技术领域
本发明涉及一种精准控制声场幅值与偏振方向的多波聚焦方法，其属于超声无损检测领域。
背景技术
在超声检测中常使用聚焦声束进行检测，使用聚焦声束会使声能更为集中，中心轴线上的声压增强，同时可改善声束指向性，对提高探伤灵敏度、分辨力和信噪比均为有利。在常规的超声聚焦检测中，人们普遍采用单一类型波包的速度计算时间延迟来进行聚焦发射和聚焦接收处理。这种聚焦方式只能使一种类型的波包聚焦，导致其检测方向只限于该类型波的主传播方向。超声多波聚焦是一种利用时间反转自适应聚焦特性使多种成分的波包同时聚焦的超声检测方法。声波在固体介质中传播时，存在纵波、横波等不同类型的波，同时利用介质中的横波与纵波进行多波聚焦时，不仅能得到更加丰富的介质和缺陷信息，而且可实现大范围聚焦。另一方面在多波聚焦的基础上，通过改变纵、横波的激发强度，可以在一定角度范围内，任意控制目标焦点处的声偏振方向和幅值，形成多个偏振方向的扫描，实现对缺陷形状和方向的多角度扫描和检测。
该方法属于一个比较新颖的思想，目前，在多波聚焦方面张碧星等人基于数值模拟，在预设聚焦点处施加预设方向振动的激励位移，得到应加载在激励阵元上的激励信号，将该信号加载到激励阵元上激发，在预设聚焦点处实现多波聚焦。该方法的偏振方向的控制需要通过预模拟来得到激励信号，每改变一次偏振方向都需要进行一次预模拟。如果实验中的介质与数值模拟中的介质参数存在偏差，则用该方法进行实际实验时会存在误差。有人提出了一种质点偏振方向控制与扫描检测的方法，该方法的特点是使用了两个换能器，直接通过矢量合成的方法计算预设聚焦点处的声偏振方向，然后控制两个换能器的时间延迟及激励脉冲进行声偏振方向的控制，与前一个方法对比不需要预模拟。但是该方法对换能器的位置十分敏感，当换能器位置与预设位置出现极小偏差时，声偏振方向将偏离预设方向或不再是线偏振，便可导致聚焦效果变差。
发明内容
本方法的目的是提供一种精准控制声场幅值与偏振方向的多波聚焦方法。利用横波和纵波进行多波聚焦，实现了对聚焦波的声偏振方向和幅值的精准控制。与以上提到的两种方法相比，本方法从原理角度，通过公式计算声偏振方向并加以控制，无需预模拟；并且利用单阵元探头进行检测，避免了阵元位置对聚焦效果的影响。本方法通过改变脉冲的激励时间差t0与激励幅值，可实现目标焦点处横波与纵波的同时聚焦，对介质内任意点声场幅值与偏振方向进行精准控制。可通过控制声偏振实现对多个偏振方向的聚焦扫描，并在较大的扫描区域内都能获得很好的聚焦效果，有效提高信噪比和分辨率，对实际工程运用具有意义。
一种精准控制声场幅值与偏振方向的多波聚焦方法包括以下步骤：
(1)建立声场指向性理论公式，激励阵元宽度为2a，θ为目标焦点相对原点的方位角，即tanθ＝x/y，离阵元中心距离为r一点(x,y)处纵波和横波的位移势为：
Figure GDA0002943097750000021
Figure GDA0002943097750000022
其中
Figure GDA0002943097750000031
kp和ks分别为纵波和横波的波数，Φp和Φs分别为纵波和横波的位移势，P(θ)和S(θ)为纵波和横波的指向性因子，其表达式如(3)与(4)所示，a为换能器阵元在x方向上尺寸的一半；
Figure GDA0002943097750000032
Figure GDA0002943097750000033
Figure GDA0002943097750000034
其中ξ在公式(3)与(4)中分别为kp sinθ与ks sinθ；
(2)已知介质其横波与纵波声速cs与cl，用于阵元发射的两个脉冲的激励时间差t0＝r/cs-r/cl，阵元发射的激励信号中第一个脉冲表示为S波，第二个脉冲表示为P波；
则S波的位移函数为：
Figure GDA0002943097750000035
P波的位移函数为：
Figure GDA0002943097750000036
其中，D为一个脉冲的持续时间，qs为S波的放大倍数，qp为P波的放大倍数；
(3)在固体介质中，这两个波会分别激发出对应的横波和纵波，将S波激发的横波命名为S-S波，将P波激发的纵波命名为P-P波，则根据时间反转法的原理，在设置的激励时间差t0条件下，S-S波与P-P波会在目标焦点(x,y)处聚焦合成，根据步骤(1)中的公式推导得：
聚焦点处S-S波在X方向的位移函数为：
Figure GDA0002943097750000037
在Y方向的位移函数为：
Figure GDA0002943097750000041
P-P波在X方向的位移函数为：
Figure GDA0002943097750000042
在Y方向的位移函数为：
Figure GDA0002943097750000043
其中，ts＝r/cs、tp＝r/cl，在聚焦点处，有t0+tp＝ts的关系，此时两个脉冲的位移函数相位相同；
则聚焦波在X方向的位移函数为：
Figure GDA0002943097750000044
在Y方向的位移函数为：
Figure GDA0002943097750000045
则目标焦点处聚焦波的偏振角为γ，单位为度，偏振角的正切值即为目标焦点处X方向位移值与Y方向的位移值之比；目标焦点处的聚焦波幅值为X方向位移值与Y方向位移值的矢量叠加之和；
在步骤(2)与(3)的基础上，根据公式(12)与(13)，通过不断改变qs和qp，可对介质内任意点实现声偏振方向和幅值的精准控制；针对目标焦点处的偏振方向和幅值，根据公式推导出对应的qs和qp，可得到阵元应激励脉冲的波形；发射该激励脉冲，则在目标焦点处S-S波与P-P波相位一致，实现聚焦。
本发明的效果和益处是：这种精准控制声场幅值与偏振方向的多波聚焦方法，可任意控制聚焦波的幅值和声偏振方向，实现介质内任意位置的横波与纵波聚焦。该方法具有聚焦检测中声能集中、指向性好、灵敏度和分辨率高的优点，可通过控制声偏振实现对多个偏振方向的聚焦扫描，并在较大的扫描区域内都能获得很好的聚焦效果，在超声检测中的缺陷取向识别方面具有实用意义。
附图说明
图1为具体实施方式中数值模拟的模型图。
图2为应施加在阵元上的激励脉冲图。
图3为探针接收到的位移结果图。
图4为根据结果作出的声偏振极图。
图5为改变条件下的声偏振极图。
具体实施方式
(1)在介质表面布置一单阵元换能器，阵元宽度为1mm，以阵元中心作为(0,0)点，目标焦点的位置为(-30mm,-30mm)，模型图如图1所示，计算出从换能器中心到目标焦点的声程r＝42.426mm，材料介质为钢，cs＝3140m/s、cl＝5770m/s，利用t0＝r/cs-r/cl，计算出用于阵元发射的两个脉冲的激励时间差to＝6.159μs，目标焦点处预设幅值为0.00890μm，偏振方向为110°。
(2)根据声场指向性函数计算对应的P(θ)和S(θ)，然后根据发明内容中的公式(12)与(13)，由给定的偏振角和入射角推导出qs/qp＝0.886，则在设定的幅值条件下，计算得qs＝0.828，qp＝0.935。由此得到应施加在阵元上的激励脉冲的波形，如图2所示。
(3)使阵元激励该脉冲，则在目标焦点处理论上接收波包的顺序是：S-P波、S-S波与P-P波的聚焦波、P-S波，在目标焦点处设置两个探针，分别用于接收X方向和Y方向的位移，探针所接收到的整体波形如图3所示，与理论结果相符，对聚焦波进行偏振分析，作出的偏振极图如图4所示，偏振角为109.68°，聚焦波幅值为0.00885μm。与理论值相比，偏振角度误差为0.3％，偏振幅值误差为0.6％。
(4)修改偏振角度为120°，重新计算出qs＝0.883，qp＝0.573。重新模拟的偏振极图如图5所示，偏振角为119.78°，聚焦波幅值为0.00886μm，误差均在允许范围内。
(5)根据以上步骤，通过不断改变qs与qp的值，可对聚焦点处进行多偏振方向的扫描，将计算好的S波和P波激发条件输入阵元，可以在目标焦点处接收到S-S波和P-P波，此时两个波实现聚焦，聚焦波的质点偏振方向和幅值均与理论值相同，实现了声偏振方向和幅值的双重控制，对超声聚焦检测的实际运用具有一定的价值。

Claims (1)

1.一种精准控制声场幅值与偏振方向的多波聚焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立声场指向性理论公式，激励阵元宽度为2a，θ为目标焦点相对原点的方位角，即tanθ＝x/y，离阵元中心距离为r一点(x,y)处纵波和横波的位移势为：
Figure FDA0002950800880000011
Figure FDA0002950800880000012
其中
Figure FDA0002950800880000013
kp和ks分别为纵波和横波的波数，Φp和Φs分别为纵波和横波的位移势，P(θ)和S(θ)为纵波和横波的指向性因子，其表达式如(3)与(4)所示，a为换能器阵元在x方向上尺寸的一半；
Figure FDA0002950800880000014
Figure FDA0002950800880000015
Figure FDA0002950800880000016
其中ξ在公式(3)与(4)中分别为kpsinθ与kssinθ；
(2)已知介质其横波与纵波声速cs与cl，用于阵元发射的两个脉冲的激励时间差t0＝r/cs-r/cl，阵元发射的激励信号中第一个脉冲表示为S波，第二个脉冲表示为P波；
则S波的位移函数为：
Figure FDA0002950800880000017
P波的位移函数为：
Figure FDA0002950800880000021
其中，D为一个脉冲的持续时间，qs为S波的放大倍数，qp为P波的放大倍数；
(3)在固体介质中，这两个波会分别激发出对应的横波和纵波，将S波激发的横波命名为S-S波，将P波激发的纵波命名为P-P波，则根据时间反转法的原理，在设置的激励时间差t0条件下，S-S波与P-P波会在目标焦点(x,y)处聚焦合成，根据步骤(1)中的公式推导得：
聚焦点处S-S波在X方向的位移函数为：
Figure FDA0002950800880000022
在Y方向的位移函数为：
Figure FDA0002950800880000023
P-P波在X方向的位移函数为：
Figure FDA0002950800880000024
在Y方向的位移函数为：
Figure FDA0002950800880000025
其中，ts＝r/cs、tp＝r/cl，在聚焦点处，有t0+tp＝ts的关系，此时两个脉冲的位移函数相位相同；
则聚焦波在X方向的位移函数为：
Figure FDA0002950800880000026
在Y方向的位移函数为：
Figure FDA0002950800880000031
则目标焦点处聚焦波的偏振角为γ，单位为度，偏振角的正切值即为目标焦点处X方向位移值与Y方向的位移值之比；目标焦点处的聚焦波幅值为X方向位移值与Y方向位移值的矢量叠加之和；
(4)在步骤(2)与(3)的基础上，根据公式(12)与(13)，通过不断改变qs和qp，对介质内任意点实现声偏振方向和幅值的精准控制；针对目标焦点处的偏振方向和幅值，根据公式推导出对应的qs和qp，得到阵元应激励脉冲的波形；发射该激励脉冲，则在目标焦点处S-S波与P-P波相位一致，实现聚焦。
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