CN111751448A - 一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法，实现了对零件表面或近表面缺陷的高效高分辨率成像检测。通过四轴运动检测装置控制水浸聚焦探头斜入射在工件表面产生漏表面波，然后采集漏表面波脉冲回波信号，最后对漏表面波脉冲回波信号进行合成孔径聚焦成像实现缺陷识别。本发明的技术效果在于可以非接触、高效地实现零件表面或近表面缺陷的成像，提高检测效率和成像分辨率，为评价金属构件表面质量提供了一种有效的无损检测方法。

Description

一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法
技术领域
本发明涉及一种超声无损检测成像方法，特别是一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法。
背景技术
金属或非金属构件在制造和使用过程中容易产生表面或近表面缺陷，如腐蚀、表面气孔、裂纹和夹渣等，这些缺陷会产生应力集中，降低疲劳强度，降低承载能力，甚至会引起构件的断裂等，严重影响构件质量和设备安全性。
超声检测是常用的无损检测方法，目前使用超声纵波、横波检测零件表面或近表面时常存在由于近场区声压的急剧波动和边界反射引起的回波重叠造成缺陷难以识别、成像效果差等问题。
超声表面波检测能有效地避免表面缺陷和近表面缺陷回波与表面反射回波的重叠，对表面及近表面缺陷检测灵敏度高。如申请公布号CN107917958A，申请公布日2018年4月17号的专利公布了一种利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，通过两个表面波探头和倾斜楔块由试件两端同时沿着相对方向激励表面波信号，在试件中间进行接收表面波信号，来表征材料微损伤程度，预测材料的使用寿命，该方法采用传统的接触式超声检测，因此对探头与构件之间的耦合性能要求极高，试样表面质量、耦合介质和检测装置的夹紧力都会影响超声检测的质量，且受制于接触式检测，检测效率不高。
漏表面波可以采用非接触式检测，不需要考虑探头与接触面的耦合问题，并且易于利用机械装置实现自动化、高精度的无损检测。但现有技术利用漏表面波检测主要局限于使用漏表面波的波形特征进行缺陷检测。如文献“常俊杰，王兴国，徐久军.基于泄漏瑞利波的等离子喷涂涂层质量评价[J].稀有金属材料与工程，2009，38(S2):726-730”通过对无缺陷试样和有缺陷试样的漏表面波的相速度和衰减系数对比来评价涂层的质量，但该方法仅能检出缺陷是否存在，未能检测缺陷特征，且该方法只能逐点检测，未能实现检测成像，使得检测效率低。为了实现漏表面波高效成像检测且提高成像分辨率，本发明提出一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法，减少成像随机噪声、提高信噪比，实现对零件表面或近表面缺陷的高效高分辨率成像检测。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超声无损检测成像方法实现对零件表面或近表面缺陷的高效高分辨率成像检测，为评价金属构件表面质量提供了一种有效的无损检测方法。
本发明的特征是通过四轴运动检测装置控制水浸聚焦探头斜入射在工件表面产生漏表面波，然后采集漏表面波脉冲回波信号，最后对漏表面波脉冲回波数据进行合成孔径聚焦成像实现缺陷识别。
本发明的技术方案是，一种漏表面波的超声合成孔径聚焦成像方法，包括以下步骤：
一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将被测工件放置于具有X/Y/Z/A四轴运动控制的水浸式超声检测装置的水槽中，根据被检测工件和水的声学特性，利用斯涅耳定律确定水浸检测时的瑞利角αR，
Figure BDA0002595655530000021
其中cl为水中纵波传播速度，cr为被测工件表面波传播速度，控制A轴使得水浸聚焦探头以大于瑞利角αR的入射角α倾斜入射到工件表面产生漏表面波，控制X/Y/Z轴调整水声距h使得探头焦点聚焦在被测工件表面，控制聚焦误差
Figure BDA0002595655530000022
F为水浸聚焦探头的焦距；
步骤二、对被测工件表面进行B扫查并采集漏表面波脉冲回波信号，通过四轴运动控制装置使水浸聚焦探头沿X轴移动，标记扫查的初始检测位置为1，终点位置为N，在X轴方向以Δx的等间隔距离对工件表面的扫查位置依次编号，在每个扫查位置通过超声脉冲发生接收器激励水浸聚焦探头产生和接收超声脉冲信号，并通过超声波采集卡采集漏表面波脉冲回波信号，并同步储存采集的回波信号为D(i)，i为扫查位置标号；
步骤三、对步骤二中采集的漏表面波脉冲回波信号进行合成孔径聚焦成像，实现对工件表面或近表面缺陷的成像。
所述的一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法，所述步骤三中漏表面波合成孔径聚焦成像包括以下步骤：
步骤1、以被测工件目标成像点A(a，b)所在平面为参照，检测时的扫查方向为X轴，检测方向为Y轴，并对成像区域等间距网格划分；
步骤2、被测工件表面的聚焦点Ti(xi，yi)产生的二次声源呈一定角度θ扩散，则对于目标成像点A参与漏表面波合成孔径聚焦的有效检测位置数为k；
步骤3、计算各扫查位置漏表面波从被测工件表面传播到目标成像点的距离ri，
Figure BDA0002595655530000031
-k/2≤i≤k/2；
步骤4、计算声束从水浸聚焦探头传播到被测工件表面目标成像点A的总距离Ri＝F+ri，F是水浸聚焦探头的焦距；
步骤5、重复步骤3至4，直至i＝k/2；
步骤6、计算声束从水浸聚焦探头传播到被测工件表面目标成像点A的垂直距离传播时间t0，
Figure BDA0002595655530000032
步骤7、以声束从水浸聚焦探头传播到被测工件表面目标成像点A的垂直距离传播时间为基准，计算各扫查位置的相对延迟时间
Figure BDA0002595655530000033
Figure BDA0002595655530000034
步骤8、提取每个扫查位置采集的漏表面波脉冲回波信号幅值，赋值于Di(xi±i·Δx，t0±τi)；
步骤9、将沿X轴方向扫查采集的漏表面波脉冲回波信号幅值延时叠加计算，得漏表面波合成孔径聚焦成像信号为：
Figure BDA0002595655530000035
Figure BDA0002595655530000036
步骤10、对步骤9中最终获得的漏表面波合成孔径聚焦成像信号进行求平均值处理，并将处理后数据的声压幅值赋予A(a，b)。
本发明的技术效果在于提出一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法，可以非接触、高效地实现零件表面或近表面缺陷的成像，提高检测效率和成像分辨率，为评价金属构件表面质量提供了一种有效的无损检测方法。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明水浸式超声检测装置示意图；
图2为本发明漏表面波传播示意图；
图3为本发明漏表面波合成孔径聚焦成像示意图；
图4为本发明漏表面波B扫成像效果图；
图5为本发明漏表面波合成孔径聚焦成像效果图。
具体实施方式
本发明的实验系统由机械运动控制装置、超声脉冲发生接收器、水浸聚焦探头、超声波采集卡和被测工件组成，选择具有10个直径为1mm的线性分布钻孔钢试块作为被测工件，两个孔之间的距离约为2mm，被测工件尺寸为120mm×100mm。
对工件表面检测区域进行漏表面波超声合成孔径聚焦成像步骤包括：
步骤一、将被测工件放置于具有X/Y/Z/A四轴运动控制的水浸式超声检测装置的水槽中，根据被检测工件和水的声学特性，利用斯涅耳定律确定水浸检测时的瑞利角αR，
Figure BDA0002595655530000041
其中cl为水中纵波传播速度，cr为被测工件表面波传播速度，选择一个频率为5MHz的水浸聚焦探头，控制A轴使得水浸聚焦探头以大于瑞利角αR的入射角α＝31°倾斜入射到工件表面产生漏表面波，入射角α即水浸聚焦探头扫查中心线与工件入射点法线夹角，为获得较好的声束能量，并能准确聚焦在被测工件表面，控制X/Y/Z轴调整水声距h与水浸聚焦探头的焦距F一致，其中水浸聚焦探头的焦距为F＝76mm；
步骤二、对被测工件表面进行B扫查并采集漏表面波脉冲回波信号，通过四轴运动控制装置使水浸聚焦探头沿X轴移动，标记扫查的初始检测位置为1，终点位置为N，在X轴方向以Δx的等间隔距离对工件表面的扫查位置依次编号，在每个扫查位置通过JSR-DPR300超声脉冲发生接收器激励水浸聚焦探头产生和接收超声脉冲信号，并通过ADLINK PCI-E-9852超声波采集卡采集漏表面波脉冲回波信号，并同步储存采集的回波信号为D(i)，i为扫查位置标号；
步骤三、对步骤二中采集到的各扫查位置的漏表面波脉冲回波信号进行合成孔径聚焦成像，实现对工件表面或近表面的缺陷成像。
所述一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法，步骤三中漏表面波合成孔径聚焦成像包括以下步骤：
步骤1、以被测工件目标成像点A(a，b)所在平面为参照，检测时的扫查方向为X轴，检测方向为Y轴，并对成像区域等间距网格划分；
步骤2、被测工件表面的聚焦点Ti(xi，yi)产生的二次声源呈一定角度θ扩散，则对于目标成像点A参与漏表面波合成孔径聚焦的有效检测位置数为k；
步骤3、计算各扫查位置漏表面波在被测工件表面传播到目标成像点的距离ri，
Figure BDA0002595655530000051
-k/2≤i≤k/2；
步骤4、计算声束从水浸聚焦探头传播到被测工件表面目标成像点A的总距离Ri＝F+ri，F是水浸聚焦探头的焦距；
步骤5、重复步骤3至4，直至i＝k/2；
步骤6、计算声束从水浸聚焦探头传播到被测工件表面目标成像点A的垂直距离传播时间t0，
Figure BDA0002595655530000052
步骤7、以声束从水浸聚焦探头传播到被测工件表面目标成像点A的垂直距离传播时间为基准，计算各扫查位置的相对延迟时间
Figure BDA0002595655530000053
Figure BDA0002595655530000054
步骤8、提取每个扫查位置采集的漏表面波脉冲回波信号幅值，赋值于Di(xi±i·Δx，t0±τi)；
步骤9、将沿X轴方向扫查采集的漏表面波脉冲回波信号幅值延时叠加计算，得漏表面波合成孔径聚焦成像信号为：
Figure BDA0002595655530000055
Figure BDA0002595655530000056
步骤10、对步骤9中最终获得的漏表面波合成孔径聚焦成像信号进行求平均值处理，并将处理后数据的声压幅值赋予A(a，b)。
图4所示为漏表面波B扫成像效果图，图5所示为漏表面波合成孔径聚焦方法成像效果图，由成像效果图及表1评定参数对比可知，传统B扫描成像只能在图像中勉强分辨出缺陷数量和大致形状，其存在大量的背散射噪声和伪影，极大的影响了缺陷的准确识别，而漏表面波合成孔径聚焦方法成像分辨率更高，能较清晰的分辨出缺陷数量和形状，降低噪声对成像的影响。
Figure BDA0002595655530000061
表1。

Claims (2)

1.一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将被测工件放置于具有X/Y/Z/A四轴运动控制的水浸式超声检测装置的水槽中，根据被检测工件和水的声学特性，利用斯涅耳定律确定水浸检测时的瑞利角αR，
Figure FDA0002595655520000011
其中cl为水中纵波传播速度，cr为被测工件表面波传播速度，控制A轴使得水浸聚焦探头以大于瑞利角αR的入射角α倾斜入射到工件表面产生漏表面波，控制X/Y/Z轴调整水声距h使得探头焦点聚焦在被测工件表面，控制聚焦误差
Figure FDA0002595655520000012
F为水浸聚焦探头的焦距；
步骤二、对被测工件表面进行B扫查并采集漏表面波脉冲回波信号，通过四轴运动控制装置使水浸聚焦探头沿X轴移动，标记扫查的初始检测位置为1，终点位置为N，在X轴方向以Δx的等间隔距离对工件表面的扫查位置依次编号，在每个扫查位置通过超声脉冲发生接收器激励水浸聚焦探头产生和接收超声脉冲信号，并通过超声波采集卡采集漏表面波脉冲回波信号，并同步储存采集的回波信号为D(i)，i为扫查位置标号；
步骤三、对步骤二中采集的漏表面波脉冲回波信号进行合成孔径聚焦成像，实现对工件表面或近表面缺陷的成像。
2.根据权利要求1所述的一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像方法，所述步骤三中漏表面波合成孔径聚焦成像包括以下步骤：
步骤1、以被测工件目标成像点A(a,b)所在平面为参照，检测时的扫查方向为X轴，检测方向为Y轴，并对成像区域等间距网格划分；
步骤2、被测工件表面的聚焦点Ti(xi,yi)产生的二次声源呈一定角度θ扩散，则对于目标成像点A参与漏表面波合成孔径聚焦的有效检测位置数为k；
步骤3、计算各扫查位置漏表面波从被测工件表面传播到目标成像点的距离ri，
Figure FDA0002595655520000013
-k/2≤i≤k/2；
步骤4、计算声束从水浸聚焦探头传播到被测工件表面目标成像点A的总距离Ri＝F+ri，F是水浸聚焦探头的焦距；
步骤5、重复步骤3至4，直至i＝k/2；
步骤6、计算声束从水浸聚焦探头传播到被测工件表面目标成像点A的垂直距离传播时间t0，
Figure FDA0002595655520000014
步骤7、以声束从水浸聚焦探头传播到被测工件表面目标成像点A的垂直距离传播时间为基准，计算各扫查位置的相对延迟时间
Figure FDA0002595655520000021
Figure FDA0002595655520000022
步骤8、提取每个扫查位置采集的漏表面脉冲回波信号幅值，赋值于Di(xi±i·Δx，t0±τi)；
步骤9、将沿X轴方向扫查采集的漏表面脉冲回波信号幅值延时叠加计算，得漏表面波合成孔径聚焦成像信号为：
Figure FDA0002595655520000023
步骤10、对步骤9中最终获得的漏表面合成孔径聚焦成像信号进行求平均值处理，并将处理后数据的声压幅值赋予A(a,b)。
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