CN112816560B - 多频超声探头带宽选择方法及超声检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频超声探头带宽选择方法及超声检测装置，利用该方法便于选择合适带宽的多频超声波探头，进而在检测时显著地改善了入射声波在复合材料中的穿透能力，同时又具有很好的检测分辨率和缺陷检出灵敏度，表面检测盲区小，更有利于提高复合材料内部缺陷的超声检出能力和检测可靠性，更加适合复合材料的超声检测与缺陷评定。

Description

多频超声探头带宽选择方法及超声检测装置

技术领域

本发明涉及超声波检测领域，特别涉及一种多频超声探头带宽选择方法及超声检测装置。

背景技术

SiC_f/SiC、碳钎维等复合材料因其具有优越的性能，不断在航空航天领域得到应用。由于质量控制和安全原因，要求对SiCf/SiC、碳钎维等复合材料质量进行100％无损检测；超声检测是目前SiCf/SiC、碳钎维等复合材料主要无损检测方法，需要通过超声探头向被检测复合材料发射/接收超声波，在其它条件一定时，超声波的频率由探头决定，而探头的频率特性直接影响超声检测能力和缺陷检出能力、表面检测盲区、检测分辨率和检测厚度；常规超声探头主要是与常规超声检测方法匹配使用，一个探头对应一个中心频率和带宽；多频超声探头则需要其能提供多个中心频率和带宽，而且彼此之间需要有合理的频域覆盖关系，才能实现多频超声检测效果，更有利于缺陷的检出和检测分辨率的提高，从而达到提高检测可靠性和缺陷检出效果；

常规超声探头主要是与常规超声检测方法匹配使用，一个探头对应一个中心频率和带宽，其主要不足：1)常规探头频率和带宽具有单一性，不能满足多频超声检测要求；2)选择多频超声探头时，要求探头具有多个中心频率和带宽，而且要求多频超声探头中的相邻两个阵列晶元的带宽具有频域衔接(覆盖)特性，才能更好地实现多频超声检测方法的检测效果，才能更有利于提高缺陷的检出率。因此，在检测SiCf/SiC、碳纤维增强复合材料等高声衰减材料时，选择合理的多频超声探头及其频率与带宽尤为重要。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种多频超声探头带宽选择方法及超声检测装置，旨在解决上述背景技术提到的问题。

为实现上述目的，本发明提出的多频超声探头带宽选择方法，包括：

使用多频超声探头向待检测复合材料发射一组多频超声波信号；

使用多频超声单元采集所述的多频超声波信号，并将采集到的多频超声波信号发送至多频超声信号处理单元进行处理之后在显示单元上显示，根据显示结果得出所述的多频超声波信号所包含的多组相邻超声波信号的中心频率值f₁、f₂...f_n；

使用多频超声单元采集所述的多频超声波信号穿透所述的待检测复合材料或在所述的待检测复合材料表面反射后的频域信号，并将所述的频域信号发送至多频超声信号处理单元进行处理，并在显示单元进行显示，根据显示结果得出所述的多频超声波信号所述的包含的多组相邻超声阵列晶元的超声波信号的起始频率fi_iL和截止频率fi_iH值：(f_1L，f_1H)、(f_2L，f_2H)……(f_nL，f_nH)，i＝1,2,…,n；

计算所述的多频超声波信号所包含的多组相邻超声阵列晶元的超声波信号的带宽：Δf₁、Δf₂……Δf_n，Δf₁＝f_1H-f_1L，Δf₂＝f_2H-f_2L，……Δf_n＝f_nH-f_nL；

计算所述的多频超声探头中的相邻阵列晶元的带宽ΔBW，并判断所述的多频超声探头是否满足检测需求，其判断依据为：ΔBW∈(0.1-0.5)MHz且(f₁,f₂……f_n)∈(1MHz-10MHz)，ΔBW＝f_iH-f_(i+1)L，i＝1，2，…，n-1。

优选地，判断所述的多频超声探头是否满足检测需求的判断依据还包括：Δf₁、Δf₂……Δf_n均不小于其中心频率的50％，，且须满足ΔBW的要求。

优选地，所述的多频超声探头带宽选择方法还包括使用所述的多频超声探头向待检测复合材料发射一组多频超声信号时，所述的多频超声探头与所述的待检测复合材料的表面耦合。

优选地，所述的多频超声探头所包含的多组中心频率为f₁、f₂...f_n的超声阵列晶元，其频率f_n的n值在2-5之间选择和组合，且f₁<f₂<...<f_n。

本发明还提出一种超声检测装置，所述的超声检测装置采用上述任意一种多频超声探头带宽选择方法，所述的超声检测装置包括：

多频超声探头，用于发出一组多频超声波信号；

多频超声单元，用于接收所述的多频超声探头发出的多频超声波信号，以及所述的多频超声波信号穿透所述的待检测复合材料后的透射信号，或者所述的多频超声波信号从所述的待检测复合材料表面反射后的反射信号；

多频超声信号处理单元，用于处理所述的透射信号、所述的反射信号以及所述的多频超声波信号；

显示单元，用于将处理过的反射信号、透射信号以及多频超声波信号以图像方式进行显示。

优选地，所述的超声检测装置还包括：

扫描机构，所述的扫描机构与所述的多频超声波探头连接，并控制所述的多频频超声波探头做扫描移动；

扫描机构控制单元，所述的扫描机构控制单元驱动所述的扫描机构运动，所述的扫描机构控制单元还与所述的显示单元连接，用于将所述的扫描轨迹在所述的显示单元上显示。

本发明技术方案利用不同频率声波在复合材料中具有不同的声学传播行为，提出了一种用于多频超声检测的多频超声探头带宽选择方法，从而便于选择到合适带宽的多频超声波探头，进而显著地改善了入射声波在复合材料中的穿透能力，同时又具有很好的检测分辨率和缺陷检出灵敏度，表面检测盲区小，更有利于提高复合材料内部缺陷的超声检出能力和检测可靠性，更加适合复合材料的超声检测与缺陷评定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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示出的结果获得其他的附图。

图1为本发明多频超声探头带宽选择方法一实施例的步骤图；

图2为第一多频超声探头在显示单元上的显示图；

图3为第二多频超声探头在显示单元上的显示图；

图4为第三多频超声探头在显示单元上的显示图；

图5位本发明超声检测装置一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

100-多频超声探头；200-多频超声单元；300-多频超声信号处理单元；400-显示单元；500-待检测复合材料；600-扫描机构；7-扫描机构控制单元。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，其他材料也可以采用本发明专利实时多频超声检测。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改多时，则该方向性指示也相应地随之改多。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种多频超声探头带宽选择方法。

如图1，在本实施例中，所述的方法包括以下步骤：

S101：使用多频超声探头向待检测复合材料发射一组多频超声波信号；

S102：使用多频超声单元采集所述的多频超声波信号穿透所述的待检测复合材料或在所述的待检测复合材料表面反射后的频域信号，并将所述的频域信号发送至多频超声信号处理单元进行处理，并在显示单元进行显示，根据显示结果得出所述的多频超声波信号所包含的多组相邻超声阵列晶元的超声波信号的中心频率值f₁、f₂...f_n；

S103：接收所述的多频超声波信号穿透所述的待检测复合材料或在所述的待检测复合材料表面反射后的频域信号，并获取所述的多频超声波信号所述的包含的多组相邻阵列晶元的超声波信号的起始频率f_iL和截止频率f_iH值：(f_1L，f_1H)、(f_2L，f_2H)……(f_nL，f_nH)，i＝1,2,…,n；

S104：计算所述的多频超声波信号所包含的多组相邻超声阵列晶元的带宽：Δf₁、Δf₂……Δf_n；

S105：计算所述的多频超声探头中相邻阵列晶元的带宽差ΔBW，其判断依据为：ΔBW∈(0.1-0.5)MHz且(f₁,f₂……f_n)∈(1MHz-10MHz)，ΔBW＝f_iH-f_(i+1)L，i＝1，2，…，n-1。

在本实施例中：

选择2mm厚度的SiC_f/SiC复合材料和20mm厚度碳钎维复合材料，其中含有实际的分层缺陷和微细孔隙缺陷，选择中航复合材料有限责任公司生产的3种多频超声探头和超声检测设备，该超声检测设备可以提供不同频率的超声发射和接收信号，并实现多频频超声探头的自动扫描和检测结果的成像显示。分别选择超声透射和反射两种检测方法。

其中首先采用透射方法，选择n＝2的第一组多频超声探头发射出来的多频超声波信号，经过多频超声单元以及多频超声信号处理单元接收处理后在显示单元上显示，分析得出:

如图2：第一组多频超声探头发射的多频超声波，得到多频超声探头中的两个超声阵列晶元的超声信号的中心频率分别为f₁＝1.0MHz、f₂＝2.0MHz，并且得出f_1L＝0.6MHz，f_1H＝1.4MHz，f_2L＝1.2MHz，f_2H＝2.6MHz，

Δf₁＝f_1H-f_1L＝1.4-0.6＝0.8MHz，为f₁的80％，满足要求，

Δf₂＝f_2H-f_2L＝2.6-1.2＝1.4MHz，为f₂的70％，满足要求，

计算ΔBW＝f_1H-f_2L＝1.4-1.2＝0.2MHz，满足多频超声检测要求，

结合参照图2，可以看出第一组多频超声探头中相邻两个超声阵列晶元的带宽具有频域衔接(覆盖)特性，f₁、f₂均位于1MHz到10MHz之间，而且Δf₁、Δf₂均大于其中心频率的50％，满足多频超声检测要求；

第一组多频超声探头发射的多频超声波包括中心频率为f₁＝1MHz、f₂＝2MHz的两种超声波，并且得出f_1L＝0.6MHz，f_1H＝1.4MHz，f_2L＝1.2MHz，f_2H＝2.6MHz；

如图3：选择n＝2的第二组多频超声探头发射的多频超声波信号，经过多频超声单元以及多频超声信号处理单元接收处理后在显示单元上显示，分析得出:

第二组多频超声探头发射的多频超声波，得到多频超声探头中的两个超声阵列晶元的超声信号的中心频率为f₁＝1.0MHz、f₂＝2.0MHz，

并且得出f_1L＝0.6MHz，f_1H＝1.4MHz，f_2L＝1.6MHz，f_2H＝2.4MHz，

Δf₁＝f_1H-f_1L＝1.4-0.6＝0.8MHz，为f₁的80％，满足要求，

Δf₂＝f_2H-f_2L＝2.4-1.6＝1.2MHz为f₂的60％，满足要求，

计算ΔBW＝f_1H-f_2L＝1.4-1.6＝-0.2MHz，根据式(1)，第二组多频超声探头不满足多频超声检测要求，

结合参照图3，可以看出第二组多频超声探头相邻两个超声阵列晶元的带宽不具有频域衔接(覆盖)特性，不满足多频超声检测要求；

如图4：选择n＝3的第三多频超声探头发射的多频超声波信号，经过多频超声单元以及多频超声信号处理单元接收处理后在显示单元上显示，分析得出:

第三组多频超声探头发射的多频超声波，得到多频超声探头中的三个超声阵列晶元的超声信号的中心频率为f₁＝1MHz、f₂＝2MHz、f₃＝3MHz，

并且得出f_1L＝0.7MHz，f_1H＝1.6MHz，f_2L＝1.4MHz，f_2H＝2.6MHz，f_3L＝2.2MHz，f_3H＝3.8MHz

Δf₁＝f_1H-f_1L＝1.6-0.7＝0.9MHz，为f₁的90％，满足要求，

Δf₂＝f_2H-f_2L＝2.6-1.4＝1.2MHz为f₂的60％，满足要求，

Δf₃＝f_3H-f_3L＝3.8-2.2＝1.6MHz为f₂的53％，满足要求，

计算多频超声探头中的超声阵列晶元1与2的ΔBW21＝f_1H-f_2L＝1.6-1.4＝0.2MHz，根据式(1)，第三组多频超声探中的超声晶元1和2满足多频超声检测要求，

计算多频超声探头中的超声阵列晶元2与3的ΔBW32＝f_2H-f_3L＝2.6-2.2＝0.4MHz，根据式(1)，第三组多频超声探中的超声晶元2和3满足多频超声检测要求，

计算多频超声探头中的超声阵列晶元1与3的ΔBW31＝f_1H-f_3L＝1.6-2.2＝-0.6MHz，根据式(1)，第三组多频超声探中的超声晶元1和3不满足多频超声检测要求，

进一步，再采用反射的方法，其操作步骤和计算方法与透射一致，在此不一一赘述。

在其他实施例中，所述的多频超声探头带宽选择方法还包括使用所述的多频超声探头向待检测复合材料发射组多频超声信号时，所述的多频超声环能器与所述的待检测复合材料的表面耦合，采用这种方法向待检测复合材料发射多频超声波，促进发出的多频超声波在待检测复合材料上传播，减小损耗。

在其他的多频超声探头的实施例中，若最后的显示结果表明该多频超声探头发射的多频超声波包含的多组不同频率的超声波，若超过5种，则也不予采用。

本发明技术方案，提供一种判断方法，通过上述方法可以选用合适带宽的多频超声探头，进而在对复合材料进行无损检测时，提高检测可靠性和缺陷检出效果。

进一步，如图5，本发明还提出一种超声检测装置，所述的超声检测装置设有多频超声探头100和多频超声单元200，多频超声信号处理单元300，以及显示单元400，所述的多频超声探头100在所述的多频超声单元200的激励下向待检测SiC_f/SiC、碳钎维复合材料发射一组多频频超声波；多频超声单元还可以接收所述的多频超声波从待检测复合材料透射或反射的信号；

多频超声信号处理单元300与所述的多频超声单元200连接，所述的多频超声信号处理单元300用于处理接收到的反射信号或透射信号并生成显示信号；所述的显示单元400与所述的多频超声信号处理单元300连接，用于显示所述的多频超声信号处理单元300生成的显示信号。

根据上述方法，首先选定多频超声探头，然后采用选定的多频超声探头1在多频超声单元的激励下，产生频率为f₁、f₂...f_n的多频超声波，

f₁为第一种超声波的频率，

f₂为第二种超声波的频率，

f_n为第n种超声波的频率，

此多频超声波通过液体耦合剂，传播到被检测复合材料制件500中，入射多频超声波在复合材料制件500内部传播，当在入射多频超声波传播路径存在缺陷时，会使原来的多频超声波传播行为复杂得多，此多频超声波通过多频超声探头100所接收，并转换为多频接收超声信号u_r(f₁,f₂,...,f_n)，此多频接收超声信号u_r(f₁,f₂,f₃,f₄,f₅)经过多频超声单元200预处理和多频超声信号处理单元300处理后，形成多频超声评定信号v(f₁,f₂,...,f_n)，在显示单元400中显示，该显示单元可以是计算机等，用于复合材料内部缺陷的评估。

进一步，该碳化硅纤维、碳钎维增强复合材料多频超声检测装置还包括：扫描机构600，所述的扫描机构600与所述的多频超声探头100连接，并控制所述的多频超声探头100移动；扫描机构控制单元700，所述的扫描机构控制单元700驱动所述的扫描机构600运动，所述的扫描机构控制单元700还与所述的显示单元400连接，用于将所述的扫描轨迹在所述的显示单元400上显示。

通过扫描机构600和扫描机构控制单元700实现多频超声探头100对复合材料制件500进行覆盖扫查，通过扫描机构控制单元700实时反馈多频超声探头100的检测点位置坐标P(x,y,z)，并将此位置信号实时反馈到显示单元400，由显示单元400根据所得到的多频超声评定信号v(f₁,f₂,...,f_n)和位置坐标P(x,y,z)进行成像显示，然后根据显示单元中的成像结果进行复合材料制件500内部缺陷的评估。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构多换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种多频超声探头带宽选择方法，其特征在于，包括：

使用多频超声探头向待检测复合材料发射一组多频超声波信号；

使用多频超声单元采集所述的多频超声波信号，并将采集到的多频超声波信号发送至多频超声信号处理单元进行处理之后在显示单元上显示，根据显示结果得出所述的多频超声波信号所包含的来自多组相邻超声阵列晶元的超声波信号的中心频率值f₁、f₂...f_n，n为多频超声探头中的超声阵列晶元数；

使用多频超声单元采集所述的多频超声波信号穿透所述的待检测复合材料或在所述的待检测复合材料表面反射后的频域信号，并将所述的频域信号发送至多频超声信号处理单元进行处理，并在显示单元进行显示，根据显示结果得出所述的多频超声波信号所述的包含的多组相邻超声阵列晶元的超声波信号的起始频率f_iL和截止频率f_iH值：(f_1L，f_1H)、(f_2L，f_2H)......(f_nL，f_nH)，i＝1，2，...，n；

计算所述的多频超声波信号所包含的多组相邻超声阵列晶元的超声波信号的带宽：Δf₁、Δf₂......Δf_n，Δf₁＝f_1H-f_1L，Δf₂＝f_2H-f_2L，......Δf_n＝f_nH-f_nL；

计算所述的多频超声探头的带宽差ΔBW，并判断所述的多频超声探头是否满足检测需求，其判断依据为：ΔBW∈(0.1-0.5)MHz且(f₁，f₂...f_n)∈(1MHz-10MHz)且ΔBW＝f_iH-f_(i+1)L，i＝1，2，...，n-1。

2.如权利要求1所述的多频超声探头带宽选择方法，其特征在于，判断所述的多频超声探头是否满足检测需求的判断依据还包括：Δf₁、Δf₂……Δf_n均不小于其中心频率的50％，且须满足ΔBW的要求。

3.如权利要求1所述的多频超声探头带宽选择方法，其特征在于，所述的多频超声探头带宽选择方法还包括使用所述的多频超声探头向待检测复合材料发射一组多频超声信号时，所述的多频超声探头与所述的待检测复合材料的表面耦合。

4.如权利要求1所述的多频超声探头带宽选择方法，其特征在于，所述的多频超声波信号所包含的多组相邻中心频率为f₁、f₂...f_n的超声阵列晶元，其频率f_n的n值在2-5之间选择和组合，且f₁<f₂<...<f_n。

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