CN113075297A - 钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，根据检测的钛合金厚度选择探头聚焦深度范围和每组虚拟探头晶片数，得到声场能量覆盖范围；在声场能量覆盖范围内进行不同深度的平底孔测试并记录声场能量分布数据；根据声场能量分布数据，得到能量分布云图；根据声场能量分布数据进行对比试块平底孔静态、动态扫查试验，调整扫查数据得到最优的动态扫查结果，该方法能够准确直观的建立不同聚焦法则下的相控阵线阵超声检测声场模型，根据声场能量的覆盖，为钛合金锻坯相控阵超声检测提供可靠的方法指导，解决了目前钛合金锻坯相控阵检测方法的匮乏且有助于制定高效准确的超声波检验方法，可以对钛合金锻坯进行质量控制。
Description
技术领域
本发明涉及材料无损检测技术领域，尤其涉及一种钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法。
背景技术
随着无损检测自动化、数字化、图像化的发展，超声检测需要引进高效率、更精确的自动无损检测系统。对于规格较大的钛合金锻坯超声检测，由于钛合金的组织特性，应用常规超声检测的结果具有较低的信噪比，因此针对较厚的锻坯检测时，为了达到检测灵敏度需要配合检测效率低下的双面检测，而且在现有的超声波检测应用中，具体针对钛合金锻坯相控阵的检测方法没有充分介绍说明。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，根据构建的声场模型中能量分布，确定检测声场的覆盖，从而指导钛合金锻坯相控阵检测方法的确认，解决了目前钛合金锻坯相控阵检测方法的匮乏。合理有效的声场分析方法有助于制定高效准确的超声波检验方法，更加有效的对钛合金锻坯进行质量控制。
为实现上述目的，本发明提供一种钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法,包括以下步骤：
步骤一：根据需要检测的钛合金厚度选择探头聚焦深度范围和每组虚拟探头晶片数，得到声场能量覆盖范围；
步骤二：在声场能量覆盖范围内进行不同深度的平底孔测试并记录声场能量分布数据；
步骤三：根据声场能量分布数据，得到能量分布云图；
步骤四：根据声场能量分布数据进行对比试块平底孔静态、动态扫查试验，调整扫查数据得到最优的动态扫查结果。
作为优选，步骤一中的声场能量覆盖范围是通过式(1)、式(2)式(3)和式(4)计算有效声束宽度和有效声束长度得到的，
d＝0.2568DSF (3)
式中L为有效声束长度，F为焦距，N为近场区长度，D为晶片宽度，d为有效声束宽度，λ为超声波波长。
作为优选，有效声束宽度和有效声束长度是在能量下降一半声场中采用相控阵声场理论计算法得到的。
作为优选，步骤二中在平底孔测试中是根据相同平底孔当量下，在不同聚焦法则下通过移动探头前后与左右方向，测量不同深度平底孔下超声波能量幅值的变化。
作为优选，测量不同深度平底孔下超声波能量幅值的变化包括测量有效声束宽度前后左右能量幅值下降一半的宽度方向的幅值数据和声场传播方向的能量幅值下降一半的长度幅值数据。
作为优选，在步骤三中能量分布云图是应用数字图像处理和双线性插值方法得到的。
作为优选，双线性插值是对测量数据根据式(5)中一元线性关系，进行插值补充数值，
n＝am+b (5)
式中，m为原始数据的像素点位置，n计算为插值数值，a为斜率，b为线性关系的截距。
作为优选，钛合金厚度为20mm～330mm。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明公开了一种钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，根据需要检测的钛合金厚度选择探头聚焦深度范围和每组虚拟探头晶片数，得到声场能量覆盖范围；在声场能量覆盖范围内进行不同深度的平底孔测试并记录声场能量分布数据；根据声场能量分布数据，得到能量分布云图；根据声场能量分布数据进行对比试块平底孔静态、动态扫查试验，调整扫查数据得到最优的动态扫查结果，该方法能够准确直观的建立不同聚焦法则下的相控阵线阵超声检测声场模型，根据声场能量的覆盖，为钛合金锻坯相控阵超声检测提供快可靠的方法指导，解决了目前钛合金锻坯相控阵检测方法的匮乏。合理有效的声场分析方法有助于制定高效准确的超声波检验方法，更加有效的对钛合金锻坯进行质量控制。
附图说明
图1为本发明的相控阵线阵超声检测声场模型构建流程图；
图2为本发明的声场测量参数示意图；
图3为本发明的有效声束能量分布数据及云图，其中，3a为实测声束能量分布数据，3b为图像处理后声束能量分布云图；
图4为本发明的110mm厚钛合金试块声场能量分布云图，其中，4a为焦距在深度30mm，4b为焦距在深度40mm，4c为焦距在深度50mm；
图5为本发明的厚度110mmΦ1.2平底孔检测灵敏度C扫描图；
图6为本发明的聚焦焦距在220mm处声场分布云图；
图7为本发明的厚度300mmΦ2.0平底孔检测灵敏度C扫描图。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
本发明中相控阵超声检测技术基于惠更斯-菲涅耳原理，即多个相互独立的小阵元晶片制成的阵列超声波探头，由计算机通过改变各阵元晶片的激励，产生可以电子调节入射角度、焦距和焦点尺寸的超声波聚焦声束。声波按照Snell定律发生折射，最终通过晶片激发出的声波合成波阵面实现虚拟声束的偏转和聚焦，达到材料的超声波的检测效果。相控阵超声线阵检测使用一维的线阵探头进行检测，可以电子调节声束的聚焦深度与偏转角度。线阵探头主要有沿着晶片长度方向的从动窗和沿着晶片宽度方向的主动窗两个方向的声场变化，根据声场有效声束能量分布云图可以直观有效的分析聚焦声束在宽度、长度方向的分布范围。
请参阅图1为本发明相控阵线阵超声检测声场模型构建流程图，本发明在进行之前需要先准备好相控阵线阵超声水浸自动检测系统和不同厚度的钛合金对比试块，试块中具有不同深度的平底孔；本发明适用的钛合金厚度范围为20mm～330mm，为了更清楚的说明钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，以300mm厚度的钛合金锻坯为例进行具体说明。
步骤一：钛合金厚度为300mm，内部附有不同埋深的平底孔缺陷，根据钛合金厚度选择探头聚焦深度范围，通常焦点位置从1/2厚度向深度方向调整，然后选择每组虚拟探头晶片数，采用相控阵声场理论计算法得到-6dB声场(能量下降一半声场)有效声束的宽度以及长度，得到不同聚焦法则下的声场能量覆盖范围，有效声束的宽度以及长度是根据焦距以及每组虚拟探头的尺寸利用式(1)、式(2)、式(3)和式(4)计算理论的有效声束长度以及宽度：
d＝0.2568DSF (3)
其中L为有效声束长度、F为焦距、N为近场区长度，D为晶片宽度，d为有效声束宽度，λ为超声波波长。
步骤二：根据理论计算的有效声束覆盖范围进行不同深度的平底孔对比试块测试，根据相同平底孔当量下，在不同聚焦法则下通过移动探头前后与左右方向，测量不同深度平底孔下超声波能量幅值(即超声波波值)的变化。即测量不同聚焦法则下-6dB声场有效声束宽度(前后左右能量幅值下降一半的宽度)方向的幅值数据，以及声波传播方向-6dB声场长度(声场传播方向的能量幅值下降一半的长度)幅值数据，记录相关的呈离散分布的声场能量分布数据，测量参数示意图如图2所示，得到所测量的呈分散分布的有效声束能量分布数据。
步骤三：根据所测量的呈分散分布的有效声束数据，请参阅图3，记录得到图3a中所测量的呈分散分布的有效声束能量分布数据。应用数字图像处理，采用双线性插值方法得到图3b中的有效声束的能量分布云图。图3a中的双线性插值即对测量数据的X方向与Y方向的数值根据一元线性关系，进行插值补充数值。常用的线性关系公式如式(5)所示，其中m为原始数据的像素点位置，n计算为插值数值，a为斜率，b为线性关系的截距。通过补充插值来增加较多的成像所需的像素值数据，然后运用origin或者python等生成较为平滑的热力云图模型，从云图模型可以直观的得到声场能量分布的变化及边界情况。
n＝am+b (5)
步骤四：根据实测得到的有效声束能量覆盖范围进行对比试块平底孔静态、动态扫查试验。调整扫查步进、扫查速度、重复频率等，最终得到最优的动态扫查结果。
采用本发明方法得到声场能量分布云图模型，确定声场能量覆盖范围，制定钛合金锻坯相控阵线阵超声检测方法的聚焦法则、扫查步进以监控范围，最终在动态C扫查结果中的人工平底孔缺陷可以精准检测。
实施例1：请参阅图4和图5，检测厚度为110mm的钛合金锻坯，检测试块尺寸为650mm×120mm×110mm，选择的每组虚拟探头晶片数为14晶片,根据步骤一计算探头聚焦深度在30mm、40mm和50mm处的有效声束长度以及宽度，再经过步骤二和步骤三得到能量分布云图，其中图4a为钛合金深度方向声束焦距在30mm处的能量分布云图，确定最优声束覆盖范围5mm～65mm，声束宽度2～4mm；图4b为钛合金深度方向声速焦距在40mm处的能量分布云图，确定最优声束覆盖范围5mm～80mm，声束宽度2.4～4.8mm，但5mm处分辨率低于焦距30mm；图4c为钛合金深度方向声束焦距在50mm处的能量分布云图，确定最优声束覆盖范围10～100mm，声束宽度2.4～5mm，根据实测得到的有效声束能量覆盖范围进行对比试块平底孔静态、动态扫查试验，调整扫查步进、扫查速度、重复频率等，最后得到图5中的钛合金为厚度为110mmΦ1.2平底孔检测灵敏度C扫描图，可以有效分辨不同埋深的平底孔，并且扫查结果具有较高的信噪比。
实施例2：请参阅图6、图7，检测厚度为300mm的钛合金锻坯，检测试块尺寸为650mm×320mm×300mm,选择的每组虚拟探头晶片数为32晶片,根据步骤一计算探头聚焦深度在220mm处的有效声束长度以及宽度，再经过步骤二和步骤三得到图6中钛合金深度方向声束焦距在220mm处的能量分布云图，确定最优声束覆盖范围95mm～330mm，声束宽度5mm～10mm，根据实测得到的有效声束能量覆盖范围进行对比试块平底孔静态、动态扫查试验，调整扫查步进、扫查速度、重复频率等，最后分区检验300mm钛合金锻坯时，在图6聚焦法则下检测范围为100～300mm，得到图7中的C扫描检测结果可以有效分辨较大埋深的Φ2.0平底孔。
本发明提供的钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，能够准确直观的建立不同聚焦法则下的相控阵线阵超声检测声场模型，根据声场能量的覆盖，为钛合金锻坯相控阵超声检测提供快可靠的方法指导，降低了检测方法制定的难度，无需特别材料，可以更加有效充分的指导相控阵线阵超声自动化检测方法。
本发明的优势在于：
(1)解决了目前钛合金锻坯相控阵检测方法的匮乏；
(2)能够准确直观的建立不同聚焦法则下的相控阵线阵超声检测声场模型，根据声场能量的覆盖，为钛合金锻坯相控阵超声检测提供快可靠的方法指导；
(3)合理有效的声场分析方法有助于制定高效准确的超声波检验方法，更加有效的对钛合金锻坯进行质量控制；
(4)降低了检测方法制定的难度。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据需要检测的钛合金厚度选择探头聚焦深度范围和每组虚拟探头晶片数，得到声场能量覆盖范围；
步骤二：在声场能量覆盖范围内进行不同深度的平底孔测试并记录声场能量分布数据；
步骤三：根据声场能量分布数据，得到能量分布云图；
步骤四：根据声场能量分布数据进行对比试块平底孔静态、动态扫查试验，调整扫查数据得到最优的动态扫查结果。
2.根据权利要求1所述的钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，其特征在于，步骤一中的声场能量覆盖范围是通过式(1)、式(2)、式(3)和式(4)计算有效声束宽度和有效声束长度得到的，
d＝0.2568DSF (3)
式中L为有效声束长度，F为焦距，N为近场区长度，D为晶片宽度，d为有效声束宽度，λ为超声波波长。
3.根据权利要求2所述的钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，其特征在于，有效声束宽度和有效声束长度是采用相控阵声场理论计算法得到的。
4.根据权利要求3所述的钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，有效声束宽度和有效声束长度是在能量下降一半声场中采用相控阵声场理论计算法得到的。
5.根据权利要求2所述的钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，其特征在于，步骤二中在平底孔测试中是根据相同平底孔当量下，在不同聚焦法则下通过移动探头前后与左右方向，测量不同深度平底孔下超声波能量幅值的变化。
6.根据权利要求5所述的钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，其特征在于，测量不同深度平底孔下超声波能量幅值的变化是测量有效声束宽度前后左右能量幅值下降一半的宽度方向的幅值数据和声场传播方向的能量幅值下降一半的长度幅值数据。
7.根据权利要求1所述的钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，其特征在于，在步骤三中能量分布云图是应用数字图像处理和双线性插值方法得到的。
8.根据权利要求6所述的钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，其特征在于，双线性插值是对测量数据根据式(5)中一元线性关系，进行插值补充数值，
n＝am+b (5)
式中，m为原始数据的像素点位置，n计算为插值数值，a为斜率，b为线性关系的截距。
9.根据权利要求1所述的钛合金相控阵线阵超声检测声场模型构建方法，其特征在于，钛合金厚度范围为20mm～330mm。
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