CN113899818B - 一种面向机身结构的t型构件r区缺陷超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种面向机身结构的T型构件R区缺陷超声检测方法，超声相控阵探头与待检构件之间的有效声耦合可以保证声束尽可能的进入待测件，减小声束能量损失，是实现R区检测和保证检测性能的前提和基础。将超声相控阵探头放置于T型待检测构件背部平面，对内部的R区进行缺陷成像。超声相控阵探头利用声束聚焦延时法则实现合成孔径动态聚焦，获得合成孔径动态聚焦数据库。合成孔径动态聚焦数据库用以后期缺陷的动态聚焦成像，同时对缺陷进行定性定量表征。本发明面向机身结构的T型构件R区，基于超声相控阵合成孔径动态聚焦方法对缺陷进行超声检测，并进行定性定量表征。

Description

一种面向机身结构的T型构件R区缺陷超声检测方法

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，具体地，涉及一种面向机身结构的T型构件R区缺陷超声检测方法。

背景技术

相较于世界先进的国家，我国当下的航空维修检测技术还存在一定的不足，即使是近年来经过了较为快速的发展，但是我国飞机无损检测技术在尖、精、高等方面还应当不断进行强化，尤其飞机内部自检测方面的相关技术还应当确保能够真正应用于飞机维修中。同时，还需要不断提升数据处理与收集的精准度，真正实现数据收集以及分析过程中的自动化，为检测技术的高速发展打下良好的基础。飞机结构在疲劳载荷及外界环境的作用下，容易出现裂纹、铆钉松动、蒙皮鼓动等损伤。这些损伤降低了飞机结构的强度和刚度，影响了飞机的飞行性能和飞行安全。同理，机身结构的缺陷对飞机使用过程中的安全性的影响至关重要。如果机身在飞行过程中出现破损、断裂等缺陷，会对飞行状况产生很大的风险，将对财力、人员安全等造成不可预估的严重后果。因此，对飞机机身结构进行定期检测和修理，使飞机处于良好的状态，是保证部队飞行战斗力的重要保证。

为了适合不同的使用场合，在航空航天的构件中多数构件具有复杂的外形结构区，如L型构件、T型构件、Ω型构件等统称为R区。机身结构T型构件R过渡区是应力集中区域，在生产制造以及使用过程中容易产生裂纹、空隙等缺陷会发生断裂等现象。为了保证飞机的使用寿命以及用户使用的安全可靠性需求，对机身结构的T型构件R区采用准确可靠的无损检测技术进行缺陷检测，安全性能评估，具有十分重要的意义。

近几年，超声无损检测技术在工业检测领域发展迅速，超声无损检测技术越来越受到重视，并且成为研究的热点，越来越多的研究人员对超声无损检测技术进行了深入的研究。浙江大学提出一种基于超声调制的亚表面缺陷检测装置及方法一种基于超声调制的亚表面缺陷检测装置及方法。公开号：CN110779927B。包括超声激发装置、激光散射检测装置、运动平台、样品台、光电二极管、二极管放大器和数字示波器；将超声调制技术与激光散射缺陷检测技术相结合，通过在检测样品表面进行超声调制，引入缺陷特征在运动状态下的动态变化，观测并分析此状态下缺陷的静态光散射效应，通过对散射光强的幅值及相位变化进行分析实现对缺陷的检测。本发明在散射检测中加入超声调制，提供两种缺陷检测结果，并利用扫描方式提供直观的缺陷分布图像。该发明可应用于精密光学元件的缺陷检测，尤其适用于对亚表面缺陷有严格要求的超精密光学元件的成品检测。该方法存在的问题在于：检测深度有限，只能对构件亚表面进行缺陷检测，无法适合机身结构中T型构件具有一定深度的R区缺陷检测。

大连理工大学提出一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法。公开号：CN106093205B。包括相控阵超声探伤仪、相控阵超声探头和倾斜有机玻璃楔块的超声检测系统，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行检测，获得各相控阵阵元的A扫描信号集合。利用费马定理求解各相控阵阵元与图像重建点在楔块/试块界面处的出射点位置，并对各A扫描信号进行时间延迟和幅值叠加处理。对处理后的A扫描信号进行希尔伯特变换，利用差值函数获得重建后的超声检测B扫描图像。该方法的缺陷检测分辨力高，检测范围大，可提高检测效率，为厚壁结构缺陷的无损检测问题提供有效解决方法。该方法存在的问题在于：该成像装置与方法无法适用于机身结构中T型构件R区的缺陷检测。

上海宝钢工业技术服务有限公司与上海帝弼检测科技有限公司提出了一种用于连铸辊缺陷检测的超声相控阵自动检测系统用于连铸辊缺陷检测的超声相控阵自动检测系统。公开号：CN104597122B。包括储辊单元、扫查传动单元、扫查执行单元、超声相控阵发生器、耦合液供给单元和工控计算机，扫查传动单元驱动扫查执行单元连接储辊单元上的待测连铸辊端，超声相控阵发生器控制扫查执行单元检测待测连铸辊缺陷，耦合液供给单元供给扫查执行单元检测待测连铸辊缺陷的耦合液，工控计算机连接超声相控阵发生器和扫查传动单元用于控制扫查执行单元执行待测连铸辊缺陷的检测、记录存储检测数据和控制扫查传动单元对扫查执行单元的驱动。该检测系统实现连铸辊缺陷的自动检测，有效提高检测效率及缺陷检出率，可准确，直观的显示缺陷横向信息，便于保存完整的检测信息，保证了连铸辊的在线运行。该方法存在的问题在于：该成像装置与方法无法适用于机身结构中T型构件R区的缺陷检测。

目前，市场上对于待测件进行超声缺陷检测往往是面向平板、螺栓、焊缝等常见结构。然而，在航空航天实际检测需求中，具有R区的T型构件也亟待有相应的检测方法对其进行缺陷无损检测。综上所述，目前市场缺乏一种可以面向机身结构T型构件的R区缺陷超声检测装置与方法，对其缺陷进行定性定量表征。

发明内容

针对上述T型构件R区缺陷超声检测现有技术的不足，本发明提出了一种面向机身结构的T型构件R区缺陷超声检测方法，超声相控阵探头与待检构件之间的有效声耦合可以保证声束尽可能的进入待测件，减小声束能量损失，是实现R区检测和保证检测性能的前提和基础；将超声相控阵探头放置于T型待检测构件背部平面，对内部的R区进行缺陷成像；超声相控阵探头利用声束聚焦延时法则实现合成孔径动态聚焦，获得合成孔径动态聚焦数据库；合成孔径动态聚焦数据库用以后期缺陷的动态聚焦成像，同时对缺陷进行定性定量表征。

本发明是通过以下方案实现的：

一种面向机身结构的T型构件R区缺陷超声检测方法：

在开始检测前，首先固定T型待检测构件，使超声相控阵探头放置于T型待检测构件背部平面，两者接触界面涂有耦合剂保证有效声耦合；

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：将n个阵元合成为一个合成孔径，获取合成孔径动态聚焦数据库；

步骤二：超声波传播时间计算；

步骤三：确定回波数据中合成孔径的索引值，进行缺陷超声检测。

进一步地，在步骤一中，

确定合成孔径的阵元数目，所述合成孔径由n个阵元为一组合成，超声相控阵探头1，按照声束聚焦延时法则进行激发，使合成孔径的合成聚焦声束通过T型待检测构件2的R区圆弧面的圆心，垂直于被检测构件圆弧界面进入T型待检测构件2中；得到合成孔径每个阵元的回波数据，并将采集到的数据储存到寄存器中；

再将合成孔径向右移动一个阵元距离，重新进行阵元的激励与数据的采集，将采集到的数据储存到寄存器中；直到合成孔径移动所有阵元距离，完成所有阵元的激励与数据的采集；将寄存器里的数据按照延时法则计算得到的时间差，进行时延调整、信号叠加和平均处理，完成合成孔径的动态聚焦数据库。

进一步地，在步骤二中，

当声波从坐标为(x_i，z_i)的第i个阵元晶片到达T型待检测件聚焦点(x_r，z_r)，折射声波由坐标为(x_j，z_j)的第j个阵元晶片接收，则超声波传播声程由以下公式得到

式中：x_i＝(i-N/2-0.5)·d(i＝1,2,...,N)；

x_i＝(i-N/2-0.5)·d(i＝1,2,...,N)；

z_i＝z_j＝0。

进一步地，在步骤三中，

选定T型待检测构件2的R区作为成像区域，采用x方向、z方向以步进值划分网格，获得成像区域中每个成像聚焦点的坐标，确定回波数据中聚焦点的索引值；

确定声波从成像聚焦点垂直经过T型待检测构件2的R区界面时所对应的阵元晶片1a的位置，即成像聚焦点与圆弧中心点连线延长线与阵元晶片1a相交的位置；

然后以该晶片位置作为中心，选取相邻的阵元晶片作为该成像聚焦点的合成孔径，确定回波数据中合成孔径的索引值；

对于T型待检测构件2的左半部分成像区域，选取圆弧中心点O₁，对于T型待检测构件2的右半部分成像区域，选取圆弧中心点O₂；则左侧和右侧聚焦点(x，z)所对应合成孔径的起始和终止阵元可分别推导得，

通过超声波传播声程计算公式得到的各声程，按照各索引值对数据库中信号数据进行寻址计算，得到幅值大小作为该成像聚焦点的灰度值，从而完成T型R区的缺陷检测以及定性定量表征；

式中：N为相控阵换能器的阵元个数；d为阵元间距；h₂为R区曲面圆心与T型待检测构件2上表面的垂直距离d₁为R区曲面圆心O₁与T型待检测构件2中心线的水平距离；d₂为R区曲面圆心O₂与T型待检测构件2中心线的水平距离；

根据得到的各声程，按照各索引值对数据库中信号数据进行寻址计算，得到幅值大小作为该成像聚焦点的灰度值，从而完成T型R区的缺陷检测以及定性定量表征。

本发明有益效果

(1)本发明面向机身结构的T型构件R区，基于超声相控阵合成孔径动态聚焦方法对缺陷进行超声检测，并进行定性定量表征；

(2)超声相控阵探头与待检构件之间的有效声耦合可以保证声束尽可能的进入待测件，减小声束能量损失；将超声相控阵探头放置于T型待检测构件背部平面，对内部的R区进行缺陷成像；

(3)超声相控阵探头利用声束聚焦延时法则实现合成孔径动态聚焦，获得合成孔径动态聚焦数据库；合成孔径动态聚焦数据库用以后期缺陷的动态聚焦成像，同时对缺陷进行定性定量表征。

附图说明

图1是本发明的超声检测装置结构示意图；其中1为线性阵列超声相控阵探头，2为T型待检测构件；

图2是线性阵列超声相控阵探头结构示意图；其中1a为阵元晶片，1b为线性阵列超声相控阵探头外壳；

图3是声波传播时间示意图；

图4是合成孔径动态聚焦缺陷检测示意图；

图5是缺陷超声检测方案流程框图。

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。

结合图1至图5，

一种面向机身结构的T型构件R区缺陷超声检测方法：

在开始检测前，首先固定T型待检测构件，使超声相控阵探头此处用32阵元为例进行表述放置于T型待检测构件背部平面，两者接触界面涂有耦合剂保证有效声耦合；

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：将n个阵元合成为一个合成孔径，获取合成孔径动态聚焦数据库；

步骤二：超声波传播时间计算；

步骤三：确定回波数据中合成孔径的索引值，进行缺陷超声检测。

在步骤一中，

确定合成孔径的阵元数目，所述合成孔径由n个阵元为一组合成，此处以8阵元为一组合成孔径为例进行表述，32阵元的线性阵列超声相控阵探头1，标号1号-32号。从1号阵元开始，8个阵元为一组合成孔径；超声相控阵探头1，按照声束聚焦延时法则进行激发，使合成孔径的合成聚焦声束通过T型待检测构件2的R区圆弧面的圆心，垂直于被检测构件圆弧界面进入T型待检测构件2中；得到合成孔径每个阵元的回波数据，并将采集到的数据储存到寄存器中；

再将合成孔径向右移动一个阵元距离，重新进行阵元的激励与数据的采集，将采集到的数据储存到寄存器中；直到合成孔径移动25个阵元距离，完成25个阵元的激励与数据的采集；将寄存器里的数据按照延时法则计算得到的时间差，进行时延调整、信号叠加和平均处理等一系列操作，实现25组合成孔径的动态聚焦数据库。

在步骤二中，

当声波从坐标为(x_i，z_i)的第i个阵元晶片到达T型待检测件聚焦点(x_r，z_r)，折射声波由坐标为(x_j，z_j)的第j个阵元晶片接收，则超声波传播声程由以下公式得到

式中：x_i＝(i-N/2-0.5)·d(i＝1,2,...,N)；

x_i＝(i-N/2-0.5)·d(i＝1,2,...,N)；

z_i＝z_j＝0。

在步骤三中，

选定T型待检测构件2的R区作为成像区域，采用x方向、z方向以步进值划分网格，获得成像区域中每个成像聚焦点的坐标，确定回波数据中聚焦点的索引值；

确定声波从成像聚焦点垂直经过T型待检测构件2的R区界面时所对应的阵元晶片1a的位置，即成像聚焦点与圆弧中心点连线延长线与阵元晶片1a相交的位置；

然后以该晶片位置作为中心，选取相邻的8个阵元晶片作为该成像聚焦点的合成孔径，确定回波数据中合成孔径的索引值；

对于T型待检测构件2的左半部分成像区域，选取圆弧中心点O₁，对于T型待检测构件2的右半部分成像区域，选取圆弧中心点O₂；则左侧和右侧聚焦点(x，z)所对应合成孔径的起始和终止阵元可分别推导得，

通过超声波传播声程计算公式得到的各声程，按照各索引值对数据库中信号数据进行寻址计算，得到幅值大小作为该成像聚焦点的灰度值，从而完成T型R区的缺陷检测以及定性定量表征；

式中：N为相控阵换能器的阵元个数；d为阵元间距；h₂为R区曲面圆心与T型待检测构件2上表面的垂直距离d₁为R区曲面圆心O₁与T型待检测构件2中心线的水平距离；d₂为R区曲面圆心O₂与T型待检测构件2中心线的水平距离；

如果a(x,z)＜1，则令a(x,z)＝1，b(x,z)＝8；如果b(x,z)＞32，则令a(x,z)＝25，b(x,z)＝32。

根据得到的各声程，按照各索引值对数据库中信号数据进行寻址计算，得到幅值大小作为该成像聚焦点的灰度值，从而完成T型R区的缺陷检测以及定性定量表征。

以上对本发明所提出的一种面向机身结构的T型构件R区缺陷超声检测方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种面向机身结构的T型构件R区缺陷超声检测方法，其特征在于：

在开始检测前，首先固定T型待检测构件，使超声相控阵探头放置于T型待检测构件背部平面，两者接触界面涂有耦合剂保证有效声耦合；

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：将N个阵元合成为一个合成孔径，获取合成孔径动态聚焦数据库；

步骤二：超声波传播时间计算；

步骤三：确定回波数据中合成孔径的索引值，缺陷超声检测；

选定T型待检测构件(2)的R区作为成像区域，采用x方向、z方向以步进值划分网格，获得成像区域中每个成像聚焦点的坐标，确定回波数据中聚焦点的索引值；

确定声波从成像聚焦点垂直经过T型待检测构件(2)的R区界面时所对应的阵元晶片(1a)的位置，即成像聚焦点与圆弧中心点连线延长线与阵元晶片(1a)相交的位置；

然后以该晶片位置作为中心，选取相邻的阵元晶片作为该成像聚焦点的合成孔径，确定回波数据中合成孔径的索引值；

对于T型待检测构件(2)的左半部分成像区域，选取圆弧中心点O₁，对于T型待检测构件(2)的右半部分成像区域，选取圆弧中心点O₂；则左侧和右侧聚焦点(x，z)所对应合成孔径的起始和终止阵元可分别推导得，

通过超声波传播声程计算公式得到的各声程，按照各索引值对数据库中信号数据进行寻址计算，得到幅值大小作为该成像聚焦点的灰度值，从而完成T型R区的缺陷检测以及定性定量表征；

式中：N为相控阵换能器的阵元个数；d为阵元间距；h₂为R区曲面圆心与T型待检测构件(2)上表面的垂直距离，d₁为R区曲面圆心O₁与T型待检测构件(2)中心线的水平距离，d₂为R区曲面圆心O₂与T型待检测构件(2)中心线的水平距离；

根据得到的各声程，按照各索引值对数据库中信号数据进行寻址计算，得到幅值大小作为该成像聚焦点的灰度值，从而完成T型R区的缺陷检测以及定性定量表征。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤一中，

确定合成孔径的阵元数目，所述合成孔径由N个阵元为一组合成，超声相控阵探头(1)，按照声束聚焦延时法则进行激发，使合成孔径的合成聚焦声束通过T型待检测构件(2)的R区圆弧面的圆心，垂直于被检测构件圆弧界面进入T型待检测构件(2)中；得到合成孔径每个阵元的回波数据，并将采集到的数据储存到寄存器中；

再将合成孔径向右移动一个阵元距离，重新进行阵元的激励与数据的采集，将采集到的数据储存到寄存器中；直到合成孔径移动所有阵元距离，完成所有阵元的激励与数据的采集；将寄存器里的数据按照延时法则计算得到的时间差，进行时延调整、信号叠加和平均处理，完成合成孔径的动态聚焦数据库。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤二中，

当声波从坐标为(x_i，z_i)的第i个阵元晶片到达T型待检测件聚焦点(x_r，z_r)，折射声波由坐标为(x_j，z_j)的第j个阵元晶片接收，则超声波传播声程由以下公式得到

式中：x_i＝(i-N/2-0.5)·d(i＝1,2,...,N)；

x_j＝(j-N/2-0.5)·d(j＝1,2,...,N)；

z_i＝z_j＝0。

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