CN116183512A - 基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统，在被测物的表面制造裂纹缺陷；随后激发超声波，获得激光超声信号；实现对缺陷的扫描检测，同时获得缺陷附近的超声波场；通过对不同时刻的超声波场的重构，判断超声波的传播过程和与缺陷作用过程；随后从不同时刻超声波场图提取出能量谱，获得不同时刻缺陷对能量谱的影响；判断能量谱能量再分布情况，判断是否存在缺陷进而判断是否经过缺陷；分析在经过缺陷时，能量谱能量的衰减情况，并建立与缺陷深度的单一对应关系，实现缺陷的定量表征，同时使用人工智能算法提取其他参数实现缺陷的表征；本发明提高了激光超声的检测能力和表征能力。

Description

基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统
技术领域
本发明属于裂纹表征检测技术领域，具体涉及一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统。
背景技术
金属等材料在制造工程和服役阶段，由于其受到各种工作环境的影响，在其表面和内部极易产生裂纹等缺陷。如果不及时对其进行检测，极易产生断裂等失效情况，从而造成极大的人员和财产损失，所以需要对其进行及时的检测。目前针对裂纹等缺陷的检测方法有很多种，包括超声检测，射线检测，涡流检测等等，其中激光超声检测以其非接触，宽频带而受到广泛关注，常被用来对缺陷进行定性、定位和定量表征。但定量表征一直是缺陷检测表征的难点和重点。通过研究发现，由于裂纹的闭合效应，当激光通过热弹效应或烧蚀效应产生的超声传播至缺陷附近时，裂纹会对超声造成模式转换，同时也会对激光超声波进行能量再分布影响。更重要的是，裂纹的闭合也会消耗一部分能量。
反射系数主要考虑的是激光超声波的幅值，其计算方法为采用反射波峰值和入射波或者直达波峰值的比值用作定量表征裂纹等缺陷的损伤敏感特征参量。但是一般而言，很多因素都会影响幅值的大小，包括激光能量，激光光斑直径，材料特性，激发点和接收点位置等等。而且之前提到反射系数是采用峰值进行计算，这意味着这一算法无法考虑非峰值的其他波形，但是对于激光超声这种宽频带特性信号，则很容易忽略其他相关重要信息，从而无法得到所需要的结果。
因为反射系数存在很多问题，相关学者提出反射能量系数算法，即采用反射波与直达波能量比值，虽然可以解决只考虑峰值问题，但是因为需要分别求取直达波和反射波能量，那么就首先需要获得直达波和反射波信号，但是对于很多微小缺陷，从激光超声信号中准确的提取反射波是件很困难的事，所以只能用于大缺陷情况，这极大地限制了这种算法的应用场景。而且在现场信号采集中，由于信号受到很多其他信号的干扰，其反射波可能不是太明显，所以在实际操作中存在一定困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统，用于解决现有激光超声定量表征能力不足的技术问题。
本发明采用以下技术方案：
一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，包括以下步骤：
S1、以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；
S2、利用高功率脉冲激光分别在步骤S1得到的被测物表面和内部激发超声波；
S3、通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；
S4、求解步骤S3得到的激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；
S5、根据步骤S4得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；
S6、基于步骤S5得到的能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。
具体的，步骤S1中，裂纹的深度为0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm和0.9mm。
进一步的，裂纹的长度为5mm，宽度为0.5mm。
具体的，步骤S2中，采用热弹效应或烧蚀效应在被测物表面和内部激发出超声波。
具体的，步骤S3中，采用超声探头或光学干涉方式采集相应的信号，获得激光超声时频域信号。
具体的，步骤S4中，设置扫描间隔，通过光斑的扫描检测获得缺陷的激光超声波场图，然后采用能量谱算法获得不同时刻的激光超声波场能量谱。
具体的，步骤S5中，激光超声波在经过缺陷过程中能量谱的变化情况包括缺陷对激光超声能量的再分布特性。
具体的，步骤S6具体为：
对经过缺陷和未经过缺陷两种波场的能量谱所有能量进行求和，并计算能量差值和能量比值，通过建立与缺陷深度之间的对应关系，实现对缺陷深度的定量表征。
进一步的，采用人工智能方法从能量谱中提取对应参数实现对缺陷的表征。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征系统，包括：
加工模块，以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；
激发模块，利用高功率脉冲激光分别在加工模块得到的被测物表面和内部激发超声波；
扫描模块，通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；
计算模块，求解扫描模块得到的激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；
表征模块，根据计算模块得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；基于能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，从能量谱角度出发，结合裂纹等缺陷的闭合效应，可以判断材料的受损情况和缺陷的位置。同时分析声波经过缺陷时不同时刻的能量谱，可以获得缺陷与声波的相互作用，并可着重分析缺陷对声波能量的再分布情况。同时分析经过缺陷和未经过缺陷的不同能量值，可以通过能量差值或能量比值实现对裂纹等缺陷的定量表征。相比较之前多种损伤敏感特征算法，可以充分考虑不同频率的幅值，所以可以更详细的考虑激光超声不同频率的信号信息。由于在计算过程中，我们只关心能量谱信息，可以不用提取直达波和反射波，所以具有很强的抗干扰能力，同时也可以也可以检测微裂纹等微缺陷。
进一步的，为了后续的缺陷检测，考虑到我们所用激光的脉宽为8nm，我们设置缺陷深度为0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm。其好处不仅可以进行缺陷的检测，且基本可以体现本专利对于微裂纹等缺陷的检测优越性。
进一步的，由于采用的加工方式为线切割加工，所以设置裂纹宽度为0.5mm,考虑到裂纹的长宽比，且扫描范围为1cm，所以将裂纹长度设置为5mm。
进一步的，激光可以根据实际情况在被测物表面和内部激发出不同类型的声波，例如可以通过热弹效应激励出声表面波，也可以通过烧蚀效应激励出纵波等。所以在本专利中可根据不同的需求采用不同的激励方式从而获得不同类型的声波，从而扩大其应用范围。
进一步的，同样的可以根据实际情况进行不同类型的接收方式，如果仅仅以声表面波为研究对象，则可以采用超声探头进行声波的接收。如果需要研究所有波形，则可以采用光学干涉仪，同时光学干涉仪也不受被测物表面的影响。
进一步的，考虑到本实验平台的精度限制，我们设置扫描步长为1mm，但可以采用更加精密的运动平台从而实现更小的扫描步长，进而获得更加详细清楚的成像图。随后采用能量谱进行分析，通过分析不同时刻的能量谱，可以获得缺陷对声波作用的过程，有利于分析缺陷对声波的能量再分布过程，特别是声波中不同频率成分的能量占比变化情况。
进一步的，由于裂纹闭合效应对缺陷尺寸较为敏感，且声波与缺陷相互作用后，会携带缺陷信息，最直观的就是能量的变化，所以采用能量谱分析进行缺陷的定量表征，从而更容易更准确的实现缺陷的表征，因为裂纹等缺陷的闭合效应引起能量的变化，而且能量的变化又不像幅值的变化较为单一，所以采用能量谱分析可以更全面的获得缺陷的尺寸等信息。
进一步的，通过之前的分析，声波在经过缺陷时，缺陷对声波的能量进行再分布影响。同时由于缺陷的闭合效应，声波在经过缺陷时，会造成能量的衰减等变化，且衰减情况与缺陷深度具有密切关系。所以我们通过计算经过缺陷前后的能量差值和比值实现对缺陷深度的定量表征，通过前文研究，缺陷除对声波的整体能量造成再分布影响，对不同频率成分能量占比也具有极其明显的影响，所以同样可以通过分析不同频率成分能量占比来实现缺陷深度的定量表征。
进一步的，通过引入人工智能算法，可以有效提高激光超声的表征精度。
可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
综上所述，本发明利用激光超声检测的优点，同时进一步提高激光超声技术定量表征能力，扩大激光超声应用范围，有效提高激光超声定量表征能力，实现对裂纹型缺陷的尺寸表征。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为缺陷的激光超声扫描示意图；
图2为0.7mm深度的缺陷时频域图；
图3为不同时刻的激光超声波场图，其中，(a)为未经过缺陷，(b)为接触缺陷，(c)为经过缺陷；
图4为不同时刻激光超声波场的能量谱图，其中，(a)为未经过缺陷，(b)为经过缺陷；
图5为缺陷附近的不同时刻的波场能量谱图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，在被测物的表面人工制造出裂纹缺陷；随后采用高功率脉冲激光器在被测物表面和内部激发出超声波，获得激光超声信号；并且采用运动平台，实现对缺陷的扫描检测，同时获得缺陷附近的超声波场；通过对不同时刻的超声波场的重构，判断出超声波的传播过程和与缺陷作用过程；随后从不同时刻超声波场图提取出其能量谱，获得不同时刻缺陷对能量谱的影响；首先判断能量谱能量再分布情况，判断是否存在缺陷进而判断是否经过缺陷；随后进一步分析超声波场能量谱，分析在经过缺陷时，能量谱能量的衰减情况，并建立其与缺陷深度的单一对应关系，从而实现裂纹等缺陷的定量表征，同时也可以使用人工智能算法提取出其他参数实现缺陷的表征。本发明基于超声波场的能量谱实现对缺陷的表征，提高了激光超声的检测能力和表征能力。
本发明以裂纹闭合效应为定量表征出发点，对激光超声能量谱进行分析，分析超声波的传播过程和与缺陷作用过程，并分析超声波能量的衰减情况，最终实现对裂纹等缺陷的检测和定量表征。
通过能量谱分析中的能量再分布特性可以判断是否经过缺陷。一般而言，当声波未经过缺陷时，声波存在主峰能量。但是声波在经过缺陷时，主峰能量逐渐消失，同时向其他频率进行能量传递。基于此可以判断是否经过缺陷，也可以判断是否存在缺陷并确定缺陷的位置。在判断存在缺陷后，将缺陷附近不同时刻波场的能量谱综合进行分析，获得裂纹等缺陷与激光超声的相互作用，并得到缺陷对声波的能量再分布特性。而且计算经过缺陷和未经过缺陷的能量差值或比值，可以判断裂纹等缺陷尺寸，包括深度、长度、宽度，从而实现裂纹等缺陷的存在判断和定量表征。
本发明所提出的能量谱分析包括能量的再分布特性和能量损耗值。本发明所提出的能量损耗值表征方法区别于现有的表征方法，包括反射系数(反射波最大幅值与直达波最大幅值比)、反射能量系数。
本发明提出的能量谱分析定量表征方法存在如下优点：
一是从能量角度进行了分析，充分考虑了激光超声这种多频带，多幅值的特点。
二是直接通过能量谱分析，不用单纯的考虑直达波和反射波，可以应用于微缺陷，扩展了激光超声在微小缺陷中的应用。
如果信号的能量有限0<E<∞称作能量有限信号，简称能量信号，如三角函数、门函数等；能量与频谱F(jω)的关系；
Figure BDA0004065642750000081
即有：
Figure BDA0004065642750000082
上式称为帕斯瓦尔式或能量等式，在频域中F(jω)为单位频率上的能量。
对于能量信号，常用能量谱来描述。所谓的能量谱，也称为能量谱密度，是指用密度的概念表示信号能量在各频率点的分布情况，对能量谱在频域上积分就可以得到信号的能量。能量谱是信号幅度谱的模的平方，其量纲是焦/赫。
E(ω)＝|F(ω)|2 (3)
Figure BDA0004065642750000091
Figure BDA0004065642750000092
Figure BDA0004065642750000093
其中，E1未经过缺陷的能量谱能量和，E2经过缺陷的能量谱能量和，通过能量衰减值D表达两者之差，也可以用能量比值M来进行表征。
请参阅图1，本发明一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，包括以下步骤：
S1、对被测物进行预处理，在其表面加工出具有一定长度宽度深度的裂纹，其中以深度作为待表征尺寸，用于定量表征；
S2、利用高功率脉冲激光采用热弹效应或烧蚀效应在材料表面和内部激发出超声波；
采用接触或者非接触两种方式采集超声信号。
考虑到激光超声常采用激光器为纳米级激光器，且检测精度等要求，更重要的是需要对裂纹等缺陷附近的波场进行重构，所以在设置裂纹尺寸时，将裂纹的长度设置5mm，宽度为0.5mm，深度为0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm，0.9mm。由于尺度为亚毫米，加工方式为线切割钼丝放电。
S3、通过被测物或者激光光束的移动实现激光光斑的移动，实现对缺陷的激光超声扫描检测，结合采集到的数据，根据声学互异性原理，进行激光超声波场重构；
利用高功率脉冲激光在材料表面激发超声波，采用超声探头或光学干涉方式采集相应的信号，获得激光超声时频域信号。一般而言，高功率激光器通过热弹效应或烧蚀效应在材料表面和内部激励产生超声波，根据不同的效应设置不同的激光器参数。由于设备的原因，采用超声探头结合精密运动平台的方式。所以除激光器之外，还需要准直扩束镜和聚焦透镜或柱面透镜对光束进行处理，同时必要时还需要衰减片。为验证本发明，且要求无损检测，在实验中将激光器功率设置为30Mj。
S4、对激光超声波场进行能量谱求解，实现对缺陷位置的判断；
因为需要判断是否存在缺陷，所以分为未经过缺陷和经过缺陷两种情况并分别进行能量谱求解，在未遇到缺陷时，能量谱显示在主峰频率能量偏高，但是在经过缺陷后，主峰能量衰减，并向其他频率进行能量传递，存在能量的再分布情况，基于此实现对缺陷位置的判断。
在获得单点激发单点接收的时频域之后，采用精密运动平台实现被测物的移动，由于运动的相对性，相当于实现了光斑的移动，通过光斑的扫描检测，基于声学的互异性，获得缺陷附近的激光超声波场图，为了提高扫描精度，扫描间隔为1mm，在获得激光超声波场之后，采用能量谱算法获得不同时刻的激光超声波场能量谱。
S5、在获得缺陷的位置时，判断得出声波经过缺陷的时刻，将经过缺陷时的多个时刻的超声波波场能量谱同时分析，得到激光超声波在经过缺陷过程中能量谱的变化情况，从而分析缺陷与激光超声的相互作用，包括缺陷对激光超声能量的再分布特性；
由于声波传播至缺陷处，缺陷的闭合效应会对声波进行能量再分布，会改变声波能量的分布规律。通过该声波的能量再分布情况，可以判断缺陷是否存在。
S6、在之前获得能量谱之后，确定了缺陷的存在，针对存在缺陷的激光超声波场进一步分析以进行缺陷的定量表征；
对经过缺陷和未经过缺陷两种波场的能量谱所有能量进行求和，并计算能量差值和能量比值，通过建立与缺陷深度之间的对应关系，实现对缺陷深度的定量表征。
由于缺陷的闭合效应，当声波传递到缺陷时，缺陷的张开与闭合会消耗部分能量，使得在经过缺陷前后的声波能量出现衰减，而且不同缺陷张开和闭合所消耗的能量也不同，基于此可以实现对缺陷深度的表征。
S7、除采用能量差值或能量比值，采用人工智能方法从能量谱中提取相关参数实现对缺陷的表征。
在声波经过缺陷时，由于裂纹的缺陷的影响，会造成声波在经过缺陷存在能量的衰减，而且不同深度的能量衰减值不同，基于此本发明能够实现对缺陷的定量表征。
在声波经过缺陷时，由于裂纹的缺陷的影响，会造成声波在经过缺陷存在能量的衰减，而且不同深度的能量衰减值不同，基于此本发明能够实现对缺陷的定量表征。
相关参数主要是指经过缺陷后能量谱的变化情况，例如整体的能量差值或者能量比值，以及不同频率成分能量占比等。
具体的人工智能方法则包括机器学习，深度学习、神经网络等。
本发明再一个实施例中，提供一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征系统，该系统能够用于实现上述基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，具体的，该基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征系统包括加工模块、激发模块、扫描模块、计算模块以及表征模块。
其中，加工模块，以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；
激发模块，利用高功率脉冲激光分别在加工模块得到的被测物表面和内部激发超声波；
扫描模块，通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；
计算模块，求解扫描模块得到的激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；
表征模块，根据计算模块得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；基于能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法的操作，包括：
以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；利用高功率脉冲激光分别在被测物表面和内部激发超声波；通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；求解激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；根据得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；基于能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(Non-Volatile Memory)，例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；利用高功率脉冲激光分别在被测物表面和内部激发超声波；通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；求解激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；根据得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；基于能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
以金属纯铝为被测物，铝板尺寸长为200mm,宽为50mm，厚为10mm，通过相关实验对本发明进行初步验证性实验，裂纹深度设置为0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm，0.9mm，宽度为0.5mm，长度为5mm；然后采用高功率脉冲激光器通过热弹效应在铝板表面和内部激发出超声波，并且采用运动平台进行缺陷的激光超声扫描检测，然后获得缺陷附近的超声波场图，根据缺陷大小和超声探头的位置，将扫描间隔设置为1mm，扫描范围为30mm*20mm，共计600个点。
通过能量谱分析算法，提取出波场图对应的能量谱，然后通过分析能量谱的主峰能量再分布情况判断是否存在缺陷并确定缺陷的位置。同时将经过缺陷时的不同时刻的能量谱同时进行分析，可以分析超声波的传播过程和与缺陷相互作用过程。最后通过分析未经过缺陷和经过缺陷的能量差值或比值，结合缺陷的不同深度，实现对裂纹型缺陷的检测和表征。
通过分析，建立了与裂纹尺寸之间的对应关系，部分实验结果如下所示：
首先从600个扫描点数据选出一个未经过缺陷点，并获得其时频域数据，用以分析声波在未经过缺陷时的时域和频域信号。由于在经过缺陷时，每一个点的时频域数据均有变化，所以我们可以用作判断声波是否经过缺陷的依据。以0.7mm深度的缺陷作为分析对象。其时频域信号如图2所示。
针对采集到的600个扫描点数据，我们通过声学的互异性，进行不同时刻的激光超声波场的重构，并将其分为未经过缺陷、接触缺陷和经过缺陷两种情况，如图3所示。
通过声波的传播过程我们可以判断缺陷是否存在，同时可进一步获得缺陷的位置。经过上述初步实验，判断出缺陷的初步位置，在扫描范围内15mm处。
通过之前超声波的传播过程，获得缺陷的初步位置，然后随后针对缺陷附近不同时刻，获得激光超声波场的能量谱。从而分析缺陷与超声波场的相互作用过程，并着重分析缺陷对激光超声波场的能量再分布特性，如图4所示，其中，A和B分别为未经过缺陷的波场能量谱和经过缺陷的波场能量谱。
除了分析经过缺陷和未经过缺陷的能量谱。着重分析缺陷附近的能量谱，从而得到缺陷与声波的相互作用过程。缺陷附近的能量谱如图5所示。
通过分析缺陷附近的不同时刻的波场能量谱，得到缺陷与缺陷的相互作用，包括缺陷对声波的能量再分布。
最后通过计算经过缺陷和未经过缺陷的能量差值实现对缺陷的定量表征。除直接用能量差来实现缺陷的定量表征，还可以通过AI算法进行人工智能学习，从而更加实现更加准确的缺陷表征。
最终，通过激光超声波场的能量谱分析，实现了针对缺陷的检测，包括位置检测，缺陷与声波相互作用分析和定量表征。
本发明从能量角度进行分析，相比较于其他表征方法，可以有效减少激光超声这种宽频带对结果的影响。
同时从超声波场图中提取能量谱而不是单一激发点的能量谱，可以综合考虑多个激发点的情况进一步减少单一信号的影响，极大地保证最终结果的计算精度。
同时充分考虑了裂纹闭合效应，通过本发明不仅可以提高激光超声定量表征的能力和检测能力，而且可以推动针对裂纹闭合效应的应用和研究。
综上所述，本发明一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法及系统，在被测物的表面采用线切割方式加工出一条具有一定宽度、长度和深度的凹槽作为裂纹，并将深度作为表征对象；利用高功率脉冲激光在被测物表面和内部激发超声波，获得激光超声时频域信号；采用声表面探头或光学干涉方式采集表面波信号，并通过二维振镜或精密运动平台实现光斑或被测物的移动扫描，根据声学互异性，实现对缺陷附近激光超声波场的重构。通过能量谱算法从激光超声波场中获得波场的能量谱，并根据能量谱主峰能量变化情况判断缺陷是否存在并进行缺陷的定位。通过分析能量谱的能量再分布特性，获得声波的传播过程和与缺陷相互作用过程，最后通过能量差值或比值实现对缺陷的表征。除此之外，还可以通过人工智能等方法，提取其他参数实现更高精度的缺陷表征。本发明充分考虑到裂纹与缺陷相互作用，包括对声波能量的再分布特性，以能量谱为基础，提高了激光超声的检测能力和表征能力。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；
S2、利用高功率脉冲激光分别在步骤S1得到的被测物表面和内部激发超声波；
S3、通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；
S4、求解步骤S3得到的激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；
S5、根据步骤S4得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；
S6、基于步骤S5得到的能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。
2.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S1中，裂纹的深度为0.1mm，0.3mm，0.5mm，0.7mm和0.9mm。
3.根据权利要求2所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，裂纹的长度为5mm，宽度为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S2中，采用热弹效应或烧蚀效应在被测物表面和内部激发出超声波。
5.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S3中，采用超声探头或光学干涉方式采集相应的信号，获得激光超声时频域信号。
6.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S4中，设置扫描间隔，通过光斑的扫描检测获得缺陷的激光超声波场图，然后采用能量谱算法获得不同时刻的激光超声波场能量谱。
7.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S5中，激光超声波在经过缺陷过程中能量谱的变化情况包括缺陷对激光超声能量的再分布特性。
8.根据权利要求1所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，步骤S6具体为：
对经过缺陷和未经过缺陷两种波场的能量谱所有能量进行求和，并计算能量差值和能量比值，通过建立与缺陷深度之间的对应关系，实现对缺陷深度的定量表征。
9.根据权利要求8所述的基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征方法，其特征在于，采用人工智能方法从能量谱中提取对应参数实现对缺陷的表征。
10.一种基于能量谱分析的激光超声裂纹尺寸定量表征系统，其特征在于，包括：
加工模块，以裂纹深度作为待表征尺寸，在被测物表面加工裂纹；
激发模块，利用高功率脉冲激光分别在加工模块得到的被测物表面和内部激发超声波；
扫描模块，通过移动被测物或者激光光束实现激光光斑的移动，完成对缺陷的激光超声扫描检测，基于激光超声扫描采集的数据进行激光超声波场重构；
计算模块，求解扫描模块得到的激光超声波场的能量谱，根据能量谱判断缺陷位置；
表征模块，根据计算模块得到的缺陷位置确定激光超声波经过缺陷的时刻，同时对多个时刻经过缺陷时激光超声波的波场能量谱进行分析，得到激光超声波在经过缺陷过程的能量谱变化情况；基于能量谱变化情况确定在经过缺陷时能量谱能量的衰减情况，建立能量谱与缺陷深度的单一对应关系，实现裂纹尺寸的定量表征。
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