CN117491504A - 一种基于一发一收相控阵探头的分层缺陷轮廓重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于一发一收相控阵探头的分层缺陷轮廓重建方法，属于无损检测技术领域。该方法采用由相控阵超声检测仪、两个相控阵探头和楔块构成的检测系统，两个相控阵探头对称放置并组成一发一收模式采集全矩阵信号；针对不同待测区域，选择不同模式波进行延时叠加处理和成像分析，从而实现未知分层缺陷的轮廓重建与定量检测。该方法利用一发一收相控阵模式，避免了直入射检测时不规则表面结构对探头放置的干扰，以及单探头斜入射检测时反射信号难以被接收的问题，能够重建先验未知的分层缺陷轮廓，缺陷特征辨识直观，且定量检测精度较高，具有较好的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种基于一发一收相控阵探头的分层缺陷轮廓重建方法。
背景技术
分层缺陷作为金属和复合材料服役过程中常见的损伤形式，影响了构件的力学性能和使用寿命。因此，对金属及复合材料层合板内部的分层缺陷进行无损检测研究至关重要。超声检测灵敏度和穿透力高，对面积型缺陷敏感，已经成为分层缺陷检出和定量的重要方法之一。常规超声可以通过A扫、B扫和C扫等显示方式呈现分层缺陷位置和尺寸，但考虑到声场覆盖范围、构件表面复杂程度和检测效率等因素影响，常规超声检测难以满足分层缺陷精确定量要求。
针对上述问题，相控阵超声通过延时激发各个晶片，实现对超声束的扫描、偏转和聚焦，其对分层缺陷的定位及定量精度超过了常规超声方法。若待测结构表面平整，利用直入射相控阵超声结合B扫和C扫等图像，能够实现水平分层缺陷的定量检测(曹弘毅等.复合材料层压板分层缺陷相控阵超声检测参数优化方法.材料工程,2020,48(9):158-165)。全聚焦等超声信号后处理方法可通过呈现缺陷轮廓特征，实现构件内部分层缺陷的识别与定量(钟芳桃等.航空金属薄板分层缺陷的频率-波数域超声相控阵全聚焦法成像检测.无损检测,2021,43(7):50-56)。需要指出的是，上述研究均是针对表面规则结构中的分层缺陷实施直入射检测，而实际待测结构表面往往不平整，甚至存在余高或凹陷。利用相控阵探头直入射检测时，余高和凹陷使得探头难以放置在待测区域正上方，造成声场难以有效覆盖待测区域。采用匹配角度楔块的斜入射检测时，由于分层缺陷取向接近水平，表面反射波很难返回并被探头接收，导致缺陷轮廓重建不完整(JIN S J,LIU C F,SHI S Q,etal.Profile reconstruction and quantitative detection of planar defects withcomposite-mode total focusing method(CTFM).NDT&E International,2021,123:102518)，相控阵和全聚焦方法适用性下降。因此，有必要发展一种适合于先验未知分层缺陷的轮廓重建方法，以实现缺陷性质识别和准确定量、定位。
发明内容
本发明提供一种基于一发一收相控阵探头的未知分层缺陷轮廓重建方法，其目的是针对先验未知分层缺陷轮廓重建困难的问题，将两个对称布置的相控阵探头组成一发一收模式进行全矩阵数据采集，通过模式波种类选择和被检区域逐点延时叠加成像处理，实现未知分层缺陷的完整轮廓重建和定量检测。
本发明的技术方案：
一种基于一发一收相控阵探头的分层缺陷轮廓重建方法，采用由相控阵超声检测仪、两个相控阵探头和楔块构成的检测系统，两个相控阵探头与楔块组成一发一收模式采集全矩阵数据；针对待测区域的位置，选择相应模式波；最后实施延时叠加处理，从而实现先验未知分层缺陷的轮廓重建与定量检测；
步骤如下：
(a)检测参数确定
针对待测试块的材料、形状和尺寸信息，选择一对中心频率和阵元完全相同的相控阵探头、一对完全相同的角度匹配楔块，将楔块连接到相控阵探头上组成一个整体；
(b)全矩阵数据采集
连接相控阵探头、楔块和相控阵超声检测仪，其中两组相控阵探头与楔块组成一发一收模式，楔块相向对称放置于待检测区域两侧并进行耦合，使得两相控阵探头呈八字型分布；定义两楔块高端面的间距为PCS；左侧发射相控阵探头依次激励各阵元，并由右侧相控阵探头各阵元分别接收超声信号，当所选相控阵探头阵元数量为N时，共采集包含N2个A扫描信号的全矩阵数据；
(c)重建区域网格划分
以楔块和待测试块交界面为x轴，发射相控阵探头第一阵元在x轴的投影点为原点，以发射侧楔块低端面到高端面的方向为x轴正向，待测试块深度方向为y轴正向建立坐标系；将待检测区域进行网格化，各网格节点定义为图像重建点，任意图像重建点P的坐标为(x0,y0)；
(d)模式波种类选择
以图像重建点为界，根据声束在待测试块内部传播路径的不同，分为直接模式和全跨模式；其中，直接模式是指发射声束直接与分层缺陷作用，经缺陷表面反射后直接被接收相控阵探头捕捉，对于一发一收相控阵探头，称为DT模式；全跨模式是指发射和接收声束在与缺陷作用前后均经过一次底面反射，对于一发一收相控阵探头，称为FT模式；声束在待测试块内部传播过程中，每次反射和波型转换前后的声程为纵波L或横波T，则DT模式共包含L-L、T-T和L-T三种模式波；FT模式共包含LL-LL、LL-LT、LL-TL、LL-TT、LT-TT、LT-LT、LT-TL、TL-TT、TL-TL和TT-TT十种模式波；不同模式波的声场覆盖范围不同，实际检测过程中，待测试块厚度、PCS和检测区域确定后，根据不同模式波的声场覆盖范围对应选择适用的模式波；
(e)模式波传播声时及折射点位置计算
相控阵探头各阵元的激励声束会在楔块与待测试块界面、待测试块底部和缺陷表面发生反射/折射；对于发射相控阵探头第i个阵元发射，接收相控阵探头第j个阵元接收的A扫描信号，定义发射侧楔块和待测试块间的折射点坐标为(x1，0)，接收侧楔块和待测试块间的折射点坐标为(x2，0)；楔块内声程定义为Si0，对应声速为c0；FT模式在待测试块内，与缺陷作用前的发射路径有二段声程，从折射点(x1，0)开始定义第一段声程Si1与第二段声程Si2，其对应声速为c1和c2，两个声速为纵波或横波；FT模式的发射路径传播声时表示为：
式中，tip(x0，y0)表示发射探头第i个阵元发射声波到图像重建点P所用传播时间；同样，对于接收路径按照如上原理进行声时计算；
式中，tpj(x0，y0)表示点P散射波到接收相控阵探头第j个阵元所用传播时间，即接收路径传播声时，Sj0表示接收路径中楔块内声程，Sj1和Sj2表示待测试块内传播的二段声程，c3和c4为待测试块内声程对应声速，其为纵波或横波；
对于DT模式，待测试块内的发射和接收路径均只有一段声程，对应声时分别表示为：
对于选定的模式波，结合式(1)和式(2)或结合式(3)和式(4)，根据费马定理，利用式(5)计算得到入射信号和接收信号在界面处折射点的横坐标x1和x2：
(f)延时叠加成像
基于反演计算的x1和x2，对应声时tip与tpj也可得到；根据延时叠加成像原理，该模式波下点P的虚拟聚焦幅值为：
式中，Aij()为发射探头第i个阵元发射、接收探头第j个阵元接收的A扫描信号；
(g)缺陷轮廓重建和定量检测
对每个重建点进行步骤(e)和(f)的操作，即实现待检测区域成像和分层缺陷轮廓表征；最后，利用-6dB法对缺陷进行深度和尺寸定量。
本发明的有益效果是：本发明基于一发一收相控阵探头的分层缺陷轮廓重建方法利用一对完全相同的相控阵探头与角度匹配楔块组合，实现先验未知分层缺陷的轮廓重建与定量检测。该方法既可以重建分层缺陷轮廓，也可推广应用于体积型缺陷表征，适用性较广。同时，该方法可内置到相控阵超声检测仪中，并配合扫查器实施，极具应用前景和推广价值。
附图说明
图1是采用的超声检测系统示意图。
图2为DT模式传播路径示意图。
图3为FT模式传播路径示意图。
图4是水平裂纹的DT模式成像结果。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
基于一发一收相控阵探头的分层缺陷轮廓重建方法，采用的超声检测系统如图1所示，其中包括相控阵超声检测仪、相控阵探头、倾斜有机玻璃楔块。具体检测及处理步骤如下：
(a)被检试块为厚度35mm的铝合金试块。试块中加工深度25mm、长度7mm的水平裂纹。
(b)采用两组中心频率2.25MHz、32阵元相控阵探头配合55°横波楔块对缺陷进行检测，其中采样频率125MHz，楔块纵波声速2330m/s，铝合金试块横波声速3100m/s，PCS＝20mm。
(c)利用相控阵超声检测仪的全矩阵捕捉功能进行信号采集，获得包含不同模式波的A扫描信号矩阵，共计1024个信号。
(d)建立直角坐标系，并将检测区域划分成100×100个矩形网格。针对待检区域内的每一个网格点，计算得到每一组发射和接收阵元之间选定模式波的传播路径与声程。图2和图3分别给出了DT与FT模式传播路径示意图。
(e)图4给出了水平裂纹的DT模式(T-T模式波)成像结果。由图可见，裂纹的轮廓被完整重建。同时，计算可得，裂纹长度为7.4mm，中心深度为25.5mm，误差均在可接受范围之内。综上所述，该方法实现了水平裂纹的轮廓重建，且定量和定位误差较小，满足工程需求。
以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。
Claims (1)
1.一种基于一发一收相控阵探头的分层缺陷轮廓重建方法，其特征在于，采用由相控阵超声检测仪、两个相控阵探头和楔块构成的检测系统，两个相控阵探头与楔块组成一发一收模式采集全矩阵数据；针对待测区域的位置，选择相应模式波；最后实施延时叠加处理，从而实现先验未知分层缺陷的轮廓重建与定量检测；
步骤如下：
(a)检测参数确定
针对待测试块的材料、形状和尺寸信息，选择一对中心频率和阵元完全相同的相控阵探头、一对完全相同的角度匹配楔块，将楔块连接到相控阵探头上组成一个整体；
(b)全矩阵数据采集
连接相控阵探头、楔块和相控阵超声检测仪，其中两组相控阵探头与楔块组成一发一收模式，楔块相向对称放置于待检测区域两侧并进行耦合，使得两相控阵探头呈八字型分布；定义两楔块高端面的间距为PCS；左侧发射相控阵探头依次激励各阵元，并由右侧相控阵探头各阵元分别接收超声信号，当所选相控阵探头阵元数量为N时，共采集包含N2个A扫描信号的全矩阵数据；
(c)重建区域网格划分
以楔块和待测试块交界面为x轴，发射相控阵探头第一阵元在x轴的投影点为原点，以发射侧楔块低端面到高端面的方向为x轴正向，待测试块深度方向为y轴正向建立坐标系；将待检测区域进行网格化，各网格节点定义为图像重建点，任意图像重建点P的坐标为(x0,y0)；
(d)模式波种类选择
以图像重建点为界，根据声束在待测试块内部传播路径的不同，分为直接模式和全跨模式；其中，直接模式是指发射声束直接与分层缺陷作用，经缺陷表面反射后直接被接收相控阵探头捕捉，对于一发一收相控阵探头，称为DT模式；全跨模式是指发射和接收声束在与缺陷作用前后均经过一次底面反射，对于一发一收相控阵探头，称为FT模式；声束在待测试块内部传播过程中，每次反射和波型转换前后的声程为纵波L或横波T，则DT模式共包含L-L、T-T和L-T三种模式波；FT模式共包含LL-LL、LL-LT、LL-TL、LL-TT、LT-TT、LT-LT、LT-TL、TL-TT、TL-TL和TT-TT十种模式波；不同模式波的声场覆盖范围不同，实际检测过程中，待测试块厚度、PCS和检测区域确定后，根据不同模式波的声场覆盖范围对应选择适用的模式波；
(e)模式波传播声时及折射点位置计算
相控阵探头各阵元的激励声束会在楔块与待测试块界面、待测试块底部和缺陷表面发生反射/折射；对于发射相控阵探头第i个阵元发射，接收相控阵探头第j个阵元接收的A扫描信号，定义发射侧楔块和待测试块间的折射点坐标为(x1，0)，接收侧楔块和待测试块间的折射点坐标为(x2，0)；楔块内声程定义为Si0，对应声速为c0；FT模式在待测试块内，与缺陷作用前的发射路径有二段声程，从折射点(x1，0)开始定义第一段声程Si1与第二段声程Si2，其对应声速为c1和c2，两个声速为纵波或横波；FT模式的发射路径传播声时表示为：
式中，tip(x0，y0)表示发射探头第i个阵元发射声波到图像重建点P所用传播时间；同样，对于接收路径按照如上原理进行声时计算；
式中，tpj(x0，y0)表示点P散射波到接收相控阵探头第j个阵元所用传播时间，即接收路径传播声时，Sj0表示接收路径中楔块内声程，Sj1和Sj2表示待测试块内传播的二段声程，c3和c4为待测试块内声程对应声速，其为纵波或横波；
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(f)延时叠加成像
基于反演计算的x1和x2，对应声时tip与tpj也可得到；根据延时叠加成像原理，该模式波下点P的虚拟聚焦幅值为：
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(g)缺陷轮廓重建和定量检测
对每个重建点进行步骤(e)和(f)的操作，即实现待检测区域成像和分层缺陷轮廓表征；最后，利用-6dB法对缺陷进行深度和尺寸定量。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117849184A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 广东汕头超声电子股份有限公司 | 一种对置阵列多模态全聚焦焊缝检测方法 |
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2023
- 2023-11-17 CN CN202311537817.8A patent/CN117491504A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117849184A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 广东汕头超声电子股份有限公司 | 一种对置阵列多模态全聚焦焊缝检测方法 |
| CN117849184B (zh) * | 2024-03-07 | 2024-05-07 | 广东汕头超声电子股份有限公司 | 一种对置阵列多模态全聚焦焊缝检测方法 |
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