材料缺陷位置和尺寸的超聲多途檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超聲檢測與成像技術(shù)，特別涉及一種材料缺陷位置和尺寸的超聲 多途檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料缺陷的尺寸在超聲無損評價（Non-Destructive Evaluation，NDE)是個很重 要的問題。檢測缺陷尺寸的一種直接的方法就是從不同的兩個側(cè)面進行B型顯示成像，由 于不需要掃描，傳感器陣列就可以符合要求。在進行超聲缺陷檢測時，需要對缺陷的頂部以 及底部進行檢測，現(xiàn)有的技術(shù)應用最廣泛的主要有：
[0003] 第一種是超聲脈沖回波技術(shù)，基本原理是超聲波傳播到兩種不同的介質(zhì)（如空氣 和金屬試件）界面時，由于兩種介質(zhì)的聲學特性存在差異，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象。其聲壓 反射率和透射率與兩種介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。與剛體介質(zhì)聲阻抗相比，空氣的聲阻抗很小。因 此超聲通過固體和空氣界面幾乎是全反射。脈沖回波法（即A型掃描）就是通過測量超聲 信號往返于缺陷的反射回波的傳播時間，來確定缺損和表面的距離，同時也可根據(jù)超聲同 波的幅度，來分析缺陷的大小。對于平面狀缺陷，不管其厚度如何薄，只要超聲波是垂直地 射向它就可以獲得很高的缺陷回波。因此，對鋼板的層疊、分層和裂紋的探傷分辨力很高， 而對單個氣孔的探傷分辨力則很低。此外，缺陷回波有一定的指向性，當缺陷取向不利時， 接收探頭就可能收不到回波。
[0004] 第二種是超聲波衍射時差法（Time Of Flight Diffraction，T0FD)，它是專為測 量與檢測面有較大傾角或垂直于檢測面的缺陷的自身高度而發(fā)展的一項技術(shù)，其測量原理 是以測出缺陷端頭位置為基礎(chǔ)的。由于側(cè)向波的出現(xiàn)，可使距表面較近的缺陷頂部衍射信 號不能清晰分辨；如果材料為給向異性介質(zhì)，則聲速在不同方向會有變化，影響缺陷高度的 計算。
[0005] 第三種是超聲相控陣掃描檢測技術(shù)，它是借鑒相控陣雷達技術(shù)的原理而發(fā)展起來 的，利用陣列換能器，通過控制各陣元發(fā)射的聲波的相位，實現(xiàn)對超聲波聲場的控制。由于 超聲相控陣是由多個探頭發(fā)射聲波，會對信號造成干擾，并且還有旁瓣等問題，對于信號的 采集和處理變得很困難。而且對于波束的聚焦和偏轉(zhuǎn)控制也是難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是針對上述超聲檢測存在的問題，提出了一種材料缺陷位置和尺寸的超聲 多途檢測方法，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，進行單次測量就能檢測缺陷的位置和尺寸。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種材料缺陷位置和尺寸的超聲多途檢測方法，首先，采 用排成一行的傳感器陣列的標準收發(fā)測量法來測量一個孤立缺陷的尺寸，對接收傳感器的 超聲信號進行建模，識別多途信號；然后，使用傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)，識別出直達反射路徑 DRP，用同一目標，預估多途組合路徑MP-C和多途路徑MP-W，用直達反射路徑DRP和多途組 合MP-C來檢測缺陷的頂部，用來檢測缺陷底部的多途路徑MP-W用來檢測缺陷的底部，通過 所有被識別的多路徑進行超聲成像，得到檢測缺陷的尺寸。
[0008] 所述對接收傳感器的超聲信號進行建模，識別多途信號，得到檢測缺陷的頂部和 底部，具體步驟如下：
[0009] 1)通過在直達反射路徑DRP上的傳感器來建立模型，得到r (t)，如下：
[0011] s (t)表示超聲波的原始發(fā)射信號，a JP τ i分別表示第i條路徑的反射率和延遲 時間；
[0012] 2)與DRP相對應的第η個接收傳感器的信號為：
[0013] r0，nn(t) = a0 nn (pft) s (t-T0 nn(Pft))
[0014] 缺陷中心點的坐標為pf= (x f, yf, zf)，pt為發(fā)射傳感器的位置，第m個發(fā)射傳 感器坐標為Pt, m= (X t,m，yt,m，zt, m)，P1^為接收傳感器的位置，第η個接收傳感器坐標為p μ =(Xtn，ytn，Zm)，Pft表示缺陷頂點的坐標，a ^mn(Pft)表示缺陷頂點的DRP的反射率， τ αηιη(Pft)是與PfJS對應的DRP延遲時間，即發(fā)射傳感器通過缺陷頂點反射到達接收傳感 器的時間；
[0015] τ〇 mn(pft) = (| |pt n-pft| | + | |pr n-pft| |)/ν，
[0016] ν表示均勻介質(zhì)的材料中具有恒定的超聲傳播速度，M · I I表示歐幾里得范數(shù)運 算；用直達反射路徑DRP來預估相同目標尺寸相對應的MP-I，MP-2, MP-W的延遲時間分別 可表則為：
[0020] Pfb= (X fb, yfb, zfb)表示缺陷底點的坐標；h表示目標金屬物體的高度，對應于 MP-I :貝幢擬傳感器 ptl分別位于 p tl,m= p t,m，prl,n= (X r,n，yr,n-2h，zr, n);對應于 MP-2 :虛擬 傳感器Pt2分別位于P t2,n= (x t,n, yt,n-2h, zt,n)，prf,n= ρ μ;對應于MP-W :虛擬傳感器p t3分 別位于 pr3,n= (xr,n，2h+yr,n，zr, n);
[0021] 得到一個相應的復合長度即，dat+deil= de，與多途更大的回波峰值相一致，MP-I 和MP-2,其傳播路徑長度為：
[0023] 其中dat為發(fā)射傳感器到缺陷頂點的超聲波傳播路徑長度，du為缺陷頂點到接收 傳感器的超聲波反射路徑長度；X ft為缺陷頂點的橫坐標，Xt為發(fā)射傳感器的橫坐標，為 接收傳感器的縱坐標；yft為缺陷頂點的縱坐標，
[0024] 將多途MP-I和多途MP-2稱為組合多途，表示為MP-C ;則組合多途的組合延遲時 間為
[0026] 將找到的xft、化代入可得到與缺陷頂點p ft相對應的組合路徑MP-C延遲時間 τ(Pft)，再估算出與缺陷頂點Pfb相對應的MP-W路徑延遲時間τ w nin (Pfb)。
[0027] 所述超聲成像，確定檢測缺陷的尺寸：
[0028] 缺陷成像像素 q大小可以由如下公式合成：
[0029] I (q) = I〇(q)+Ic(q)+Iw(q)
[0030] I0 (q)、Ic (q)和Iw (q)分別為DRP、MP-C和MP-W對應的圖像密度，
[0031] 利用相干感知成像技術(shù)得到像素 q的DRP圖像密度I。(q)為：
[0033] Wnin (q)為對應像素 q的第m個發(fā)射傳感器和第η個接收傳感器的加權(quán)；卷積*是 用來匹配濾波和提高輸出信號的信噪比，sT(t)表示從發(fā)射傳感器經(jīng)過不同路徑反射后首 次到達接收傳感器的信號，s (t)表示超聲波的原始發(fā)射信號；
[0034] MP-C和MP-W對應的圖像密度分別為：
[0037] a anin (pft)表示組合路徑MP-C缺陷頂點pft的反射率；
[0038] a W nin (Pfb)表示MP-W路徑缺陷底點pfb的反射率；
[0039] τ (Pft)是與缺陷頂點Pft相對應的組合路徑MP-C延遲時間；
[0040] τ w nin (Pfb)是與缺陷頂點Pfb相對應的MP-W路徑延遲時間。
[0041] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明材料缺陷位置和尺寸的超聲多途檢測方法，超聲 多途在材料上下表面之間反射形成虛擬陣列（虛擬傳感器），擴展了傳感器可視孔徑和可 視角度；多途成像揭示了額外的材料內(nèi)部信息，如裂紋大小、裂紋底面情況，這些信息通過 單獨直達反射信號難以獲得；超聲信號多途信號突破了傳感器檢測范圍的極限性，可以產(chǎn) 生擴展的虛擬陣列孔徑從而加強成像能力，也就是觀察到的多途信號提供了額外的數(shù)據(jù)， 可融合并加強成像，檢測時只進行單次測量就能檢測缺陷的位置和尺寸。
【附圖說明】
[0042] 圖Ia為超聲多途檢測中的直達反射路徑DRP不意圖；
[0043] 圖Ib為超聲多途檢測中的多途路徑MP-I不意圖；
[0044] 圖Ic為超聲多途檢測中的多途路徑MP-2不意圖；
[0045] 圖Id為超聲多途檢測中的多途路徑MP-W不意圖；
[0046] 圖2a為表示多途MP-I與MP-2的對稱性示意圖