一種殘余應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布的超聲陣列層析檢測和監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種殘余應(yīng)力分布超聲陣列層析檢測和監(jiān)測方法，該方法使用超聲陣列獲取檢測數(shù)據(jù)，適用于被測構(gòu)件中殘余應(yīng)力平均分布測量，能夠?qū)Ρ粶y構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力平均分布狀態(tài)和區(qū)域位置進(jìn)行聲學(xué)圖像的重建。本發(fā)明提出的超聲陣列層析檢測方法基于局部信號差別原理來實(shí)現(xiàn)。采用超聲斜入射方法獲得臨界折射縱波，檢測時(shí)采用透射法首先采集無殘余應(yīng)力情況下的背景數(shù)據(jù)，然后使用相同的方法采集有殘余應(yīng)力存在時(shí)的超聲陣列數(shù)據(jù)，依據(jù)有無殘余應(yīng)力時(shí)局部檢測信號和背景信號之間的對比，結(jié)合被測構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力分布出現(xiàn)概率的權(quán)重系數(shù)來重建圖像。圖像中的像素點(diǎn)表示聲波所經(jīng)過殘余應(yīng)力區(qū)域的聲時(shí)差變化屬性，從而區(qū)分出殘余應(yīng)力分布狀態(tài)和位置。根據(jù)殘余應(yīng)力層析成像方法，分析陣列個(gè)數(shù)和布置方式對殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響以及激勵(lì)頻率對殘余應(yīng)力檢測深度的影響。
【專利說明】-種殘余應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布的超聲陣列層析檢測和監(jiān)測方法 -、技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于無損檢測和監(jiān)測構(gòu)件局部區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力分布和動(dòng)態(tài)分布 的陣列檢測方法，該方法依靠順序控制超聲收發(fā)聲束，達(dá)到旋轉(zhuǎn)聲束的效果，再基于一發(fā)一 收透射檢測方法和信號統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)對局部殘余應(yīng)力的超聲層析檢測，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi) 殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的檢測和監(jiān)測。 二、【背景技術(shù)】
[0002] 殘余應(yīng)力是各類金屬構(gòu)件變形和裂紋的物理根源，準(zhǔn)確無損的檢測構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng) 力分布狀態(tài)是確保構(gòu)件質(zhì)量和安全運(yùn)行的前提，殘余應(yīng)力分布是金屬構(gòu)件安全性的重要表 征，直接反映了金屬構(gòu)件的質(zhì)量和可靠性狀態(tài)。制造和服役過程必然使構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)力， 殘余壓應(yīng)力能提高構(gòu)件抗腐蝕、抗疲勞和止裂紋能力，而殘余拉應(yīng)力會(huì)加快腐蝕、催生裂紋 和加速構(gòu)件斷裂的作用，從而降低材料強(qiáng)度和止裂能力，也降低了疲勞強(qiáng)度和壽命。
[0003] 殘余應(yīng)力的存在改變了金屬材料晶格之間的約束力，殘余壓應(yīng)力使得晶格間更加 緊密和牢固，外界介質(zhì)很難侵入，耐腐蝕能力增強(qiáng)，而殘余拉應(yīng)力松弛了晶格間緊密度，外 界腐蝕介質(zhì)分子容易進(jìn)入晶格間隙，與金屬材料化學(xué)反應(yīng)，打破晶格間約束力關(guān)系，出現(xiàn)新 的殘余應(yīng)力集中，腐蝕進(jìn)程惡性循環(huán)，由于殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)腐蝕和開裂的現(xiàn) 象稱為應(yīng)力腐蝕開裂，是金屬構(gòu)件服役中最容易出現(xiàn)的、也是最嚴(yán)重的缺陷，因此，有效地 檢測出金屬構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力分布具有重要意義。
[0004] 超聲陣列層析技術(shù)通過在殘余應(yīng)力區(qū)域周圍放置多個(gè)超聲換能器構(gòu)成不同陣列 形狀，從不同位置發(fā)射超聲波，并在其它位置接收超聲波，若在發(fā)射接收路徑中存在殘余應(yīng) 力，則接收到的信號的聲時(shí)將發(fā)生變化，經(jīng)過一定的算法來重建圖像，可W獲得結(jié)構(gòu)中殘余 應(yīng)力的分布狀態(tài)和位置。
[0005] 目前，殘余應(yīng)力的研究主要停留在對構(gòu)件某部位殘余應(yīng)力值得測量，而采用超聲 陣列層析技術(shù)獲得構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)和位置是一種具有獨(dú)特優(yōu)勢的殘余應(yīng)力檢測 方法。
[0006] 文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，關(guān)于缺陷檢測的超聲層析成像檢測方法較多，然而國內(nèi)外還沒有 文獻(xiàn)針對殘余應(yīng)力分布的超聲陣列層析檢測方法進(jìn)行報(bào)道。因此，采用超聲陣列層析成像 方法檢測和監(jiān)測構(gòu)件殘余應(yīng)力分布具有獨(dú)特的優(yōu)勢和新穎性。 Ξ、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種殘余應(yīng)力分布超聲陣列層析檢測方法，實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件內(nèi) 殘余應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布狀態(tài)和位置的檢測和監(jiān)測。
[000引要實(shí)現(xiàn)構(gòu)件殘余應(yīng)力分布的檢測目的，本發(fā)明提出的超聲陣列層析檢測方法包括 硬件部分和檢測算法兩部分。硬件部分包括超聲換能器陣列（如附圖1所示）、控制器、多通 道脈沖收發(fā)裝置和數(shù)據(jù)采集裝置(連接方式如附圖2所示），檢測算法基于信號概率統(tǒng)計(jì)原 理實(shí)現(xiàn)。
[0009] 硬件部分中控制器負(fù)責(zé)控制多通道脈沖收發(fā)設(shè)備發(fā)射超聲波和采集相應(yīng)通道的 回波數(shù)據(jù)。超聲換能器陣列由多個(gè)縱波超聲換能器加聲模塊構(gòu)成用來在被測構(gòu)件內(nèi)激勵(lì)出 臨界折射縱波。該超聲換能器陣列可W依據(jù)被測構(gòu)件形狀布置任意形狀陣列，通過各個(gè)通 道收發(fā)超聲波完成數(shù)據(jù)采集。多通道脈沖收發(fā)裝置是一個(gè)擁有與超聲換能器陣列陣元數(shù)相 當(dāng)?shù)某暶}沖信號收發(fā)裝置，每一個(gè)通道都能單獨(dú)完成發(fā)射脈沖信號和接收脈沖信號的功 能。數(shù)據(jù)采集裝置能夠?qū)Χ嗤ǖ烂}沖收發(fā)裝置收到的波形信號分通道進(jìn)行存儲。檢測算法 則可W對獲取的透射波形信號的聲時(shí)差別經(jīng)過概率算法完成殘余應(yīng)力分布狀態(tài)和位置的 檢測。
[0010] 檢測算法的原理在于將超聲換能器陣列W圓形陣列形式布置于被測構(gòu)件，首先在 無應(yīng)力狀態(tài)下由多通道脈沖收發(fā)裝置控制陣列中的一個(gè)超聲波換能器發(fā)射超聲波，在發(fā)射 換能器對側(cè)的換能器接收超聲波，附圖1所示為16個(gè)陣元組成的超聲陣列布置于構(gòu)件表面， 接收聲波的同時(shí)，數(shù)據(jù)采集裝置將收到的信號按照對應(yīng)通道序號存儲。運(yùn)個(gè)過程依次順序 進(jìn)行16*16 = 416次，直到所有換能器都發(fā)射過超聲波為止。完成后會(huì)獲得多組背景信號。
[0011] 然后在有殘余應(yīng)力狀態(tài)下，使用超聲陣列檢測裝置實(shí)施與獲得背景信號相同的操 作，依次遍歷陣列中的換能器發(fā)射和接收超聲波。運(yùn)時(shí)候采集到的信號稱為應(yīng)力信號。
[0012] 由收發(fā)換能器對之間一一對應(yīng)的背景信號和應(yīng)力信號作為計(jì)算對象，通過概率重 構(gòu)算法獲得殘余應(yīng)力分布圖像。
[0013] 概率重建的過程有兩部分組成:信號對比和圖像重建。信號對比過程是找到有應(yīng) 力存在時(shí)的信號(稱應(yīng)力信號)和用于對比的無應(yīng)力背景信號，再截取其中和檢測路徑聲時(shí) 對應(yīng)的局部信號，兩者做統(tǒng)計(jì)比值。圖像重建過程是根據(jù)被測物存在的概率反涂抹重建矩 陣中的像素值。
[0014] 信號對比的過程第一步需要得局部信號差系數(shù)：
[0019] 分別是局部截取后的應(yīng)力信號和背景信號，玄和F分別是局部應(yīng)力信號和局部背 景信號的平均值，k的值從化到化表示離散后的信號采樣點(diǎn)，w(t)表示窗函數(shù)，而皆是一個(gè)時(shí) 移：
[0020]
(4)
[0021]上式中CB是殘余應(yīng)力區(qū)域的聲速。波形時(shí)間軸上的窗函數(shù)寬度和特定的時(shí)移相 當(dāng)。（x，y)、（xi，yi)和(xj，yj)分別是某重建像素點(diǎn)坐標(biāo)，發(fā)射換能器坐標(biāo)和接收換能器坐 標(biāo)，具體見附圖3。設(shè)定楠圓虛線內(nèi)的部分為一次超聲收發(fā)的概率重建范圍，每一個(gè)像素點(diǎn) 在檢測范圍內(nèi)的相對距離可W用化^x，y)表示為：
[00巧]表示楠圓虛線內(nèi)部的計(jì)算值，運(yùn)里的^表示相對距離，于是由化^x，y)作為自變 量的權(quán)重函數(shù)可W表示為：
[0026]
m
[0027] 式中β是一個(gè)尺度參數(shù)，控制著楠圓檢測區(qū)域的大小，不同換能器對可W有不同的 0值來調(diào)整相應(yīng)聲傳播路徑上殘余應(yīng)力存在的概率作用范圍，運(yùn)里β值是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，依據(jù) 實(shí)際檢測中殘余應(yīng)力分布區(qū)域大小進(jìn)行確定。
[0028] 上述概率算法中用到的所有參變量都能得到之后，由信號差系數(shù)和權(quán)重函數(shù)便可 得出重建圖像的像素值：
[0029]
(?)
[0030] 式中的PR0Bu( X，y)表示每一個(gè)收發(fā)換能器對在重建矩陣中的概率像素貢獻(xiàn)，而最 后的重建結(jié)果就是所有換能器對的概率重建疊加。
[0031] 本發(fā)明提出的殘余應(yīng)力超聲陣列層析檢測方法，很好地滿足了構(gòu)件中殘余應(yīng)力分 布的檢測需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 四、
【附圖說明】
[0032] 圖1超聲換能器陣列和概率檢測透射波路徑示意圖
[0033] 圖2殘余應(yīng)力分布超聲陣列檢測裝置系統(tǒng)框圖
[0034] 圖3概率檢測算法單次收發(fā)換能器對的反涂抹范圍示意圖 五、
【具體實(shí)施方式】
[0035] 本發(fā)明的具體實(shí)施步驟說明如下：
[0036] 1)使多通道脈沖收發(fā)裝置的一個(gè)通道發(fā)射脈沖，激發(fā)換能器陣列中的一個(gè)陣元發(fā) 射超聲波，此后所有的陣元接收超聲波。
[0037] 2)數(shù)據(jù)采集裝置自動(dòng)存儲在發(fā)射換能器對側(cè)的透射超聲波信號，從而完成一次收 發(fā)過程。
[0038] 3)要在被測構(gòu)件內(nèi)激勵(lì)出臨界折射縱波，陣列中的每個(gè)換能器采用斜入射方式， 將超聲縱波入射并在構(gòu)件表面發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，超聲信號由壓電換能器激勵(lì)，在有機(jī)玻璃與 被測構(gòu)件界面上，發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，根據(jù)Snel 1定律，
[0039]
[0040] 式中Vi，Vi，Vs分別為有機(jī)玻璃模塊中的超聲縱波聲速，被測構(gòu)件中的超聲縱波聲 速，被測構(gòu)件中的超聲橫波聲速。θ?，Θ 1，0S分別為有機(jī)玻璃模塊中的超聲縱波入射角度，被 測構(gòu)件中的超聲縱波折射角度和超聲橫波折射角度。
[0041] 當(dāng)激勵(lì)臨界折射縱波時(shí)01 = 90° :
要在被測構(gòu)件中激勵(lì)出臨界折射 縱波，有機(jī)玻璃模塊中超聲縱波入射角為：
[0042] 4)在無殘余應(yīng)力的情況下對陣列中的每一個(gè)陣元重復(fù)上述收發(fā)過程，將得到多組 背景信號數(shù)據(jù)，然后在有殘余應(yīng)力存在時(shí)也重復(fù)收發(fā)過程。
[0043] 5)將遍歷得到的應(yīng)力信號分別與對應(yīng)收發(fā)換能器測得的背景信號作比較，通過聲 時(shí)差判斷相應(yīng)檢測路徑中殘余應(yīng)力出現(xiàn)的概率，完成重建殘余應(yīng)力區(qū)域的圖像。
[0044] 6)陣列個(gè)數(shù)和布置方式對殘余應(yīng)力分布會(huì)有影響，采用不同的陣列個(gè)數(shù)運(yùn)用超聲 層析方法進(jìn)行殘余應(yīng)力分布狀態(tài)檢測，由于探頭個(gè)數(shù)和布置方式不同，接收換能器獲得數(shù) 據(jù)量不同，在層析成像時(shí)對殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響不同，通過改變不同的個(gè)數(shù)和布置方 式找到最佳的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。
[0045] 7)激勵(lì)頻率對檢測深度的影響，由于頻率越低，超聲衰減越小，在構(gòu)件內(nèi)傳播的深 度也越深，分別采用不同的激勵(lì)頻率，W獲得超聲不同的滲透深度，運(yùn)用層析檢測方法獲得 殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，掌握激勵(lì)頻率對檢測深度的影響。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種殘余應(yīng)力分布超聲陣列層析檢測和監(jiān)測方法，其特征在于:運(yùn)用聲時(shí)差技術(shù)，采 用超聲斜入射方式構(gòu)建超聲應(yīng)力檢測陣列裝置，將超聲陣列布置于被測構(gòu)件表面，設(shè)置發(fā) 射接收換能器獲得超聲波數(shù)據(jù)，通過概率層析算法完成構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的檢測和 監(jiān)測，依據(jù)構(gòu)件殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，分析陣列個(gè)數(shù)及布置方式對殘余應(yīng)力分布狀態(tài)變化和 激勵(lì)頻率對檢測深度的影響。2. 權(quán)利要求1中每一換能器對之間的殘余應(yīng)力值可根據(jù)聲時(shí)差變化獲得，超聲入射采 用斜入射方式，斜入射時(shí)會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，為在被測介質(zhì)表面激勵(lì)出臨界折射縱波，可運(yùn)用 Snell定律推導(dǎo)出有機(jī)玻璃楔塊的設(shè)計(jì)角度。3. 權(quán)利要求1中陣列布置方式及個(gè)數(shù)對殘余應(yīng)力狀態(tài)變化的影響特征在于:考慮變化 陣列布置方式對激勵(lì)接收換能器獲得信號聲時(shí)差變化的影響，進(jìn)而獲得層析成像后的殘余 應(yīng)力分布狀態(tài)的變化特性。4. 權(quán)利要求1中激勵(lì)頻率對檢測深度的影響特征在于:在選定的入射角度下，考慮改變 探頭激勵(lì)頻率，獲得超聲臨界折射縱波的傳播深度變化特性，進(jìn)而獲得不同激勵(lì)頻率對殘 余應(yīng)力檢測深度的影響。5. 權(quán)利要求1中所述的殘余應(yīng)力超聲陣列可根據(jù)需要選定探頭個(gè)數(shù)，為適應(yīng)各種形狀 類型的被測構(gòu)件，可在構(gòu)件表面布置成方形、圓形或者六邊形等(任意)形狀。6. 權(quán)利要求1中所述的設(shè)置發(fā)射接收換能器，其換能器收發(fā)設(shè)置方式為:采用單個(gè)換能 器激發(fā)、多個(gè)換能器依次接收的方式，換能器之間的收發(fā)互不影響。7. 權(quán)利要求1中所述的概率層析算法特征在于:首先獲得構(gòu)件無殘余應(yīng)力存在時(shí)的超 聲信號作為背景信號，然后測得構(gòu)件內(nèi)部有殘余應(yīng)力存在時(shí)的透射超聲信號作為應(yīng)力信 號，結(jié)合局部信號差系數(shù)和概率權(quán)重函數(shù)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件殘余應(yīng)力分布圖的重建，同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測 構(gòu)件殘余應(yīng)力的動(dòng)態(tài)分布和發(fā)展趨勢。8. 權(quán)利要求4中所述的局部信號差系數(shù)特征在于:截取背景信號超聲直達(dá)波的時(shí)間點(diǎn) 波形信號與應(yīng)力信號中截取的波形信號作對比，依據(jù)聲彈性理論的聲時(shí)差特性獲得局部信 號差系數(shù)。9. 權(quán)利要求4中所述的概率權(quán)重函數(shù)特征在于:概率權(quán)重函數(shù)中尺度參數(shù)依據(jù)陣列范 圍內(nèi)殘余應(yīng)力分布區(qū)域大小進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，該尺度參數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值，每個(gè)換能器對之間的 收發(fā)組合都可以設(shè)置不同的尺度參數(shù)值。10. 權(quán)利要求7中動(dòng)態(tài)監(jiān)測構(gòu)件殘余應(yīng)力的動(dòng)態(tài)分布和發(fā)展趨勢的特征在于:超聲陣列 布置與被測構(gòu)件表面，不僅可以獲得殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，而且可以根據(jù)構(gòu)件表面和內(nèi)部 殘余應(yīng)力值的不斷變化定期進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，從而掌握被測構(gòu)件的安全運(yùn)行狀態(tài)。
【文檔編號】G01N29/06GK105823826SQ201610137908
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月10日
【發(fā)明人】徐春廣, 蔡海潮, 李培祿, 肖定國, 潘勤學(xué), 王俊峰, 田海兵, 盧宗興
【申請人】北京理工大學(xué)