一種基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法。目前陣列成像后處理方法僅應(yīng)用于相控陣探頭聲束垂直入射到待測試件情形下采集的全矩陣數(shù)據(jù)處理中。本發(fā)明在相控陣探頭上加楔塊，通過楔塊將縱波的主聲束斜入射到待測試件的焊縫內(nèi)，通過對相控陣列傳感器激勵(lì)、接收的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并基于Snell原理計(jì)算聲束經(jīng)楔塊在界面的折射交點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算各陣元到所有成像點(diǎn)的聲束傳播時(shí)間，通過計(jì)算得到聚焦點(diǎn)的幅值，再對每個(gè)聚焦點(diǎn)的幅值進(jìn)行聚焦；最終實(shí)現(xiàn)斜入射縱波的全聚焦成像。本發(fā)明可以產(chǎn)生特定方向的縱波主聲束，提高焊縫區(qū)域內(nèi)的缺陷加檢測效果和缺陷的識別率；同時(shí)，對探頭起到了保護(hù)的作用。
【專利說明】
一種基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無損檢測領(lǐng)域，是適用于焊縫缺陷檢測的超聲陣列全聚焦成像方法， 特別是一種基于斜入射縱波的超聲陣列全聚焦成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的迅猛發(fā)展，焊接技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于壓力容器、船舶、航空 航天、電力系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域中。目前焊接的工藝方法有很多種，主要包括熔焊、釬焊、壓焊等 焊接方式。焊縫在焊接過程中受焊接設(shè)備、焊接工藝、材料殘余應(yīng)力及材料尺寸等因素的影 響，可能產(chǎn)生多種不同的焊接缺陷。另外，在長期的服役過程中可能經(jīng)受高溫、高壓或腐蝕 等環(huán)境的影響，在焊縫內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生缺陷。焊縫內(nèi)部常見的缺陷類型有裂紋、未融合、未焊 透、氣孔和夾渣等。焊縫缺陷嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量，使其安全性和可靠性降低，易引發(fā)安全生 產(chǎn)事故。因此，焊縫內(nèi)部的缺陷問題是焊接領(lǐng)域中非常重要的問題。
[0003] 超聲波探傷對未焊透、未熔合、裂紋等危害性面積型缺陷檢測靈敏度較高，但由于 焊縫的材料屬性復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特殊，使用普通超聲檢測焊縫內(nèi)部缺陷時(shí)，由于信號噪聲和衰減 較大，容易造成缺陷漏檢。近年來，隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣檢測技術(shù)因 具有聲束控制靈活等特點(diǎn)在焊縫內(nèi)部缺陷檢測中的應(yīng)用越來廣泛。超聲相控陣檢測技術(shù)采 用由多個(gè)陣元組成的陣列換能器，通過電子技術(shù)控制各陣元的超聲激勵(lì)接收延時(shí)，實(shí)現(xiàn)聲 束在試件內(nèi)部的定向偏轉(zhuǎn)及聚焦。但利用超聲相控陣檢測技術(shù)對焊縫進(jìn)行檢測中，由于超 聲檢測信號的信噪比較差，給缺陷檢測及識別帶來了一定的困難。
[0004] 近年來，超聲相控陣后處理成像技術(shù)得到了較大的發(fā)展。超聲相控陣后處理成像 技術(shù)是通過對采集到的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，進(jìn)而獲得高精度的成像效果，其中最常 用的為全聚焦和矢量全聚焦等成像方法。目前這些陣列成像后處理方法僅應(yīng)用于相控陣探 頭聲束垂直入射到待測試件情形下采集的全矩陣數(shù)據(jù)處理中。針對焊縫結(jié)構(gòu)及尺寸特點(diǎn)， 為了保證焊縫區(qū)缺陷的檢出效果，需要使待測焊縫處于相控陣探頭的主聲束方向范圍并遠(yuǎn) 離探頭的近場區(qū)，因此，超聲陣列檢測實(shí)驗(yàn)過程中，通過在相控陣探頭上加楔塊，使聲波傾 斜入射到待測焊縫試件中。楔塊的引入會(huì)改變試塊內(nèi)的聲束傳播路徑及方向，進(jìn)而影響全 聚焦成像算法，目前還沒有基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像計(jì)算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于斜入 射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法，其通過對相控陣所采集的相控陣斜入射下的全矩 陣數(shù)據(jù)進(jìn)行全聚焦處理，以實(shí)現(xiàn)對焊縫中缺陷的檢測及定位。
[0006] 為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:一種基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦 成像方法，其步驟如下：
[0007] 1)在相控陣探頭上加楔塊，通過楔塊將縱波的主聲束斜入射到待測試件的焊縫 內(nèi)，通過相控陣系統(tǒng)進(jìn)行焊縫檢測實(shí)驗(yàn)，并獲取全矩陣數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中所用相控陣探頭的陣元 個(gè)數(shù)為N，通過全矩陣采集模式得到時(shí)域信號，全矩陣數(shù)據(jù)中g(shù)lj(t)(i = l，2，...，N;j = l， 2,...，N)表示第i陣元激勵(lì)和第j個(gè)陣元接收的時(shí)域信號；
[0008] 2)對采集到的全矩陣時(shí)域信號glj(t)進(jìn)行Hilbert變換得到包絡(luò)信號h^u);
[0009] 3)計(jì)算從各個(gè)陣元到所有聚焦點(diǎn)的聲束在界面處的折射交點(diǎn)；
[0010] 4)將全部陣列數(shù)據(jù)按激勵(lì)陣元、接收陣元、界面折射交點(diǎn)與聚焦點(diǎn)的傳播距離計(jì) 算聲波傳播時(shí)間tij(X，z)，通過計(jì)算得到聚焦點(diǎn)的幅值I (X，z)，再對每個(gè)聚焦點(diǎn)的幅值進(jìn)行 聚焦，實(shí)現(xiàn)斜入射縱波的全聚焦成像；
[0011] 5)輸出成像結(jié)果，從成像結(jié)果判斷焊縫內(nèi)部是否有缺陷，如果有缺陷，對缺陷結(jié)果 進(jìn)行定位。
[0012] 本發(fā)明通過相控陣系統(tǒng)采集相控陣斜入射下的全矩陣數(shù)據(jù)。增加楔塊后，計(jì)算楔 塊內(nèi)部聲束的傳播路徑。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算每個(gè)聚焦點(diǎn)上每對激勵(lì)接收陣列的傳播路徑(包 含楔塊與待測試件中），并根據(jù)楔塊及待測試件中聲波波速，計(jì)算出每對激勵(lì)接收陣列在每 個(gè)聚焦點(diǎn)對應(yīng)的強(qiáng)度，累積每對激勵(lì)接收陣列在該聚焦點(diǎn)的強(qiáng)度，從而得到該聚焦點(diǎn)下的 縱波斜入射下的全聚焦成像結(jié)果。
[0013] 本發(fā)明通過楔塊將縱波的主聲束斜入射到焊縫內(nèi)，提高焊縫區(qū)域內(nèi)的缺陷檢測效 果。
[0014] 進(jìn)一步，與楔塊耦合的界面為平面或曲面。
[0015] 進(jìn)一步，所述相控的陣探頭選用縱波探頭。
[0016] 進(jìn)一步，所述的楔塊為直楔塊或帶角度的斜楔塊。
[0017]進(jìn)一步，所述聲束在界面處的折射交點(diǎn)利用Snell原理進(jìn)行求解。
[0018]進(jìn)一步，全聚焦計(jì)算公式為：
[0019]聚焦點(diǎn)(x，z)的幅值I(x，z)表示為
[0021]其中，ι^α^(χ，ζ))為陣元i激勵(lì)、陣元j接收的全矩陣時(shí)域信號中表征目標(biāo)聚焦 點(diǎn)(x，z)的包絡(luò)信號，t^(X，Z)為提取該幅值所用的聲波傳播時(shí)間；設(shè)楔塊的波速S C1，待測 試件內(nèi)波速為c2，則聲波傳播時(shí)間ti j (X，z)為：
[0023]其中，Xi和Zi分別為陣元i的橫、縱坐標(biāo);Xj、Zj分別為陣元j的橫、縱坐標(biāo)值;Xt、Zt分 別為激勵(lì)聲束在界面折射交點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo);Xr、zr分別為接收聲束在界面折射交點(diǎn)的橫、縱 坐標(biāo);X、Z分別為對應(yīng)聚焦點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。
[0024]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)一般的焊縫厚度在40mm以下(很多情況下焊縫厚度都在 15mm~30mm的范圍之內(nèi)），如果直接使用相控陣探頭來檢測焊縫內(nèi)部缺陷，相控陣探頭的近 場區(qū)對焊縫缺陷檢測影響較大，為此采用相控陣探頭和楔塊耦合檢測焊縫內(nèi)部缺陷，消除 了相控陣探頭的近場區(qū)對焊縫缺陷的影響；（2)由于焊縫一般有余高，當(dāng)采用相控陣探頭直 入射進(jìn)行焊縫內(nèi)部缺陷檢測時(shí)，相控陣探頭難以與焊縫貼合，耦合效果也相對較差。通過加 楔塊進(jìn)行斜入射時(shí)耦合效果好，同時(shí)得到特定方向的縱波主聲束，有利于焊縫內(nèi)部缺陷檢 測；（3)大部分待測試件表面粗糙度較大，相控陣探頭如直接作用于待測試件，會(huì)對相控陣 探頭有較大的磨損，此時(shí)，使用楔塊可以達(dá)到保護(hù)相控陣探頭的目的；（4)擴(kuò)展了全聚焦成 像的應(yīng)用，更適用于焊縫內(nèi)部缺陷檢測和識別。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的原理示意圖。
[0026] 圖2是界面為平面時(shí)的界面折射交點(diǎn)求解原理圖。
[0027] 圖3是界面為曲面時(shí)的界面折射交點(diǎn)求解原理圖。
[0028]圖4是本發(fā)明的流程圖。
[0029]圖5為本發(fā)明在實(shí)際焊縫檢測中應(yīng)用的成像結(jié)果圖。
[0030] 其中：1-激勵(lì)陣元;2-接收陣元;3-楔塊;4-待測試件;5-聚焦點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 本發(fā)明的基本原理如下：
[0032] 如圖1所示，假設(shè)線性陣列換能器陣元個(gè)數(shù)為N，i為激勵(lì)陣元，j為接收陣元。由陣 元i激勵(lì)的聲束經(jīng)楔塊到達(dá)成像區(qū)域聚焦點(diǎn)(x，z)，然后經(jīng)楔塊為陣元j所接收。一個(gè)陣元單 獨(dú)激勵(lì)出，所有陣元所接收，依次使每個(gè)陣元分別激勵(lì)，重復(fù)實(shí)現(xiàn)上述的"一激全收"的過 程，最終得到NXN組的全矩陣數(shù)據(jù)。將激勵(lì)陣元i、接收陣元j采集的超聲回波信號（即全矩 陣時(shí)域信號)記為g^(t)，將g^(t)經(jīng)希爾伯特變換后記為一⑴，
[0033]則聚焦點(diǎn)(x，z)的幅值I(x，z)表示為
[0035]其中，hdtdxj))為陣元i激勵(lì)、陣元j接收的超聲回波信號中表征目標(biāo)聚焦點(diǎn) (x，z)的幅值信息（即包絡(luò)信號），?^(Χ，Ζ)為提取該幅值所用的聲波傳播時(shí)間；設(shè)楔塊的波 速為d，待測試件內(nèi)波速為c 2，則聲波傳播時(shí)間ti j (X，ζ)為：
[0037]其中，Xi和Zi分別為陣元i的橫、縱坐標(biāo);Xj、z j分別為陣元j的橫、縱坐標(biāo)值;Xt、Zt分 別為激勵(lì)聲束在界面折射交點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo);Xr、zr分別為接收聲束在界面折射交點(diǎn)的橫、縱 坐標(biāo);X、Z分別為對應(yīng)聚焦點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。
[0038]不論界面形狀如何，聲束從楔塊到待測試件內(nèi)，或者從待測試件到楔塊內(nèi)，在界面 處聲束都會(huì)發(fā)生折射，并遵從Snell定律。實(shí)際上，由于聲束傳播具有可逆性，也就是說，接 收聲束路徑也可以看作激勵(lì)聲束路徑來處理。式(2)中除了兩個(gè)界面折射交點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo) 是未知的，其他六個(gè)變量均是已知的。根據(jù)Snell定律，確定兩個(gè)界面折射交點(diǎn)的橫、縱坐 標(biāo)，并且求解過程因界面是平面還是曲面而不同。
[0039] 下面分別從平面和曲面對界面折射交點(diǎn)(Xt，Zt)的確定方法進(jìn)行論述，界面折射交 點(diǎn)(Xr，Zr )的確定方法與之相同。
[0040] 首先來討論界面為平面時(shí)聲束在界面折射交點(diǎn)(Xt，Zt)的確定過程。如圖2所示，設(shè) A(xi，zi)表示激勵(lì)陣元i的坐標(biāo)，B(xt，z t)表示聲束在界面折射交點(diǎn)，C(x，z)表示成像點(diǎn)的 坐標(biāo)。Θ:為入射角，02為折射角。介質(zhì)I表示楔塊，介質(zhì)II表示待測試件。由Snell定理可得，
[0048] 其中，
[0049] ρ4=β-1 ；
[0050] ρ3 = 2χ?-2βχ?+2χ-2βχ ；
[0051 ] ρ2 = -χ?2+βχ?2-4χ?χ+4βχ?χ-χ2+βχ2-(ζ?-ζ?) 2+β(ζ-ζ?)2 ；
[0052] pi = 2χ?2χ-2βχ?2χ+2χ?χ2-2βχ?χ3+2χ (zt~zi) 2-2βχ? (z~zt)2 ；
[0053 ] p。= -xi2x2+0xi2x2_x2 (zt-Zi) 2+0Xi2 (z_zt)2。
[0054] 對于方程(5)，其中？4，？3，？2，？1，？()是與^無關(guān)的常數(shù)，由此，所求解的多項(xiàng)式方程 (5)的根可能含有復(fù)數(shù)解，對此予以剔除即可找到滿足實(shí)際條件的根即為xt的值。
[0055] 下面討論界面為平面時(shí)的界面折射交點(diǎn)的情況。
[0056] 如圖3所示，聲束從A點(diǎn)(Xi，zi)經(jīng)界面交Al^、(xt，zt)到達(dá)0點(diǎn)(1，2)』點(diǎn)（xti，zti) 是A點(diǎn)在過B點(diǎn)的曲面切線上的投影，E點(diǎn)（ Xt2，zt2)是C點(diǎn)在過B點(diǎn)的曲面切線上的投影。界面 為曲面的表達(dá)式是已知的，并假設(shè)其表達(dá)式為
[0057] z = f (x) (6)
[0058] 由于B點(diǎn)位于界面上，于是有
[0059] Zt = f(xt) (7)
[0060] 于是，分別可以得到D、E兩點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)：

[0065]聲束在界面交點(diǎn)B點(diǎn)處聲束發(fā)生折射，并遵從Snell定律。于是有
[0070] 整理式（13)可得，
[0078]求解方程（14)即可得到xt的值。在這個(gè)方程當(dāng)中，系數(shù)p4是xt無關(guān)的，而p 3，p2，Pl， P〇是與Xt有關(guān)的，這是因?yàn)樵赑3，P2，P1和ρο的表達(dá)式當(dāng)中都含有Xtl、Ztl、Xt2和Zt2,而Xtl、Ztl、 Xt2和Zt2都和Xt有關(guān)，因而P3，P2，P1和PQ也是與Xt有關(guān)。在得到Xt的值之后，通過曲面的方程可 以得到Zt。
[0079] 在確定界面折射交點(diǎn)之后，可以計(jì)算出聲束在經(jīng)楔塊到待測試件中的傳播路徑， 并結(jié)合式(1)和式(2)，即可實(shí)現(xiàn)基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像。
[0080] 如圖4所示，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟為：
[0081] 1)在相控陣探頭上加楔塊，通過楔塊將縱波的主聲束斜入射到待測試件的焊縫 內(nèi)，通過相控陣系統(tǒng)進(jìn)行焊縫檢測實(shí)驗(yàn)，并獲取全矩陣數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中所用相控陣探頭的陣元 個(gè)數(shù)為N，通過全矩陣采集模式得到時(shí)域信號，全矩陣數(shù)據(jù)中g(shù)lj(t)(i = l，2，...，N;j = l， 2,...，N)表示第i陣元激勵(lì)和第j個(gè)陣元接收的時(shí)域信號；
[0082] 2)對采集到的全矩陣時(shí)域信號glj(t)進(jìn)行Hilbert變換得到包絡(luò)信號hjt);
[0083] 3)計(jì)算從各個(gè)陣元到所有聚焦點(diǎn)的聲束在界面處的折射交點(diǎn)；
[0084] 4)將全部陣列數(shù)據(jù)按激勵(lì)陣元、接收陣元、界面折射交點(diǎn)與聚焦點(diǎn)的傳播距離計(jì) 算聲波傳播時(shí)間t i j (X，z)，通過公式（1)計(jì)算得到聚焦點(diǎn)的幅值I (X，z)，再對每個(gè)聚焦點(diǎn)的 幅值進(jìn)行聚焦，實(shí)現(xiàn)斜入射縱波的全聚焦成像；
[0085] 5)輸出成像結(jié)果，從成像結(jié)果判斷焊縫內(nèi)部是否有缺陷，如果有缺陷，對缺陷結(jié)果 進(jìn)行定位。
[0086] 上述步驟中，換能器的陣元數(shù)目N為32。
[0087]上述步驟中，可使用直楔塊或斜楔塊。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，對楔塊進(jìn)行選擇。與楔塊耦 合的界面可為平面，也可為曲面。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法，其步驟如下： 1) 在相控陣探頭上加模塊，通過模塊將縱波的主聲束斜入射到待測試件的焊縫內(nèi)，通 過相控陣系統(tǒng)進(jìn)行焊縫檢測實(shí)驗(yàn)，并獲取全矩陣數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中所用相控陣探頭的陣元個(gè)數(shù) 為N，通過全矩陣采集模式得到時(shí)域信號，全矩陣數(shù)據(jù)中的^〇。= 1，2,...，N; j = l，2,...， N)表示第i陣元激勵(lì)和第j個(gè)陣元接收的時(shí)域信號； 2) 對采集到的全矩陣時(shí)域信號gu(t)進(jìn)行化化ert變換得到包絡(luò)信號hu(t); 3) 計(jì)算從各個(gè)陣元到所有聚焦點(diǎn)的聲束在界面處的折射交點(diǎn)； 4) 將全部陣列數(shù)據(jù)按激勵(lì)陣元、接收陣元、界面折射交點(diǎn)與聚焦點(diǎn)的傳播距離計(jì)算聲 波傳播時(shí)間tu(x，z)，通過計(jì)算得到聚焦點(diǎn)的幅值I(x，z)，再對每個(gè)聚焦點(diǎn)的幅值進(jìn)行聚 焦； 5) 輸出成像結(jié)果，從成像結(jié)果判斷焊縫內(nèi)部是否有缺陷，如果有缺陷，對缺陷結(jié)果進(jìn)行 定位。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法，其特征在 于:與模塊禪合的界面為平面或曲面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法，其特征在 于:所述相控的陣探頭選用縱波探頭。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法，其特征在 于:所述的模塊為直模塊或帶角度的斜模塊。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法，其特征在 于:所述聲束在界面處的折射交點(diǎn)利用Snell原理進(jìn)行求解。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于斜入射縱波的焊縫超聲陣列全聚焦成像方法，其特征在 于， 聚焦點(diǎn)(x，z)的幅值I(x，z)表示為其中，l·uパtlパx，z))為陣元i激勵(lì)、陣元j接收的全矩陣時(shí)域信號中表征目標(biāo)聚焦點(diǎn)(x， Z)的包絡(luò)信號，tu(X，Z)為提取該幅值所用的聲波傳播時(shí)間；設(shè)模塊的波速為C1，待測試件 內(nèi)波速為C2，則聲波傳播時(shí)間tij ( X，Z )為：其中，XI和Zi分別為陣元i的橫、縱坐標(biāo);汾別為陣元j的橫、縱坐標(biāo)值;Xt、Zt分別為 激勵(lì)聲束在界面折射交點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo);Xr、Zr分別為接收聲束在界面折射交點(diǎn)的橫、縱坐 標(biāo);X、Z分別為對應(yīng)聚焦點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。
【文檔編號】G01N29/44GK106093206SQ201610571642
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】王炯耿, 羅宏建, 焦敬品, 劉帥開, 楊敬, 姚暉, 扶達(dá)鴻, 周陽洋, 喬敏, 張 杰, 趙洲峰, 陳胤楨, 周正強(qiáng), 梅簡, 吳峰, 吳一峰, 孫慶峰
【申請人】國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司, 北京工業(yè)大學(xué)