[發明專利]一種檢測復合材料結構筋條區的超聲可視化成像方法

有效

• 申請號: 201611201588.2
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106770667B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發明（設計）人: 劉菲菲;劉松平;李治應;李樂剛;傅天航;史俊偉
• 申請（專利權）人: 中航復合材料有限責任公司
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 李建英

1.一種檢測復合材料結構筋條區的超聲可視化成像方法，其中，所采用的裝置由用于復合材料結構筋條區檢測的超聲陣列換能器(1)、超聲陣列單元(2)、信號處理單元(3)和成像單元(4)組成，在超聲陣列單元(2)激勵超聲陣列換能器(1)發射超聲波信號，此超聲波信號通過耦合介質傳播到被檢測復合材料結構筋條區內部，并在被檢測復合材料結構筋條區內部形成反射超聲波信號，此超聲波信號被超聲陣列換能器(1)接收，并經超聲陣列單元(2)預處理后，由信號處理單元(3)進行數字化，再由成像單元(4)按照所建立的顯示模型進行成像，其特征是，

(1)檢測部位

將被檢測復合材料結構筋條區(5)分為以下幾個檢測部位：

1)筋條區(5)的右側底邊部位(5A)；

2)筋條區(5)的左側底邊部位(5B)；

3)筋條區(5)的立邊部位(5C)；

(2)入射方向選擇

選擇從筋條區(5)的右側底邊和左側底邊及立邊方向作為入射方向進行超聲可視化成像檢測：

a)入射方向①：適用于筋條區(5)的右側底邊部位(5A)及對應的蒙皮(5D)區部位的超聲可視化成像檢測；

b)入射方向②：適用于筋條區(5)的左側底邊部(5B)及對應的蒙皮(5D)區部位的超聲可視化成像檢測；

c)入射方向③：適用于筋條區(5)的立邊部位(5C)的超聲可視化成像檢測；

(3)超聲陣列換能器(1)的選擇

1)類型選擇

選擇用于復合材料結構筋條區檢測的超聲陣列換能器(1)，對被檢測復合材料結構筋條區(5)的左側底邊部位(5B)及對應的蒙皮(5D)區部位、筋條區(5)的右側底邊部位(5A)及對應的蒙皮(5D)區部位、筋條區(5)的立邊部位(5C)進行檢測，

用于復合材料結構筋條區(5)的超聲陣列換能器(1)主要包括超聲反射鏡(1C)、超聲透射鏡(1D)、壓電晶元陣列(1E)、匹配層(1F)、阻尼塊(1G)、外殼(1H)、連接座(1J)，其中，

外殼(1H)為一長方體，在此長方體內部為貫通內長方孔，在此長方體下端前后外側有用于鎖緊超聲反射鏡(1C)的小凸臺及貫通孔，

壓電晶元陣列(1E)由N個壓電晶元組成，N為壓電晶元陣列(1E)的壓電晶元數，壓電晶元陣列(1E)的大小與匹配層(1F)的大小匹配，匹配層(1F)和阻尼塊(1G)的大小與外殼(1H)貫通內長方孔匹配，按照阻尼塊(1G)+壓電晶元陣列(1E)+匹配層(1F)的組合關系封裝在外殼(1H)的內部，

超聲透射鏡(1D)為一矩形45°透聲斜契，相對于45°斜切面的一端平面與匹配層(1F)保持聲學耦合，利用螺母穿過外殼(1H)中的固定用的貫通孔與超聲透射鏡(1D)中兩個配套的固定用的螺紋孔鎖緊固定，相對于超聲透射鏡(1D)中的45°斜切面的另一端平面，即入射面(1K)與被檢測復合材料結構筋條區(5)中的右側底邊部位(5A)或左側底邊部位(5B)或立邊部位(5C)表面之間保持接觸或非接觸聲學耦合，

超聲反射鏡(1C)為一矩形45°反聲斜契，此矩形45°反聲斜契中的45°斜切面與超聲透射鏡(1D)中45°的斜切面方向、大小位置匹配，并彼此保持聲學耦合，利用螺母穿過超聲透射鏡(1D)中的固定用的貫通孔與超聲反射鏡(1C)中配套的固定用的螺紋孔鎖緊固定，

2)陣列聲源的構成

根據被檢測復合材料結構筋條區(5)檢測部位的幾何特征，選擇超聲陣列換能器(1)，構成陣列聲源這里，i＝1,2,...,N，S_i為第i個晶元w_i對應的聲束作用面積，通過對筋條區(5)的右側底邊部位(5A)及對應的蒙皮(5D)區部位、筋條區(5)的左側底邊部位(5B)及對應的蒙皮(5D)區部位、筋條區(5)的立邊部位(5C)進行聲波覆蓋入射，從而在被檢測復合材料結構筋條區(5)區內部形成入射超聲波陣列聲束，且N由式(1)確定和選擇：

這里，w_i——為單個壓電晶元的寬度，

對于筋條區(5)的底邊部位(5A、5B)的超聲檢測，H_j取筋條區(5)的右側底邊部位(5A)的寬度H₁和筋條區(5)的左側底邊部位(5B)的寬度H₂的最大值，即

H_j＝max{H₁,H₂}，且不大于80mm，

對于筋條區(5)的立邊部位(5C)的檢測，H_j取筋條區(5)的立邊部位(5C)的高度H₃的最大值，且不大于80mm，

實際檢測時，使每一個壓電晶元對應一個聲束進行掃描，或通過電子延時合成的方法，將N個壓電晶元進行組合，合成陣列掃描聲束，對復合材料結構筋條區(5)的左側底邊部位(5B)、右側底邊部位(5A)和立邊部位(5C)進行覆蓋掃查檢測；

3)頻率選擇

根據被檢測復合材料筋條區(5)的檢測要求和材料工藝及其結構厚度，選擇超聲陣列換能器(1)的頻率f；

(4)掃查方法

選擇與超聲陣列換能器(1)中的晶元的線性排列方向垂直的方向，即復合材料筋條區(5)的長度方向，作為掃查方向，步進方向與掃查方向垂直，通過手動或者自動掃查機構移動超聲陣列換能器(1)對被檢測復合材料結構筋條區(5)的左側底邊部位(5B)及對應的蒙皮(5D)區部位、筋條區(5)的右側底邊部位(5A)及對應的蒙皮(5D)區部位、筋條區(5)的立邊部位(5C)進行掃查檢測，

(5)成像方法

通過信號處理單元(3)將來自超聲陣列換能器(1)和超聲陣列單元(2)的超聲信號進行數字化處理，按照式(2)轉換為數字成像信號P_i(x_i,y_i,c_i)，在顯示單元(4)中進行成像顯示，

這里，

u_i(A_i,t_i)與單值線性對應，為超聲陣列換能器(1)中第i個入射聲束S_i傳播路徑上接收到的反射超聲波信號，其幅值為A_i，傳播時間為t_i，同時u_i(A_i,t_i)與被檢測復合材料結構筋條區(5)中的被檢測部位的位置坐標Q_i(x_i,y_i)單值對應，

i對應S_i在被檢測復合材料結構筋條區(5)當前掃查區的位置點，

x_i表示S_i在被檢測復合材料結構筋條區(5)的x方向，即筋條底邊部位(5A、5B)和筋條立邊部位(5C)寬度方向的位置坐標，檢出缺陷在筋條區(5)中的寬度方向的位置w_i通過x_i由式(4)確定，

y_i表示S_i在筋條底邊部位(5A、5B)和筋條立邊部位(5C)厚度方向傳播時間t的坐標，檢出缺陷的深度位置h_i通過y_i由式(5)確定，且，

υ——為復合材料結構筋條區(5)中的聲速，

c_i——為圖像顯示中(x_i,y_i)點所對應的顏色值，且其中K_c為顏色值或灰度轉換系數，與成像單元(4)對應的灰度或者彩色分辨率有關，u₀為對應成像單元(4)的灰度或彩色級差的最大值，

x_i＝k_xw_i (4)

y_i＝k_yh_i (5)

這里，

k_x——為x方向的坐標轉換系數，

k_y——為y方向的坐標轉換系數，

將超聲陣列換能器(1)在每個掃描位置的檢測信號按照式(2)進行映射和成像顯示，實現對每個掃描位置的檢測結果的超聲可視化成像；

(6)缺陷判別

根據超聲陣列換能器(1)接收到的來自每個入射聲束S_i傳播路徑上的反射超聲波信號u_i(A_i,t_i)中的幅值A_i及其在成像單元(4)中顯示的對應的圖像的顏色或灰度進行缺陷的判別，利用成像單元(4)中的成像坐標確定檢出缺陷的長度和深度，從而進行缺陷的定量分析。