[發明專利]聲場閾值分割的相控陣曲面全聚焦成像優化方法及系統

有效

• 申請號: 202110941840.8
• 申請日: 2021-08-17
• 公開（公告）號: CN113686960B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 汪小凱;關山月;華林;錢東升;李一軒
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06;G01N29/28;G01N29/26;G01N29/44
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 許美紅

1.一種聲場閾值分割的相控陣曲面全聚焦成像優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟(1)：根據待測曲面零件的材料和曲面幾何特征，確定檢測參數，包括超聲相控陣探頭頻率f、陣元數量N、陣元寬度d和水層高度h；

步驟(2)：將待測曲面零件浸入水中，按照確定的檢測參數放置超聲相控陣探頭，分別對待測曲面零件的凸面和凹面位置進行檢測，采集全矩陣數據，依次激發N個陣元，總共獲得N×N組數據；

步驟(3)：根據待測曲面零件的截面幾何形狀，將待測區域劃分為凸面區域和凹面區域，分別針對凸面和凹面幾何參數和探頭參數進行各陣元聲場在雙介質曲面中的仿真；

步驟(4)：將各陣元聲場強度的最大值的一定比例作為閾值，將各陣元成像區域進行閾值分割，生成有效區域系數矩陣；

步驟(5)：將待測曲面零件的各陣元有效區域內的網格點逐一成像，實現陣元有效區域全聚焦優化成像，獲得零件曲面的全聚焦優化成像；

步驟(6)：根據零件曲面的全聚焦優化成像，分析待測曲面零件凸面區域和凹面區域的缺陷尺寸和位置；

陣元在雙介質曲面中的聲場仿真方法如下：

根據聲學理論，得到雙介質平面線源模型聲壓計算公式：

其中，v₀(ω)為陣元沿其寬度方向的空間平均分布速度，δ為質點與換能器中心軸線的夾角，k＝ω/c為波數，ρ₁為介質密度，c₁為水中的聲速,r為質點到換能器中心點(x₀,0)的距離，T_p是基于壓力比計算的平面波界面透射系數，L_1i為陣元發射聲波在第一介質中的傳播路徑，L_2i為聲波在第二介質中的路徑；根據交界面射線理論，第i個陣元發射超聲波在第二介質折射點F_i的聲壓視為虛擬聲源M_i′沿直線傳播至F_i點，虛擬聲源到入射點的距離為：

其中，α_i為聲波界面入射角，β_i為聲波界面折射角；假設曲面y＝f(x)在第i個陣元發射的超聲波在界面交點Q_i(x_2i,y_2i)的切線斜率為y′＝f′(x_2i),Q_i(x_2i,y_2i)的坐標由費馬原理可求，則第i個陣元在曲面介質的入射角為：

其中，K_1i為界面交點為Q_i處的法線斜率，K_2i為第i個陣元中心與界面交點Q_i所在直線方程斜率，由snell定律求得折射角再計算L_1i′，并求得線源模型在曲面中的聲壓計算值。

2.根據權利要求1所述的聲場閾值分割的相控陣曲面全聚焦成像優化方法，其特征在于，曲面全聚焦的檢測參數的確定過程如下：

根據待測曲面零件的材料和檢測深度范圍，確定探頭頻率f和陣元間隔p：對于粗晶材料和厚壁零件檢測采用低頻探頭，對于薄壁零件選擇高頻探頭；小缺陷的高分辨率檢測要求陣元間隔p更小；

曲面全聚焦檢測的相控陣探頭參數和檢測參數滿足以下條件：

a.各陣元在凹面內的縱波發射盲區小于待測區域的1/4；

b.為保證各陣元在曲面內部有效注入聲波能量，各陣元縱波入射的最大聲束擴散角小于半擴散角；

c.凸面檢測所用的探頭陣列寬度(N-1)*p大于待測區域寬度范圍。

3.根據權利要求1所述的聲場閾值分割的相控陣曲面全聚焦成像優化方法，其特征在于，聲場閾值分割的曲面全聚焦成像優化方法如下：

根據常規超聲檢測缺陷定量方法確定有效區域聲場閾值，采用-12dB法，將所有陣元聲場強度最大值的1/4作為閾值；

將各陣元聲場區域按閾值劃分，生成有效區域系數矩陣，有效區域內的聚焦點按全聚焦算法進行幅值疊加，有效區域外的聚焦點幅值定義為0。

4.一種水浸全聚焦檢測系統，其特征在于，包括超聲相控陣檢測儀、超聲檢測軟件、超聲相控陣探頭和裝有耦合劑的水箱；水箱內放置待測曲面零件；超聲相控陣檢測儀通過超聲相控陣探頭采集全矩陣數據，傳輸至超聲檢測軟件；超聲檢測軟件用于實現權利要求1-3中任一項所述的聲場閾值分割的相控陣曲面全聚焦成像優化方法。