[发明专利]基于费马原理的各向异性焊缝中超声声线追踪方法

摘要

基于费马原理的各向异性焊缝中超声声线追踪方法，属于无损检测领域。通过对超声波在各向异性焊缝中的传播路径的追踪，有助于实现对各向异性焊缝中缺陷的准确定位，属于无损检测领域。本方法通过建立焊缝模型，将焊缝模型分区后，对各区交界线进行离散化，只需计算初始点至交界线上各离散点的传播时间和各离散点至目标点的传播时间，通过费马原理确定传播时间最小的即为确定的传播路径。此方法的优势在于提出一种离散化的思想，不管晶粒分为多少层，可以用同样的方法进行传播时间的计算。与常规的逐步追踪的方法相比，此方法大大提高了运行效率。

主权项

一种适用于各向异性焊缝的超声波声线追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据晶粒方向对焊缝模型进行分区即将焊缝分为多层晶粒方向结构；2)对各区的交界线以点的形式进行离散化；3)分别逐步计算初始点到各交界线上离散点的传播时间；4)计算目标点到与之相近的前一交界线上离散点的传播时间；5)将步骤(3)求出的初始点到交界线上的离散点的传播时间与步骤(4)求出的目标点到交界线上离散点的传播时间相加求总传播时间；6)根据费马原理选取的总传播时间的最小的即为所确定的传播路径；根据超声波波的波动方程可以推导出各向异性介质中超声波的群速度v的不同方向的速度va表达式：va=1ρCandlpnpdml---(1)]]>其中，Candl为材料的刚度系数矩阵，a、n、d和l为指标符号，且取值为1、2、3；分别表示x、y、z三个坐标轴方向；a和l为自由标，n和d为哑标，p为极化矢量，与波的入射方向有关；ρ为密度，慢度矢量m＝k/ω；k为波矢量，ω为角频率；最终的群速度v为三个方向的速度分量的合成矢量；当晶粒方向发生变化时，材料的刚度系数矩阵会随着晶粒方向进行旋转，即进行坐标转换；结合公式(1)得出，超声波在各向异性介质中的传播速度与波的入射方向和当前的晶粒方向有关；在此基础上，对超声波的传播路径进行追踪；由费马原理可知，超声波在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播；t=(xa-x0)2+(za-z0)2v1+(xa-x)2+(za-z)2v2---(2)]]>式中，x0和z0表示初始点的横纵坐标值，xa和za表示与界面相交处的离散点点的横纵坐标值；x和z分别表示目标点的横纵坐标值；v1表示第一介质的传播速；v2表示第二介质的传播速度；当第二中介质为各向异性材料时，速度v2随波的入射方向与晶粒方向变化的值；基于费马原理的射线追踪原理；首先计算初始点激励阵元到各层边界上离散点的时间；然后计算目标点所在层的与前一层交界线上的离散点到目标点之间的时间；由于波的入射方向为未知量，所以不能直接计算速度v2；根据目标点所在层的与前一层交界线上的离散点与目标点的连线可以求出波的传播方向，根据波的传播方向可以反推出波的入射方向；已知波的入射方向和晶粒方向可以计算群速度v2，进而求得传播时；最后比较所有路径中总传播时间最短的路径即为波的传播路径。