[发明专利]一种基于极值分布理论的微小缺陷超声检测方法

摘要

本发明公开了一种基于极值分布理论的微小缺陷超声检测方法，所述方法使用了单次散射响应模型对多晶体材料中超声背散射现象进行描述，并通过极值分布理论和单次散射响应模型的有机结合，给出了晶粒噪声的置信上限，最终以置信上限为时变阈值进行了缺陷的成像。实验结果表示，本发明的方法能有效检出直径为0.2mm、埋深为12mm的平底孔缺陷。与传统固定阈值方法对比，本发明的方法在高增益下抑制了把晶粒噪声误检为缺陷的可能性。可见，本发明的方法提供了一种使用常规线性超声检测系统检测出微小缺陷的有效手段。

主权项

1.一种基于极值分布理论的微小缺陷超声检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于单次散射响应模型，构造理论空间标准差曲线，结合极值分布理论，建立晶粒噪声及其置信区间的正演模型；S2、根据被测试块和实验系统，输入步骤S1所得正演模型中所需的各个参数，其中包括金相法得到的平均晶粒尺寸，继而得到理论的晶粒噪声置信上限曲线；S3、对被测试块进行超声C扫描，以步骤S2得到的晶粒噪声置信上限曲线为时变阈值，对缺陷进行成像，完成超声检测；所述步骤S1包括：S11、以晶粒噪声在空间上符合零均值的正态分布，标准差Σ(t)是时间t的函数，根据式(1)的单次散射响应模型，给出水浸超声C扫描系统在纵波‑纵波模型下垂直入射于平面试块的空间标准差曲线式中V_max是幅值校正参数；F是超声聚焦探头的焦距，w_F是聚焦探头聚焦在固体表面时的超声束宽度；w₀＝0.7517a是初始超声束宽度；a是探头的半径；ρ和c_L分别是固体的密度和纵波声速；ρ_f和c_f分别是液体的密度和纵波声速；T_fL和T_Lf分别是液‑固界面和固‑液界面的透射系数，R_fL是液‑固界面的反射系数；D是隆美尔衍射衰减修正系数；z_f是超声探头到试块表面的距离即水声距；ω₀＝2πf₀是中心角频率，f₀是中心频率；α_f和α_L分别是液体和固体的衰减系数；是纵波‑纵波模式下的空间相关函数的傅里叶变换；是散射强度协方差算子，单晶各向异性系数ν＝c₁₁‑c₁₂‑2c₄₄；c₁₁、c₁₂和c₄₄为单晶弹性常数；w(z)是固体中传播深度z处的高斯超声束宽度；σ是入射波的脉冲宽度；式1中声束宽度w_F的计算方法是式中k_f＝ω₀/c_f是液体中的波数，Im指求虚部，i表示虚数；透射系数和反射系数定义为隆美尔衍射衰减修正系数D是其中exp表示指数函数，J₀和J₁为0阶和1阶第一类贝塞尔函数；纵波‑纵波模式下的空间相关函数的傅里叶变换是式中k_L＝ω₀/c_L是固体中的波数，为固体被测对象的平均晶粒尺寸；固体中传播深度z处的高斯超声束宽度w(z)为将式2到式6代入式1得到基于单次散射响应模型的理论空间标准差曲线Σ(t)；S12、以t时刻晶粒噪声加绝对值后的最大值为A(t)，则A(t)的概率密度函数为式中的规范常数a_N(t)和b_N(t)使用底分布为折叠正态分布时的形式，具体分别为式中N为超声C扫描采集到的波形总数；S13、根据极值分布理论，由式7得到t时刻最大值的数学期望<A(t)>为<A(t)>＝b_N(t)+a_N(t)γ    9式中γ≈0.5772是Euler‑Mascheroni常数，代入式8得式10给出了晶粒噪声的理论正演模型；同时通过极值分布理论得到t时刻最大值的置信区间内上限和下限，即式11和式12建立了晶粒噪声置信区间的理论正演模型；所述步骤S2具体为：S21、为计算步骤S1所得理论模型，即式11和式1，首先获取被测试块的平均晶粒尺寸S22、进一步采集模型所需的其他各个输入参数，包括：幅值校正参数V_max，聚焦探头的焦距F，探头的半径a，固体的密度ρ和纵波声速c_L，液体的密度ρ_f和纵波声速c_f，水声距z_f，中心频率f₀，液体和固体的衰减系数α_f和α_L，被测对象的单晶弹性常数c₁₁、c₁₂和c₄₄，入射波的脉冲宽度σ，最终计算式1并代入式11，得到晶粒噪声的上限曲线U(t)。