[发明专利]各向异性焊缝缺陷阵列检测的修正的全聚焦成像方法

摘要

各向异性焊缝缺陷阵列检测的修正的全聚焦成像方法，属于无损检测领域。该方法通过对相控阵一维线性阵列传感器接收的全矩阵数据进行处理，考虑材料的各向异性，计算超声波在各向异性介质中的群速度，然后利用基于费马原理的射线追踪算法计算超声波在各向异性介质中的传播时间，最终实现各向异性焊缝的全聚焦成像。其优势在于通过考虑焊缝的各向异性，将运行效率较高的基于费马原理的射线追踪方法和全聚焦成像方法相结合，解决了常规的全聚焦成像对各向异性介质中的缺陷定位不准的问题，同时，提高了相控阵在各向异性介质的中的检测精度。

主权项

1.适用于各向异性焊缝内部缺陷识别的修正的全聚焦成像方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过商用相控阵进行检测实验；实验中采用相控阵探头通过全矩阵模式采集得到时域信号g_ij(t),(i＝1,2,...,N；j＝1,2,...,N)，其中，下标i表示第i个阵元激励，j表示第j个阵元接收；2)对采集到的全矩阵时域信号g_ij(t)进行Hilbert变换得到信号的包络h_ij(t)；3)根据费马原理的射线追踪方法计算激励、接收阵元与成像点的传播时间t_ij(x,z)即每一成像点到激励和接收阵元的传播传播时间t_ij(x,z)；4)将每一成像点到激励和接收阵元的传播传播时间t_ij(x,z)代入到全聚焦公式聚焦点(x,z)的幅值I(x,z)，在每个像素点进行聚焦，最后得到修正的全聚焦成像结果；5)输出成像结果，从成像结果看出实际缺陷的位置；假设采用一维线性相控阵的阵元个数为N，其中阵元i为激励阵元，阵元j为接收阵元； 由激励阵元i激励的声束到达待测试件成像区域聚焦点(x,z)处，然后由此聚焦点反射后经楔块为接收阵元j所接收；每个阵元都激励出声束，被所有阵元所接收，那么就会得到N×N组全矩阵数据h_ij(t)，则聚焦点(x,z)的幅值I(x,z)表示为其中，h_ij(t_ij(x,z))为时域信号取希尔伯特包络后对应的聚焦点(x,z)的幅值信息，t_ij(x,z)为声束从激励阵元i到达聚焦点(x,z)后，再经传播至接收阵元j所用的时间；设待测试件内波速为v，则传播时间t_ij(x,z)为：其中，x_i表示激励阵元位置，x_j表示接收阵元位置；速度v为变量，表示当前位置处的群速度，是与φ和θ相关的函数，φ表示当前聚焦点位置的晶粒方向，θ表示聚焦点处波的入射方向；当超声波传播的介质的弹性常数已知的条件下，速度v与晶粒方向φ和声束的入射方向θ有关；由于焊缝内部晶粒方向分布不是唯一的固定值，采用费马原理计算出超声波在各向异性介质中的传播时间t_ij，代入公式(1)即可实现各向异性介质的全聚焦成像的聚焦点(x,z)的幅值；根据超声波波的波动方程推导出各向异性介质中超声波的群速度v的不同方向的速度分量v_a表达式：其中，C_andl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(4)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；焊缝母材区为各向同性介质，焊缝区为各向异性介质；基于费马原理的射线追踪原理，对焊缝边界上的点进行离散化，首先计算激励阵元到各边界上离散点的时间；然后计算边界上的离散点到聚焦点之间的时间；把计算的两个时间相加即为超声波从激励阵元到聚焦点的传播时间；最后比较所有路径中传播时间最短的路径即为波的传播路径。