一種用于微裂紋檢測的非線性超聲相控陣成像方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬無損檢測領域，具體涉及一種非線性超聲相控陣成像方法，該方法用于 非線性源（如疲勞裂紋）的檢測與識別。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)在長期服役過程中受到疲勞載荷、沖擊及腐蝕、高溫等環(huán)境因素的作用會逐 漸老化，表現(xiàn)為出現(xiàn)不同程度的損傷。其中，疲勞裂紋是一種不穩(wěn)定性缺陷，對結(jié)構(gòu)的潛在 危害性最大。在外界因素的作用下，疲勞裂紋可能發(fā)生迅速擴展使結(jié)構(gòu)發(fā)生突然斷裂。因 此，采取有效的手段實現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的早期檢測、定位，對于確保重大基礎設施的正常運 行和人們生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要。
[0003] 非線性超聲技術(shù)對材料微觀組織結(jié)構(gòu)、機械損傷以及組織病理的敏感性高，特別 適合于結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的檢測。但目前的非線性超聲測量結(jié)果或局限于空間平均值，或通 過繁瑣的成像實現(xiàn)隱式的局部化，缺乏有效的非線性超聲成像手段。同時，這些隱式的非線 性成像方法需要利用光學測量方法獲得檢測點信息，其檢測范圍因而僅局限于表面測量， 使這些技術(shù)的應用受到了很大限制。
[0004] 與之相反，線性超聲成像因相控陣技術(shù)而變得極為容易。全矩陣成像是近年來廣 泛應用的一種陣列成像方法。與相控陣成像中陣元的并行激勵不同，在全矩陣成像中，利用 全矩陣數(shù)據(jù)采集模式，對陣元進行順序激勵，并在后處理中對全矩陣數(shù)據(jù)施加虛擬時延，以 等價地仿效施加物理時延下的并行激勵。將順序激勵并通過后處理實現(xiàn)的虛擬聚焦和陣元 并行激勵實現(xiàn)的真實聚焦分別稱為順序聚焦和并行聚焦。利用上述兩種相控陣激勵方式， 將非線性與相控陣技術(shù)相結(jié)合，考慮兩種激勵模式下聚焦點處的非線性響應的差別表征聚 焦點處是否存在疲勞裂紋，從而實現(xiàn)疲勞裂紋的空間定位。
[0005] 本文創(chuàng)新點在于提出了一種基于并行激勵、順序激勵兩種相控陣激勵方式下擴散 聲場能量差的非線性陣列成像方法，綜合考慮超聲波與微缺陷相互作用的多種非線性效 應，能夠較精確地實現(xiàn)微缺陷定位檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于發(fā)展一種基于兩種相控陣聚焦方式下擴散聲場能量差的非線 性陣列成像方法，通過該方法可以較精確地確定微缺陷的位置?；诓煌嗫仃嚲劢狗绞?下擴散聲場能量差的非線性成像方法利用順序聚焦與并行聚焦方式中陣列成像區(qū)域中聚 焦點的相對能量差表示該點的非線性效應，存在非線性源（微缺陷）時聚焦點的相對能量 差較大，因而可以判斷非線性源的有無。
[0007] 本發(fā)明提出的基于兩種相控陣聚焦方式下擴散聲場能量差的非線性成像方法，其 基本原理如下：
[0008] 兩種聚焦檢測模式中超聲波的線性傳播特性相同，但其非線性傳播特性不同。并 行聚焦時，結(jié)構(gòu)中聚焦位置處的絕對聲壓要高于順序聚焦時任意單獨激勵下的絕對聲壓。 因此，在并行聚焦檢測時，若聚焦點處存在損傷等非線性源，其非線性效應將會導致更多的 能量從基波頻率向其它頻率轉(zhuǎn)移。因此，順序聚焦和并行聚焦兩種檢測成像方法在聚焦點 處激勵的線性響應及成像結(jié)果完全相同，但兩種方法在聚焦點處激發(fā)的非線性響應及激勵 帶寬內(nèi)（基波）的能量損失有很大的差別。
[0009] -般說來，介質(zhì)的非線性響應不僅包含高次諧波，也包含分諧波以及激勵帶寬內(nèi) 頻率分量的和頻、差頻的組合，而這些非線性效應的共性是有能量從激勵帶寬的轉(zhuǎn)移。因 此，利用激勵帶寬內(nèi)（基波）的能量損失作為非線性表征指標，考慮到了疲勞裂紋可能產(chǎn)生 的多種非線性效應，可望大大提高對疲勞裂紋的檢測能力。
[0010] 基于相控陣聚焦原理的微裂紋定位方法的關(guān)鍵是需要獲得兩種聚焦檢測模式中 聚焦點處激勵帶寬內(nèi)（基波）的能量損失。由于超聲測量系統(tǒng)無法直接獲得聚焦點處的超 聲場，因此，需要對聚焦聲場的傳播及分布特性進行研究，以找到一種可用于聚焦點處基波 聲能損失計算的有效途徑。
[0011] 首先，分析兩種檢測模式下聲能損失差異的時間、空間分布特點。在兩種檢測模式 下，波的線性傳播特性對聲能的干涉作用是相同的，且儀器非線性和陣列與試件界面接觸 非線性對聲能傳輸?shù)挠绊懸蚕嗤?。同時，在非聚焦處，由于各陣元發(fā)射的超聲波沒有發(fā)生相 互干涉作用，其非線性相互作用造成的激勵帶寬內(nèi)（基波）的能量損失也是相同的。因此， 激勵頻帶內(nèi)（基波）的能量差別僅僅是由于聚焦點處聚焦時刻的幅值差異造成的。因此， 可以利用聚焦時刻以后任意瞬時兩種聚焦檢測方法得到的系統(tǒng)總聲能的差值來表征聚焦 點處的相對非線性能量損失。為此，可以通過對后續(xù)的擴散聲場分析來實現(xiàn)。
[0012] 在理想擴散聲場中，任意位置的聲能密度均勻，且聲能在各個方向傳遞的幾率相 等。實際上，由于超聲波在晶界及試件邊界的多次散射，初始相干激勵在傳播一段時間后可 滿足擴散聲場的存在條件。在擴散聲場中，任意點的聲能與此時刻系統(tǒng)的總能量成正比。因 此，盡管聚焦點處的相對非線性能量損失僅出現(xiàn)在相干場傳播的子集內(nèi)，但它在擴散聲場 中是均勻分布的。因此，在并行聚焦和順序聚焦的擴散聲場中，任意位置處的能量差異為聚 焦點處聚焦時刻的能量損失測量提供了一個近似值，相應地可用于該點處超聲非線性的表 征。
[0013] 隨著時間的增加，聲場將收斂于擴散狀態(tài)。但是，由于超聲波傳播的耗散性，信噪 比會隨著時間的增加而降低。同時，由于順序激勵時檢測信號的幅值較低，其受非相干噪 聲的影響更大，導致兩種聚焦方式下擴散聲場能量比較的有效性隨數(shù)據(jù)采集時延的增加而 降低。因此，在使接收信號幅值最大和擴散聲場收斂的情況下，應折中地選擇接收信號的時 延。由于擴散聲場僅是統(tǒng)計意義上的靜態(tài)，因此，可以利用一定時間窗口內(nèi)的積 分來表示其能量值，其中~為信號的接收延時時間，T為時間窗寬。對于N陣元陣列，順序 聚焦檢測中聚焦點處的擴散聲動能&可表示為：
[0014]
(1)
[0015] 類似地，并行激勵下聲動能乓P)可以表示為：
[0016]
(2)
[0017] 利用順序激勵和并行激勵下歸一化的能量差，定義如下的非線性特征指標：
[0018]
(3)
[0019]其中，7(F)為非線性效應導致的激勵帶寬內(nèi)（基波）的相對能量損失。fkl(t) 為k陣元順序激勵1陣元接收的時域信號。是聚焦在p處時激勵陣元k上施加的 時延。化(F，〇為所有陣元在時延下并行激勵，陣元1接收到的時域信號。Fkl(co) 和托（《)為時間窗口（tpt^T)內(nèi)，fkl(t)和的頻譜，％)=| 和
仁為接收時延，p?2)為基波頻帶范圍。激勵帶寬對疲勞裂 紋檢測的敏感性以及聚焦點處激勵能量的強度及轉(zhuǎn)移量都有不同程度的影響，需要綜合考 慮。激勵帶寬選擇的一般原則是無內(nèi)部能量轉(zhuǎn)移情況下的最大值。
[0020] 因此，基于并行聚焦和順序聚焦的擴散聲場分析，其一定時延下擴散場的聲動能 差可用于聚焦點處聲能損失的表征。
[0021] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0022] 本發(fā)明中使用了超聲相控陣檢測裝置，如圖1所示。該超聲相控陣檢測裝置包括 計算機1、超聲相控陣系統(tǒng)2、相控陣換能器3以及待檢測試件4。其中，超聲相控陣系統(tǒng)2 一端與計算機1連接，另一端與相控陣換能器3連接，相控陣換能器3與被測試件4通過耦 合介質(zhì)進行耦合。在計算機的控制下超聲相控陣系統(tǒng)激勵/接收模塊產(chǎn)生激勵信號，通過 相控陣換能器激勵出超聲波信號，沿待測試件傳播，并通過相控陣傳感器接收反射的超聲 波信號，然后通過相控陣系統(tǒng)信號激勵/接收模塊進行接收傳輸?shù)接嬎銠C中，通過計算機 中相應采集軟件即可獲得檢測的A掃波形。所述的相控陣換能器采用由32個陣元組成的 線陣相控陣探頭。
[0023] 本發(fā)明提出的基于不同相控陣聚焦方式下擴散聲場能量差的非線性成像方法，其 流程圖如圖2所示。具體可以按照以下步驟實施檢測：
[0024] 步驟一：利用超聲相控陣檢測系統(tǒng)采集順序聚焦與并行聚焦方式下的檢測信號。
[0025] 1)將如圖1所示的超聲相控陣檢測系統(tǒng)設置為全矩陣采集模式，采集被測缺陷的 全矩陣數(shù)據(jù)fkl (t)(k= 1，2, 3…N，1 = 1，2, 3…N)。其中，下標k表示陣列換能器中第k個 陣元激勵，1表示陣列換能器中第1個陣元接收；
[0026] 2)將超聲相控陣檢測系統(tǒng)設置為點聚焦模式，采集并行聚焦方式下每個聚焦點的 檢測信號比(〇 (1 = 1，2,3…N)。其中，下標1表示陣列換能器中第1個陣元接收；
[0027] 步驟二：建立如圖3所示的成像坐標系，定義相控陣探頭中每個陣元在坐標系中 的位置以及每個成像像素點在坐標系中的位置。坐標系原點定義在陣元序列的中心，其中 (Xtx,ztx)為激勵陣元的坐標，（Xn,Z")為接收陣元的坐標，（X，Z)為成像點坐標。
[0028] 步驟三：確定接收延時~與時域截取窗的寬度T，對截取的檢測信號進行傅里葉 變換：
[0029] (4)
[0030]
(5)
[0031] 步驟四