專利名稱：基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種板結構大范圍、高靈敏度缺陷檢測方法，特別是一種基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法，其通過對換能器陣列采集數(shù)據(jù)進行虛擬聚焦處理，實現(xiàn)板結構大范圍聚焦檢測。該方法主要用于壓力容器，大型儲罐等板類結構的缺陷檢測，屬于無損檢測領域。

背景技術：
壓力容器是石油、化工等行業(yè)的重大裝備，也是國家進行戰(zhàn)略油貯備的基礎設施。由于其盛裝著易燃、易爆、劇毒或腐蝕介質，長期承受高溫和壓力，是危險性較高的特種設備，在生產(chǎn)和使用中的失效形式比較復雜，易發(fā)生事故。給國家和人民生命財產(chǎn)造成了巨大的損失。因此，迫切需要發(fā)展壓力容器無損檢測技術，以避免和減少壓力容器失效事故的發(fā)生。
超聲導波技術具有檢測效率高、速度快等優(yōu)點，特別適合于板、管、桿等波導的大范圍健康檢測。由于結構尺寸較大，壓力容器健康檢測問題可簡化為板結構無損檢測問題，因此超聲導波技術對大型儲罐檢測具有特殊優(yōu)勢。板結構中傳播的超聲導波稱為蘭姆波(Lamb Wave)。由于蘭姆波在板中傳播時聲場遍及整個壁厚，傳播距離較長且衰減較小，因此蘭姆波常用于板狀結構的檢測。利用單換能器(反射式)或雙換能器(透射式)對板結構進行蘭姆波檢測時，只能實現(xiàn)某單一方向范圍內的缺陷檢測，空間上或不能聚焦或只能聚焦在某一固定位置處。因此，單(雙)換能器蘭姆波檢測靈敏度較低，信噪比差。
為克服單換能器檢測能量分散、分辨率低、信號分析困難等缺點，可以利用多個陣元組成換能器陣列進行相控陣無損檢測。相控陣超聲檢測技術通過電子系統(tǒng)控制換能器陣列中各個陣元，按照一定的延遲時間規(guī)則發(fā)射和接收超聲波，實現(xiàn)動態(tài)聚焦。因此，相控陣檢測具有快速、準確、適應性強的優(yōu)點，而且成像質量好。但相控延時發(fā)射電路極為復雜，對發(fā)射信號的同步和延時要求很高，而且隨著陣元數(shù)目的增加，控陣電路制作的復雜性和成本都顯著增加，因此，其廣泛應用受到了極大的限制。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種板結構大范圍、高靈敏度蘭姆波缺陷檢測方法，特別是一種基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法。在無需相控陣延時控制硬件電路的基礎上，該方法通過對點陣元組成換能器陣列接收數(shù)據(jù)進行軟件處理，即在換能器周圍任意空間位置處，對換能器陣列各陣元接收信號施加一定相位移動，使換能器各陣元組合接收數(shù)據(jù)在該空間位置具有相同的相位，實現(xiàn)該位置的聚焦檢測。因此，該方法可以實現(xiàn)換能器周圍360°范圍內任意位置的指向聚焦檢測，不僅缺陷分辨率高，而且檢測效率高，。
本發(fā)明提出的基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法，其基本原理在于 與檢測范圍相比，換能器陣列尺寸很小，因此換能器陣列可簡化為點聲源。因此，換能器陣列板結構蘭姆波檢測屬于點聲源遠場檢測問題。同時，基于Born近似原理，超聲波在遠場范圍傳播中遇到反射體時，可以忽略超聲波的多次反射及衰減，認為超聲波在反射體處發(fā)生全反射。換能器陣列陣元的個數(shù)為N，N≥8，則激勵接收陣元的組合數(shù)為n，n＝N(N-1)，此處不考慮超聲導波自激勵自接收的狀態(tài)。
在頻域，對換能器陣列接收信號Sn(ω)(Sn(ω)為其頻譜，ω為信號的角頻率)施加相位因子

構造空間任意方向

上反射體回波表達式

如果選擇的相位因子

使

方向上反射體回波表達式

中所有信號具有相同的相位，則可以實現(xiàn)該方向上反射體的聚焦檢測。即選擇施加在信號上的相位因子，使信號在

方向上指向性最好。
在遠場檢測范圍內，換能器陣列可認為是多陣元組成的點聲源。點聲源的空間指向性能可利用點擴散函數(shù)表示。表征換能器陣列空間指向性的點擴散函數(shù)

可表示為
其中，

表示n對激勵接收陣元組合在

方向上的指向性函數(shù)。

其中的下標ii和jj均為大于等于1的自然數(shù)，并且ii，jj≤N，i表示虛數(shù)單位，

和

為激勵和接收陣元的周向指向性函數(shù)，r(T)ii和r(R)jj為激勵和接收陣元的半徑。當反射體位于遠場域，即反射體到原點的距離遠大于激勵和接收陣元到原點的距離時，對于一維環(huán)形陣列，周向指向性函數(shù)可以表示為
其中，J0為零階貝塞爾函數(shù)，d表示陣列的直徑，k＝2π/λ為波數(shù)，λ為超聲導波的波長，

為陣元所在位置的方向，

表示聲束方向。
在任意指向方向上，利用優(yōu)化方法(如遺傳算法)，對相位因子

進行優(yōu)化設計，選擇出最佳的相位因子

使得點擴散函數(shù)

在方向

處最大，即在該方向上聚焦。對換能器陣列檢測數(shù)據(jù)Sn(ω)施加該最佳的相位因子，就可以實現(xiàn)該位置的聚焦功能。

在

方向上，對施加最佳相位因子的反射體回波信號

作空間反傅立葉變換，可以得到空間點

聚焦后的幅值表達式


為施加最佳相位因子后空間點

處的幅值表達式。同理，根據(jù)(5)式可以得到空間任意一點

聚焦后幅值，從而實現(xiàn)空間任意一點聚焦檢測。根據(jù)空間各點的幅值進行成像，根據(jù)顏色就可以定位反射體所在位置。
本發(fā)明的技術方案如下 本發(fā)明中使用了傳統(tǒng)的超聲導波檢測裝置，如圖1所示。換能器陣列為一維環(huán)形陣列，陣元數(shù)為N個，N≥8，每個陣元既是激勵陣元，又是接收陣元，但又不能同時為激勵和接收陣元。任意函數(shù)發(fā)生器的輸出端與功率放大器的輸入端相連，功率放大器的輸出端與換能器激勵陣元相連。接收陣元與示波器某個通道相連。示波器通過串口與計算機相連。具體檢測步驟為 1)根據(jù)待檢測板結構幾何及材料性能參數(shù)，計算板結構的頻散曲線。根據(jù)頻散曲線中蘭姆波傳播特性，選定激勵信號的頻率和幅值。
2)利用上述所選定頻率和幅值的激勵信號，對換能器陣元采用一發(fā)一收的方式進行超聲導波實驗，記錄換能器陣列接收數(shù)據(jù)，得到n組時域信號fn(t)，其中n表示激勵和接收傳感器的組合數(shù)，且n＝N(N-1)。N(N≥8)表示換能器陣列陣元的個數(shù)，，t表示信號的時間。選定換能器陣列圓心為參考極坐標系的原點。
3)對上述得到的n組時域信號fn(t)作傅立葉變換，得到n組頻域信號Sn(ω)，其中ω為信號的角頻率。根據(jù)等聲束角的原則確定聲束方向

其中，mii表示聲束方向的數(shù)目，ii表示第ii個聲束方向，并且1≤ii≤mii。
4)對步驟3)中得到的頻域信號Sn(ω)在第一個聲束方向

上施加一個相位因子

得到該聲束方向上的反射體回波信號
5)根據(jù)步驟4)中的相位因子

可以得到點擴散函數(shù)
6)根據(jù)上述得到的點擴散函數(shù)

構造目標函數(shù)
上式

表示位于

方向上的反射點在方向

上的點擴散結果，

在方向

上施加的相位因子。
7)對所得到的目標函數(shù)μ(t)取最大值后，得到最佳相位因子
8)對步驟3)中得到的頻域信號Sn(ω)施加最佳相位因子

得到

方向上的最佳聚焦效果的反射體回波信號
9)對上述得到的反射體回波信號

空間反傅立葉變換，可以得到空間點

聚焦后的幅值表達式。
10)在空間不同指向方向上，重復步驟4)-9)，根據(jù)(6)式可以得到空間任意一點

聚焦后幅值，根據(jù)空間各點的幅值進行成像，根據(jù)顏色就可以定位反射體所在位置。
所述的基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法，其特征在于所述的換能器陣列數(shù)目均大于8。
所述的基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法，其特征在于所述的換能器陣列為一維或二維的環(huán)形陣列，陣元為壓電或EMAT點源換能器。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)在無需相控陣相位控制硬件系統(tǒng)的基礎上，通過對換能器陣列接收數(shù)據(jù)進行軟件虛擬聚焦處理，實現(xiàn)板內任意位置波束指向聚焦檢測功能，解決板結構大范圍無損檢測問題。(2)當信號的波束指向偏轉到缺陷位置所在方向，所有信號將在缺陷處聚焦，此方向上由缺陷引起的反射信號能量和幅度最強，據(jù)此獲得缺陷的方向信息，并由此提高信噪比，對小缺陷的檢出能力有顯著提高；(3)傳感器陣列中的每個傳感器單元均與獨立的多通道的激勵/接收轉換開關相連，使檢測信號的激勵和接收具有很大的靈活性。



圖1是本發(fā)明基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測裝置原理圖； 圖2是本發(fā)明基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法流程圖； 圖3是本發(fā)明中遺傳算法相位因子優(yōu)化流程圖； 其中1-任意函數(shù)發(fā)生器；2-功率放大器；3-示波器；4-計算機；5-換能器陣列；6-待檢測板；7-板上缺陷所在位置。

具體實施例方式 如圖1-3所示，基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法的具體步驟為 1)待檢測板結構為1m*1m的鋁板，計算板結構的頻散曲線。選取的激勵信號為10個周期的漢寧窗調制的單音頻信號。根據(jù)頻散曲線中蘭姆波傳播特性，選取的信號的頻率為180kHz，幅值為300mv。
2)選取陣元數(shù)目為8個，利用上述所選定頻率和幅值的激勵信號，對換能器陣元采用一發(fā)一收的方式進行超聲導波實驗，記錄換能器陣列接收數(shù)據(jù)，得到n組時域信號fn(t)，其中n表示激勵和接收傳感器的組合數(shù)，且n＝N(N-1)＝56。N表示換能器陣列陣元的個數(shù)，t表示信號的時間。選定換能器陣列圓心為參考極坐標系的原點。
3)對上述得到的56組時域信號fn(t)作傅立葉變換，得到56組頻域信號Sn(ω)。根據(jù)等聲束角的原則確定聲束方向

其中，mii表示聲束方向的數(shù)目為8，ii表示第ii個聲束方向，并且1≤ii≤8。
4)對步驟3中得到的頻域信號Sn(ω)在第一個聲束方向

上施加一個相位因子

得到該聲束方向上的反射體回波信號
5)根據(jù)步驟4中的相位因子

可以得到點擴散函數(shù)
6)選取遺傳算法作為優(yōu)化方法對目標函數(shù)進行優(yōu)化得到最佳相位因子

遺傳算法的具體算法流程如下 a)初始化。當K＝0時，選取初始種群tK，種群數(shù)量為l。
b)計算種群tK中適應度μ(tK)。
c)以比例選擇概率p(μ(tK))，隨機選取父代種群tKK。
其中，分母中l(wèi)為種群數(shù)量。
d)由父代種群tKK經(jīng)過遺傳交叉、變異得到中間種群tKM。
e)由tKK和tKM共同組成新一代種群tK-1。如果滿足優(yōu)化準則，則成功得到第一個方向上的最佳相位因子。如果不滿足優(yōu)化準則，繼續(xù)改變初始相位因子，直到找到符合優(yōu)化準則的相位因子。
f)如果得到第一個方向的最佳相位因子，用相同方法繼續(xù)尋找其他方向上的最佳相位因子
7)對步驟3中得到的頻域信號Sn(ω)施加最佳相位因子

得到

方向上的最佳聚焦效果的反射體回波信號
8)對上述得到的反射體回波信號

空間反傅立葉變換，可以得到空間點

聚焦后的幅值表達式。
9)在空間不同指向方向上，重復步驟4)-步驟8)，根據(jù)(6)式可以得到空間任意一點

聚焦后幅值，根據(jù)空間各點的幅值進行成像，根據(jù)顏色就可以定位反射體所在位置。
上述步驟中，換能器陣列數(shù)目為8，換能器陣列為一維環(huán)形陣列，陣元為EMAT點源換能器。
上述步驟只是本發(fā)明的一個典型實施例，本發(fā)明的實施不限于此。
權利要求
1.一種基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法，其特征在于檢測方法的步驟如下
1)根據(jù)待檢測半結構幾何及材料性能參數(shù)，計算板結構的頻散曲線，根據(jù)頻散曲線中蘭姆波傳播特性，選定激勵信號的頻率和幅值；
2)利用上述所選定頻率和幅值的激勵信號，對換能器陣元采用一發(fā)一收的方式進行超聲導波實驗，記錄換能器陣列接收數(shù)據(jù)，得到n組時域信號fn(t)，其中n表示激勵和接收傳感器的組合數(shù)，且n＝N(N-1)，N(N≥8)表示換能器陣列陣元的個數(shù)，t表示信號的時間，選定換能器陣列圓心為參考極坐標系的原點；
3)對上述得到的n組時域信號fn(t)作傅立葉變換，得到n組頻域信號Sn(ω)，其中ω為信號的角頻率，根據(jù)等聲束角的原則確定聲束方向
其中，mii表示聲束方向的數(shù)目，ii表示第ii個聲束方向，并且1≤ii≤mii；
4)對步驟3)中得到的頻域信號Sn(ω)在第一個聲束方向
上施加一個相位因子
得到該聲束方向上的反射體回波信號
5)根據(jù)步驟4)中的相位因子
得到點擴散函數(shù)
其中，
表示n對激勵接收陣元組合在
方向上的指向性函數(shù)
其中
和
為激勵和接收陣元的周向指向性函數(shù)，r(T)ii和r(R)jj為激勵和接收陣元的距離，其中的下標ii和jj均為大于等于1的自然數(shù)，并且ii，jj≤N，i表示虛數(shù)單位，
當反射體位于遠場域，即反射體到原點的距離遠大于激勵和接收陣元到原點的距離時，對于一維環(huán)形陣列，周向指向性函數(shù)可以表示為
其中，J0為零階貝塞爾函數(shù)，d表示陣列的直徑，k＝2π/λ為波數(shù)，λ為超聲導波的波長，
為陣元所在的角度，
表示聲束方向；
6)根據(jù)上述得到的點擴散函數(shù)
構造目標函數(shù)
上式
表示位于
方向上的反射點在方向
上的點擴散結果，
為在方向
上施加的相位因子。
7)對所得到的目標函數(shù)μ(t)取最大值后，得到最佳相位因子
8)對步驟3)中得到的頻域信號Sn(ω)施加最佳相位因子
得到
方向上的最佳聚焦效果的反射體回波信號
9)對上述得到的反射體回波信號
空間反傅立葉變換，得到空間點
聚焦后的幅值表達式
上述公式(8)中的指數(shù)右上標i表示虛數(shù)單位，
10)在空間不同指向方向上，重復步驟4)-步驟9)，根據(jù)式(8)得到空間任意一點
聚焦后幅值，根據(jù)空間各點的幅值進行成像，根據(jù)顏色就可以定位反射體所在位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法，其特征在于所述的換能器陣列數(shù)目均大于8。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于換能器陣列虛擬聚焦的板結構蘭姆波無損檢測方法，其特征在于所述的換能器陣列為一維或二維的環(huán)形陣列，陣元為壓電或EMAT點源換能器。
全文摘要
本發(fā)明是基于虛擬聚焦的板結構超聲陣列成像方法，屬于無損檢測領域。該方法通過對換能器陣列接收數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)換能器周圍360°范圍內任意方向上的缺陷指向和聚焦檢測，可以解決大范圍檢測問題。當信號的波束指向偏轉到缺陷位置所在的方向，所有信號將在缺陷處聚焦，此方向上由缺陷引起的反射信號能量最強，據(jù)此獲得缺陷的方向信息，并由此提高信噪比。傳感器陣列中的每個傳感器單元均與獨立的多通道的激勵/接收轉換開關相連，使檢測信號的激勵和接收具有很大的靈活性。
文檔編號G01N29/06GK101701936SQ20091023811
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權日2009年11月13日
發(fā)明者焦敬品, 楊敬, 何存富, 宋國榮, 吳斌, 樊尚春, 張力新 申請人:北京工業(yè)大學