專利名稱：相控陣超聲探頭在多層介質(zhì)中探傷時(shí)聲場分布的計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲聲場分布的計(jì)算方法，尤其是涉及一種相控陣超聲探頭在多層介質(zhì)中探傷時(shí)聲場分布的計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
相控陣超聲探頭是由一組相對獨(dú)立的晶片組成，每個(gè)獨(dú)立的晶片都能發(fā)射超聲波波束。按照不同的規(guī)則激發(fā)所有晶片或是部分晶片，使得不同激發(fā)時(shí)間的各晶片所發(fā)射的 超聲波波束疊加形成不同的波陣面，從而可實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦及掃描等效果的控制。相對于常規(guī)超聲波檢測，相控陣探傷的優(yōu)勢是(I)探頭在不移動(dòng)或者小范圍移動(dòng)的情況下，得到大的聲束覆蓋范圍，可用于解決復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)對檢測空間限制的問題；(2)可實(shí)現(xiàn)高速電子掃描，對試件進(jìn)行高速，全方位檢測，可以大幅度提高超聲檢測效率；(3)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦，提高檢測靈敏度，從而不需要大尺寸的聚焦探頭實(shí)現(xiàn)超聲波聲束的聚焦。晶片陣列的激勵(lì)和接受時(shí)間延遲法則是相控陣檢測工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的相控陣儀器內(nèi)置算法一般是基于晶片陣列在半無限大空間的發(fā)射聲線和聲程計(jì)算，在參數(shù)設(shè)置中僅需要輸入焦距和偏轉(zhuǎn)角度，未考慮結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特殊性的情況。然而，被檢工件可能是具有堆焊層的多層結(jié)構(gòu)，甚至呈現(xiàn)不對稱、變截面、變曲率以及變厚度空間分布特性，這些導(dǎo)致超聲檢測過程中超聲波聲束在其中發(fā)生不可預(yù)知的扭曲偏折，這種情況的延遲法則不能用常規(guī)算法獲取，而且聲場分布的不確定性也增加缺陷回波信號(hào)誤判和漏檢的可能性。因此，相控陣超聲探頭在多層復(fù)雜介質(zhì)中聲場分布計(jì)算在檢測工藝設(shè)計(jì)和缺陷回波分析都顯得十分必要。在理論聲學(xué)領(lǐng)域，通常采用數(shù)值模擬方法來計(jì)算復(fù)雜情況下的聲學(xué)傳感器發(fā)射聲場及傳播聲場，如有限元法、有限差分法等。但是數(shù)值法的計(jì)算量較大，其算法無法植入便攜式儀器，同時(shí)在工程檢測現(xiàn)場應(yīng)用可能無法兼顧檢測效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是提出一種相控陣超聲探頭在多層介質(zhì)中探傷時(shí)聲場分布的計(jì)算方法，進(jìn)行多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)相控陣超聲檢測的工藝設(shè)計(jì)和缺陷回波分析，并為在相控陣超聲檢測儀器上植入多層結(jié)構(gòu)檢測的晶片延遲法則算法提供可能性，從而在保證檢測能力的如提下，提聞檢測效率。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下—種相控陣超聲探頭在多層介質(zhì)中探傷時(shí)聲場分布的計(jì)算方法，包括以下步驟SI用相控陣晶片延遲時(shí)間tn、點(diǎn)源擴(kuò)散衰減系數(shù)DF和聲束在界面上的投射系數(shù)Tr來修正瑞利積分式,得到相控陣聲場傳播的表達(dá)式為
rr Dl1 ' Ir' V (rr,I — Δ/—/ )#(r,0 = ZJjr--— dS(rT)
n=Q上冗式中φ (r, t)表示介質(zhì)中點(diǎn)r在時(shí)刻t的速度勢；rT是探頭表面的點(diǎn)源；vn為探頭表面源點(diǎn)在時(shí)刻t的振動(dòng)速度；|r-rT|表示從點(diǎn)源到計(jì)算點(diǎn)r處的距離，|r-rT|/c是指聲波從點(diǎn)源傳播到計(jì)算點(diǎn)處的時(shí)間；T表示探頭，dS(rT)表示探頭點(diǎn)源rT的面積；S2建立任意多層介質(zhì)中的路徑快速算法，設(shè)空間中存在一系列的聲束傳播介質(zhì)M0, M1, ...，Μκ+1，介質(zhì)間的界面則依次為Ftl, F1, ...，F(xiàn)K, A、B分別為點(diǎn)源和目標(biāo)計(jì)算點(diǎn)、分處于介質(zhì)Mtl和Μκ+1中，路徑快速算法包括以下子步驟S2-1在F。界面上取初始點(diǎn)位置O。,。；
·
S2-2根據(jù)A點(diǎn)及初始點(diǎn)0。,。，計(jì)算其聲束初始路徑:A — O0j0 -O0jl-... - O0jk ；S2-3根據(jù)B點(diǎn)與Othk點(diǎn)的聲束路徑，得出Fk面上新的路徑節(jié)點(diǎn)Ouk,由新路徑節(jié)點(diǎn)Ouk及原初始路徑節(jié)點(diǎn)Otl,k_2得出新路徑節(jié)點(diǎn)O1,H，依次類推得出新的路徑節(jié)點(diǎn)R ~^ O ~>· ~>- Q ~>- O ·
D wl, k · · ·wI, I wI,O，S2-4比較兩組路徑節(jié)點(diǎn)間的位置差，若位置差小于控制誤差ε，則停止計(jì)算；否貝1J，利用A點(diǎn)與Ou點(diǎn)求解新節(jié)點(diǎn)02，(!,如此類推得出新節(jié)點(diǎn)組A — 02；ο ^ 02；! ^ . — 02，k ;S2-5比較新的兩組路徑節(jié)點(diǎn)間的位置差，若位置差小于控制誤差ε，則停止計(jì)算；否則返回步驟S2-3;S3根據(jù)聲束傳播路徑來計(jì)算晶片延遲，復(fù)雜結(jié)構(gòu)晶片激發(fā)延遲時(shí)間，設(shè)激發(fā)晶片數(shù)為N,并將晶片編號(hào)為η (η = 0,1,2,…，N-I),晶片O為左起第一個(gè)晶片，根據(jù)兩點(diǎn)間路徑的算法可以得出任意激發(fā)晶片與焦點(diǎn)間的聲束路徑，從而得出各晶片到達(dá)所設(shè)焦點(diǎn)出的時(shí)間序列^ t1; . . .，tn，將該時(shí)間序列同時(shí)減去其中的最小值即可得探頭的延遲法則聲場計(jì)算包括以下子步驟S3-1構(gòu)建探頭晶片、楔塊和工件的三維坐標(biāo)系，將探頭離散成一系列小單元，每個(gè)小單元的尺寸需小于該工件介質(zhì)中的超聲波波長，以保證每個(gè)單元可以近似為點(diǎn)源；S3-2對晶片的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，得到頻域信號(hào)，原始信號(hào)被分解為一系列單頻波信號(hào)的疊加；S3-3依據(jù)所建路徑快速算法計(jì)算每個(gè)點(diǎn)源到目前計(jì)算點(diǎn)的傳播路徑，并構(gòu)成路徑矩陣；S3-4依據(jù)所建路徑矩陣計(jì)算每個(gè)點(diǎn)源的延遲時(shí)間、擴(kuò)散衰減以及在穿過每個(gè)截面處的反射和透射；S3-5計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)每個(gè)單頻信號(hào)所產(chǎn)生的聲場振幅和相位變換，進(jìn)行逆變換即可得到每個(gè)點(diǎn)源激勵(lì)信號(hào)傳播至目標(biāo)計(jì)算點(diǎn)出的聲場；S3-6根據(jù)離散單元的面積和點(diǎn)源聲場的加權(quán)疊加，即可得到目標(biāo)點(diǎn)處聲場值；S3-7按一定尺寸將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分單元，依次計(jì)算空間中感興趣的點(diǎn)，即可得到該目標(biāo)區(qū)域的聲場分布。所述的步驟S2-5中的控制誤差ε取值小于le_6或是小于10的負(fù)6次方。所述的步驟S3-1中的探頭離散單元的尺寸小于該工件介質(zhì)中的超聲波波長，S3-7中的計(jì)算區(qū)域劃分單元尺寸O. 1mm。本發(fā)明的原理是首先利用相控陣晶片延遲時(shí)間、、點(diǎn)源擴(kuò)散衰減系數(shù)DF和聲束在界面上的投射系數(shù)Tr來修正瑞利積分式，以得到相控陣超聲探頭發(fā)射聲場表達(dá)式；其次建立路徑快速算法以獲取點(diǎn)源與計(jì)算點(diǎn)之間的聲束傳播路徑，進(jìn)而構(gòu)建檢測結(jié)構(gòu)幾何布局，以實(shí)現(xiàn)延遲時(shí)間tn和擴(kuò)散衰減系數(shù)的計(jì)算；最后在統(tǒng)一坐標(biāo)系下導(dǎo)入工件、探頭的幾何參數(shù)、工件的聲學(xué)參數(shù)、探頭的性能參數(shù)，采用離散點(diǎn)源疊加思想實(shí)現(xiàn)修正瑞利積分的快速計(jì)算，獲得聲場的定量信息。有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在建立路徑快速算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合修正瑞利積分公式，實(shí)現(xiàn)了多層復(fù)雜介質(zhì)中相控陣探頭聲場的快速計(jì)算，這一快速算法的推動(dòng)了聲學(xué)理論分析方法在超聲檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，并有望集成在相控陣超聲檢測儀器上，高效地輔助多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)相控陣檢測的工藝設(shè)計(jì)和缺陷評定。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖I是兩點(diǎn)路徑算法不意圖；
圖2是延遲法則計(jì)算原理圖；圖3是轉(zhuǎn)輪焊縫的一系列檢測區(qū)域的截面圖；圖4為采用相控陣超聲探頭在葉片的背水面進(jìn)行檢測時(shí)，某一探頭位置及狀態(tài)所能達(dá)到的聲場覆蓋效果圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施案例水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片與上冠和下環(huán)的連接焊縫在服役過程中由于受到交變應(yīng)力而易出現(xiàn)疲勞裂紋。轉(zhuǎn)輪焊縫的厚度從進(jìn)水邊到出水邊不斷變化，相控陣檢測工藝設(shè)計(jì)通常是將焊縫劃分成一系列的厚度相差較小的檢測區(qū)域，獨(dú)立對每個(gè)區(qū)域的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示。由相控陣探頭楔塊、轉(zhuǎn)輪焊縫構(gòu)成的聲束傳播介質(zhì)也可以整體看作是聲學(xué)差異性較大的多層介質(zhì)。采用本算法進(jìn)行轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)中相控陣探頭的聲場分布計(jì)算，相控陣探頭參數(shù)為頻率2. 25MHz,單一晶片尺寸為O. 5*10mm,晶片間隙為O. 1mm，在點(diǎn)源離散時(shí)每個(gè)單元格尺O. Imm,楔塊厚度為25mm。首先建立以探頭中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系,從而得到每個(gè)點(diǎn)源的位置坐標(biāo)，再將工件劃分為O. Imm的小單元，得到每個(gè)單元中心的坐標(biāo)，根據(jù)本文快速算法，依次計(jì)算每個(gè)單元中心的聲場值。圖4所示為采用相控陣超聲探頭在葉片的背水面進(jìn)行檢測時(shí)，某一探頭位置及狀態(tài)所能達(dá)到的聲場覆蓋效果圖。通過聲場計(jì)算輔助檢測過程中的探頭位置和狀態(tài)參數(shù)調(diào)整，以達(dá)到最佳檢測效果，并對檢測結(jié)果的分析提供指導(dǎo)性幫助。本實(shí)施例的具體計(jì)算包括以下步驟SI用相控陣晶片延遲時(shí)間tn、點(diǎn)源擴(kuò)散衰減系數(shù)DF和聲束在界面上的投射系數(shù)Tr來修正瑞利積分式,得到相控陣聲場傳播的表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種相控陣超聲探頭在多層介質(zhì)中探傷時(shí)聲場分布的計(jì)算方法，包括以下步驟 SI用相控陣晶片延遲時(shí)間tn、點(diǎn)源擴(kuò)散衰減系數(shù)DF和聲束在界面上的投射系數(shù)Tr修正瑞利積分式，得到相控陣聲場傳播的表達(dá)式
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的相控陣超聲探頭在多層介質(zhì)中探傷時(shí)聲場分布的計(jì)算方法，其特征是所述的控制誤差ε取值小于le-6。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的相控陣超聲探頭在多層介質(zhì)中探傷時(shí)聲場分布的計(jì)算方法，其特征是所述的步驟S3-7中的計(jì)算區(qū)域劃分單元尺寸取O. 1_。
全文摘要
一種相控陣超聲探頭在多層介質(zhì)中探傷時(shí)聲場分布的計(jì)算方法S1修正瑞利積分式得到相控陣聲場傳播的表達(dá)式；S2建立任意多層介質(zhì)中的路徑快速算法；S3計(jì)算晶片延遲、激發(fā)延遲時(shí)間S3-1構(gòu)建探頭晶片、楔塊和工件三維坐標(biāo)系；S3-2對激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化；S3-3構(gòu)成路徑矩陣；S3-4計(jì)算點(diǎn)源延遲時(shí)間、擴(kuò)散衰減以及在穿過每個(gè)截面處的反射和透射；S3-5計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)信號(hào)所產(chǎn)生的聲場振幅和相位變換，進(jìn)行逆變換即可得到每個(gè)點(diǎn)源激勵(lì)信號(hào)傳播至目標(biāo)計(jì)算點(diǎn)出的聲場；S3-6疊加得到目標(biāo)點(diǎn)出聲場值；S3-7劃分單元依次計(jì)算得到該目標(biāo)區(qū)域的聲場分布。本發(fā)明可高效地輔助多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)相控陣檢測的工藝設(shè)計(jì)和缺陷評定。
文檔編號(hào)G01N29/44GK102967659SQ201210425059
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者肖凱, 張俊, 胡平, 李曉紅, 馬慶增, 張益成 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院, 武漢大學(xué)