一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法
【專利摘要】一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，所述方法包含采用數(shù)值模擬計算超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場，分析其聲場特性；設(shè)計仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M楔塊中的脈沖超聲傳播方式，模擬不同邊界條件下楔塊中產(chǎn)生的脈沖聲場的回波成像；采用B模式成像獲得超聲相控陣換能器在楔塊中的實(shí)際物理聲場驗(yàn)證模擬仿真實(shí)驗(yàn)中結(jié)果。本發(fā)明采用時域有限差分方法計算得到超聲相控陣楔塊中精確的脈沖聲場，通過數(shù)值計算和物理實(shí)驗(yàn)相驗(yàn)證的方法實(shí)現(xiàn)了一種超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場準(zhǔn)確的測量。
【專利說明】一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及應(yīng)用于超聲相控陣脈沖聲場的測量方法，特別涉及一種應(yīng)用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]超聲相控陣檢測具有檢測范圍廣、深度大、速度快、安全無污染等特點(diǎn)，在焊縫、復(fù)合材料、鋼軌和車軸等檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于檢測靈活性較好且探測角度大，橫波檢測廣泛應(yīng)用于超聲相控陣檢測系統(tǒng)中。目前，超聲橫波檢測利用縱波通過楔塊傾斜入射到被測物界面上折射產(chǎn)生橫波進(jìn)行檢測被測物體。由于利用橫波進(jìn)行檢測時，所接收到的信號中包含由楔塊邊界反射產(chǎn)生的回波，此回波與缺陷回波相互混合，影響被測物內(nèi)部的檢測；超聲相控陣檢測系統(tǒng)自檢過程是將超聲陣列換能器前端接上楔塊，但不與被測物接觸，依次驅(qū)動各陣元獨(dú)立發(fā)出脈沖超聲并接收，利用各陣元所接收的回波進(jìn)行成像，以此檢測系統(tǒng)各陣元和通道是否工作正常以及楔塊設(shè)計是否符合要求。但在實(shí)際中自檢圖像中有許多未知紋理，為了解釋自檢圖像中產(chǎn)生的回波，并且定量分析這些回波對于超聲相控陣檢測過程的影響，需要對楔塊中的脈沖聲場進(jìn)行精確的測量。然而，聲波在復(fù)雜邊界固體介質(zhì)中的傳播規(guī)律非常復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用問題很少能有嚴(yán)密的解析解，為了得到聲波在介質(zhì)中的傳播及與界面的相互作用產(chǎn)生的脈沖聲場，本發(fā)明提出采用數(shù)值模擬方法計算得到超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，在較難獲得聲波在復(fù)雜邊界固體中傳播規(guī)律嚴(yán)密解析解的情況下，本發(fā)明提出一種采用數(shù)值模擬法和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合精確測量得到超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場方法，采用時域有限差分法對超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場進(jìn)行數(shù)值計算并設(shè)計模擬仿真實(shí)驗(yàn)獲得不同接觸界面下的脈沖聲場，并采用實(shí)際的B模式成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用數(shù)值模擬方法測量得到超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場的正確性。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法:
步驟一、通過時域有限差分方法模擬計算超聲相控楔塊中的脈沖聲場，得到超聲相控楔塊中聲波方程的有限差分模型；
步驟二、通過有限差分模型構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，仿真?shí)驗(yàn)仿真模擬超聲脈沖在楔塊中的傳播，并分析在一定實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的聲場特性及回波B模式成像結(jié)果；
步驟三、在相同的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，通過B模式成像產(chǎn)生超聲相控陣楔塊中實(shí)際的物理聲場，將仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到的B模式成像結(jié)果與實(shí)際的物理聲場B模式圖像對比，得到一致脈沖聲場，數(shù)值模擬的超聲相控陣在楔塊中的脈沖聲場，即為超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量結(jié)果。
[0006]所述的仿真模擬模型由被測物體、超聲楔塊和超聲換能器和吸聲材料組成，將被測物體、超聲楔塊和超聲換能器及吸聲材料置于水中，超聲楔塊的界面2放置于被測物體上，楔塊的界面I同超聲換能器相接觸，楔塊的界面3同采用完全匹配層的吸聲材料相接觸。
[0007]所述的步驟一時域有限差分方法模擬結(jié)果得到不同時刻聲場中各點(diǎn)的正應(yīng)力分布圖，模擬產(chǎn)生不同時刻在不同的界面反射得到的不同橫波和縱波，即不同時刻超聲楔塊中的脈沖聲場。
[0008]所述的仿真實(shí)驗(yàn)為2種，模擬了無吸聲界面和全吸聲界面2種邊界情況以便于分析不同的吸聲材料對脈沖聲場測量的影響。
[0009]所述的超聲換能器的各個陣元分別發(fā)射和接收，將32路回波數(shù)據(jù)進(jìn)行B模式成像，得到不同邊界情況下回波波形。
[0010]發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用時域有限差分法(FDTD)獲得了超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的有限差分模型，便于分析描述脈沖聲場特性，通過物理實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證數(shù)值計算結(jié)果的正確性，此發(fā)明可以穩(wěn)定、精確地測量超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明脈沖聲場測量原理圖；
圖2為本發(fā)明超聲相控陣楔塊仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br> 圖3為本發(fā)明不同時刻相控陣楔塊中的脈沖聲場；
圖4為本發(fā)明不同吸聲邊界的仿真模型；
圖5為本發(fā)明不同吸聲邊界仿真回波B模式成像；
圖6為本發(fā)明實(shí)際實(shí)驗(yàn)中不同吸聲邊界楔塊的相控陣回波圖像；
圖中:1、超聲相控?fù)Q能器，2、陣元，3、界面1，4、界面2，5、界面3，6.、聚苯乙烯楔塊，7、吸聲材料，8、被測物，9、水，10、折射縱波P，11、折射橫波S，12、反射縱波PP1，13、反射橫波PSl, 14.反射縱波PP2，15、反射橫波PS2，16、反射橫波SS1，17、發(fā)射縱波SP2，18.、反射橫波SS2，19、反射橫波PS2S，20、反射橫波PS1S，21、散射縱波PP3，22、散射橫波PS3。

【具體實(shí)施方式】
[0012]一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，所述方法步驟包括如下:
1.建立固體中聲場的有限差分模型。超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場主要存在于固體中，因此采用二維模型模擬固體中聲場傳播，得到彈性力學(xué)方程，并用差分方程形式，將彈性力學(xué)方程作相應(yīng)變換得到固體中聲波方程的有限差分模型(FDTD)。
[0013]2.設(shè)計合理的超聲橫波檢測仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M在超聲相控陣楔塊中脈沖超聲傳播。為了減少采用FDTD對楔塊仿真時極長的耗時，模擬將設(shè)計的仿真實(shí)驗(yàn)裝置放置于水中，設(shè)定仿真模型的相關(guān)參數(shù)。設(shè)計的仿真方法可以穩(wěn)定、精確的模擬相控陣楔塊中脈沖聲場特性。
[0014]3.對單陣元工作情況時超聲脈沖在楔塊中的傳播進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同時刻聲場中各點(diǎn)正應(yīng)力的分布圖。模擬產(chǎn)生不同時刻超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場。
[0015]4.設(shè)計不同的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證并分析吸聲材料對脈沖聲場在楔塊中傳播的影響。實(shí)際的吸聲界面較為復(fù)雜較難進(jìn)行建模模擬，因此模擬實(shí)驗(yàn)中采用無吸聲界面和全吸聲界面2種邊界情況分析不同吸聲邊界對脈沖聲場傳播的影響。
[0016]5.獲得2組模擬實(shí)驗(yàn)中回波的B模式圖像。實(shí)驗(yàn)中相控陣換能器各個陣元分別發(fā)射和接收，將32路回波進(jìn)行B模式成像，得到仿真實(shí)驗(yàn)中不同邊界條件時楔塊中脈沖聲波的回波圖像。
[0017]6.采用32通道相控陣檢測系統(tǒng)進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用的楔塊包含有不同的吸聲材料，32通道的相控陣系統(tǒng)各個陣元分別發(fā)射和接收，得到實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的回波圖像。
[0018]7.通過對B模式成像中的信號分布，分析楔塊中的脈沖場對應(yīng)的各種形式的回波，包括各種形式的縱、橫波以及多次轉(zhuǎn)換波。分析吸收材料對于楔塊中脈沖場的影響。
[0019]8.將仿真得到的回波圖像同實(shí)驗(yàn)得到的回波圖像進(jìn)行對比，驗(yàn)證所采用的數(shù)值模擬方法精確的描述了超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場。
[0020]本發(fā)明提出聲波在復(fù)雜邊界固體介質(zhì)中傳播時，聲場測量無法獲得嚴(yán)密解析解情況下，采用FDTD數(shù)值計算方法得到超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的聲波方程表達(dá)式，并采用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲脈沖在楔塊中的傳播，最后通過B模式成像實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生實(shí)際物理聲場，通過對比分析驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)的正確性。各個步驟【具體實(shí)施方式】如下:
1.獲得固體聲場中的有限差分模型。采用二維簡化模型定量分析固體中的聲場傳播。彈性力學(xué)方程為:

【權(quán)利要求】
1.一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于: 步驟一、通過時域有限差分方法模擬計算超聲相控楔塊中的脈沖聲場，得到超聲相控楔塊中聲波方程的有限差分模型； 步驟二、通過有限差分模型構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停抡鎸?shí)驗(yàn)仿真模擬超聲脈沖在楔塊中的傳播，并分析在一定實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的聲場特性及回波B模式成像結(jié)果； 步驟三、在相同的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，通過B模式成像產(chǎn)生超聲相控陣楔塊中實(shí)際的物理聲場，將仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到的B模式成像結(jié)果與實(shí)際的物理聲場B模式圖像對比，得到一致脈沖聲場，數(shù)值模擬的超聲相控陣在楔塊中的脈沖聲場，即為超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于:所述的仿真模擬模型由被測物體、超聲楔塊和超聲換能器和吸聲材料組成，將被測物體、超聲楔塊和超聲換能器及吸聲材料置于水中，超聲楔塊的界面2放置于被測物體上，楔塊的界面I同超聲換能器相接觸，楔塊的界面3同采用完全匹配層的吸聲材料相接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于:所述的步驟一時域有限差分方法模擬結(jié)果得到不同時刻聲場中各點(diǎn)的正應(yīng)力分布圖，模擬產(chǎn)生不同時刻在不同的界面反射得到的不同橫波和縱波，即不同時刻超聲楔塊中的脈沖聲場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于:所述的仿真實(shí)驗(yàn)為2種，模擬了無吸聲界面和全吸聲界面2種邊界情況以便于分析不同的吸聲材料對脈沖聲場測量的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于:所述的超聲換能器的各個陣元分別發(fā)射和接收，將32路回波數(shù)據(jù)進(jìn)行B模式成像，得到不同邊界情況下回波波形。
【文檔編號】G01N29/30GK104198592SQ201410352561
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】李慧娟, 吳文燾, 喻飛, 孟麗, 李新忠, 丁孝全 申請人:河南科技大學(xué), 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所