CN104237391B - 一种相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法 - Google Patents

Abstract

一种相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法，属于超声波探伤技术领域。该方法包括以下步骤：创建虚拟阵元、计算聚焦点处相位序列、计算校正相位、计算延迟相位、计算聚焦延迟时间法则。该方法采用先计算延迟相位再换算得到聚焦延迟时间法则的方法，不同于传统的采用射线跟踪法计算延迟时间法则的方法。利用本发明的方法，可以实现对多种阵元，多种分界面形式条件下的聚焦延迟法则进行计算，相比瞬态模型具有计算效率高的优势，与射线跟踪法相比又有计算精度高的优势。

Description

一种相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法

技术领域

本发明属于超声波探伤技术领域，特别涉及一种基于简谐波模型的相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法。

背景技术

超声检测在无损检测技术领域具有广泛的应用，随着电子技术的高速发展及超声相控阵理论及成像算法的不断改进，超声相控阵检测技术得到了广泛的应用，超声相控阵探伤技术方法，包括：计算延迟法则、选择性激发阵元发射超声波、接收反射回波和采用适当的算法生成检测结果图像。超声相控阵探伤***根据计算得到的延迟法则，设置激发阵元的延迟时间，以达到控制声束在指定点实现能量聚集的效果，在聚焦点处声压能量最大，而在其他区域声压能量小于聚焦点处的声压能量，通过采用不同的延迟法则，实现在检测区域内多个地方进行聚焦，达到聚焦扫查的目的，这样就可以减少阵元的机械移动次数，提高超声无损检测效率。

已有的超声相控阵的计算延迟法则方法，均采用射线跟踪法进行计算，或采用瞬态声压模型的瑞利积分法进行计算。射线跟踪法是建立在假设声束是从阵元的中心点发射出来的基础之上的，并假设远处声场为球面波分布，但是对于几何形状不规则的阵元或者阵元尺寸大于波长的阵元，这种方法并不适用，会产生一定的误差。采用瞬态声压模型的瑞利积分法进行计算虽然可以获得较高精度的延迟时间，但是会大大增加计算时间，并不实用。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，针对超声相控阵探伤***，实现更高精度但又高效率地计算其聚焦延迟法则，提出一种基于简谐波模型的相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法，它包括以下步骤：

1)创建虚拟阵元

设相控阵超声探头阵列共有M个阵元，M为大于等于2的整数；其中第m个阵元的参数化坐标变量为其中m＝1，2，…，M，阵元m的几何中心为阵元m的局部坐标系(x’y’z’)_m与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为阵元m的表面尺寸形状描述函数为设q＝1，2，…，M-1，重复执行如下步骤：

在第q个阵元和第q+1个阵元之间创建K(q)个虚拟阵元，K(q)为大于等于2的整数，所创建的K(q)个虚拟阵元中，第k个虚拟阵元的编号为W_q(k)＝k，其中k＝1，2，…，K(q)，第W_q(k)个虚拟阵元的参数化变量为几何中心为局部坐标系为所述的局部坐标系与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为第个虚拟阵元的表面尺寸形状描述函数为所述的参数化变量和为直角坐标、角度坐标或球坐标系中的一种或几种的组合，该参数化变量具有线性运算性质；所述的表面尺寸形状描述函数为矩形、圆环形、梯形、平行四边形或圆柱面形，该表面尺寸形状描述函数具有能够确定所述表面尺寸形状的大小和位置的性质；

2)计算聚焦点处相位序列

聚焦点的坐标为设q＝1，2，…，M-1，重复执行如下步骤：

对第q个阵元和第q+1个阵元之间所创建的虚拟阵元，采用简谐波模型计算第W_q(k)个虚拟阵元(20)在聚焦点处声压值的复数表达式其中，为实数部分，为虚数部分，相位角

3)计算校正相位α_q′

设循环累加计数器为D_q＝0，对于第q个阵元和第q+1个阵元，其中q＝1，2，…，M-1，执行如下步骤：

对步骤2)中计算得到的序列设W_q(k)＝1，2，…，K(q)-1，循环执行如下步骤：

若且则D_q＝D_q+1，若且则D_q＝D_q-1，所述的γ₁为大于0且小于π的实数，所述的γ₂为小于0且大于-π的实数，所述的γ₃为小于0且大于-π的实数，所述的γ₄为大于0且小于π的实数，其中N为大于等于零的整数；

对第q个阵元，其中q＝2，3，…，M，计算其校正相位α_q′＝α_q+2π·D_q，其中D_q为相位偏差量，α₁′＝α₁；

4)计算延迟相位Δα_q

对步骤(3)得到的校正相位α_q′，其中q＝1，2，…，M，计算其相位延迟Δα_q＝max{α_q′}-α_q′，其中max{α_q′}表示校正相位α_q′的最大值，其中q＝1，2，…，M；

5)计算延迟时间Δt_q

对步骤4)得到的相位延迟Δα_q，计算第q个阵元的时间延迟法则为：Δt_q＝Δα_q/ω,其中ω为所述简谐波模型的角频率。

上述技术方案中，所述的相控阵超声探头阵列为一维线性阵元、一维凸型阵元、一维凹形阵元、一维柱形阵列阵元、一维圆台形阵列阵元、圆环形阵列阵元或二维平面阵列阵元。

本发明所述的简谐波模型为瑞利积分法、瑞利-索末菲尔德积分法、角谱法、多元高斯叠加法、非近轴近似多元高斯叠加法、离散点源法、弹性动力学有限积分法和有限元法中的一种或多种的组合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：本发明采用简谐波模型计算校正相位的方式，实现了超声相控阵延迟法则的计算，利用本发明的方法，可以实现对多种阵元，多种分界面形式条件下的聚焦延迟法则进行计算，采用本方法相比瞬态模型具有计算效率高的优势，本方法计算过程中考虑了阵元的几何形状，与射线跟踪法相比又有计算精度高的优势。

附图说明

图1是本发明所述的相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法的流程图。

图2是本发明的第一种实施例的一维线性阵列和圆柱面形界面示意图。

图3是图2所示实施例的阵元表面形貌示意图。

图4是图2所示实施例的虚拟阵元分布示意图。

图5是图2所示实施例的相位计算结果。

图6是图2所示实施例的校正相位计算结果。

图7是图2所示实施例的延迟时间法则计算结果。

图8是本发明的第二种实施例的一种凸型阵列示意图。

图9是图8所示实施例的阵元表面形貌示意图。

图10是图8所示实施例的虚拟阵元分布示意图。

图11是本发明的第三种实施例的一种环形阵列示意图。

图12是图11所示实施例的阵元表面形貌示意图。

图13是图12所示实施例的虚拟阵元分布示意图。

在图1至图13中：10-阵元；20-虚拟阵元。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体工作流程。

本发明所述的相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示；

1)创建虚拟阵元

设相控阵超声探头阵列共有M个阵元10，M为大于等于2的整数；其中第m个阵元的参数化坐标变量为其中m＝1，2，…，M，阵元m的几何中心为阵元m的局部坐标系(x’y’z’)_m与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为阵元m的表面尺寸形状描述函数为设q＝1，2，…，M-1，重复执行如下步骤：

在第q个阵元和第q+1个阵元之间创建K(q)个虚拟阵元20，K(q)为大于等于2的整数，所创建的K(q)个虚拟阵元20中，第k个虚拟阵元20的编号为W_q(k)＝k，其中k＝1，2，…，K(q)，第W_q(k)个虚拟阵元20的参数化变量为几何中心为局部坐标系为所述的局部坐标系与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为第个虚拟阵元20的表面尺寸形状描述函数为所述的参数化变量和为直角坐标、角度坐标或球坐标系中的一种或几种的组合，该参数化变量具有线性运算性质；所述的表面尺寸形状描述函数为矩形、圆环形、梯形、平行四边形或圆柱面形，该表面尺寸形状描述函数具有能够确定所述表面尺寸形状的大小和位置的性质；本实施例中，设图1中所示的一维线性相控阵超声探头阵列共有M＝32个阵元10，阵列的倾斜角度为10°，探头布置在半径R＝30[mm]，圆心为(0,0,-30)[mm]的圆柱曲面前，介质1的密度为ρ₁＝1.18g/cm³，纵波声速为c₁＝2700m/s，介质2的密度为ρ₂＝7.85g/cm³，纵波声速为c₂＝5900m/s；相邻两个阵元之间的中心距离为0.7[mm]，阵元的宽度为0.6[mm]；其中第m个阵元的参数化坐标变量为(m＝1，2，…，M)，阵元几何中心为其中阵元局部坐标系x’y’z’_m与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为

本实施例中，如图3所示，阵元表面尺寸形状为矩形，阵元表面尺寸描述函数为其中w＝0.6[mm]为矩形的宽度，沿x’方向，h＝12[mm]为矩形的长度，沿y’方向；如图3所示，本实施例中，对于序列q＝1,…,31，在第q个阵元和第q+1个阵元之间创建K(q)＝50个虚拟阵元20，编号为q(k)＝1,…,K(q)；第q(k)个虚拟阵元20的参数化变量为第q个阵元和第W_q(1)个虚拟阵元20重合，第q+1个阵元和第K(q)个虚拟阵元20重合，第W_q(k)个虚拟阵元20的几何中心为局部坐标系x’y’z’_q(k)与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为虚拟阵元20的表面尺寸形状描述函数为

2)计算聚焦点处相位序列

聚焦点的坐标为设q＝1，2，…，M-1，重复执行如下步骤：

对第q个阵元和第q+1个阵元之间所创建的虚拟阵元，采用简谐波模型计算第W_q(k)个虚拟阵元(20)在聚焦点处声压值的复数表达式其中，为实数部分，为虚数部分，相位角

本实施例中，设需要聚焦的点坐标为计算得到的相位序列如图5所示；

3)计算校正相位α_q′

设循环累加计数器为D_q＝0，对于第q个阵元和第q+1个阵元，其中q＝1，2，…，M-1，执行如下步骤：

对步骤(2)中计算得到的序列(q(k),α_q(k))，从q(k)＝1到q(k)＝K(q)-1循环执行如下步骤：

若找到其中满足α_q(k)>γ₁且α_q(k)+1<γ₂的元素则D_q＝D_q+1，若找到满足α_q(k)<γ₃且α_q(k)+1>γ₄的元素则D_q＝D_q-1，所述的γ₁为大于0且小于π的实数，所述的γ₂为小于0且大于-π的实数，所述的γ₃为小于0且大于-π的实数，所述的γ₄为大于0且小于π的实数，其中N为大于等于零的整数；

对第q个阵元，其中q＝2，3，…，M，计算其校正相位α_q′＝α_q+2π·D_q，其中D_q为相位偏差量，α₁′＝α₁；

本实施例中，γ₁＝4π/5，γ₂＝-4π/5，γ₃＝-4π/5，γ₄＝4π/5；本实施例的校正相位计算结果如图6所示；

4)计算延迟相位Δα_q

对步骤(3)得到的校正相位α_q′，其中q＝1，2，…，M，计算其相位延迟Δα_q＝max{α_q′}-α_q′，其中max{α_q′}表示校正相位α_q′的最大值，其中q＝1，2，…，M；

5)计算延迟时间Δt_q

对步骤(4)得到的相位延迟Δα_q，计算第q个阵元的时间延迟法则为：Δt_q＝Δα_q/ω。本实施例的延迟时间法则计算结果如图7所示。

本发明所述的另一种实施例的创建虚拟阵元20流程，如图8和图9所示，如图8所示的一种凸型超声相控阵阵列共有M＝16个阵元10，阵列的圆弧中心坐标为C＝(0,0,0)[mm]，圆弧半径为R＝30[mm]，相邻两个阵元之间的夹角为5.625°，阵元的宽度为1[mm]；其中第m个阵元的参数化坐标变量为(m＝1,…,M)，阵元几何中心为阵元局部坐标系x’y’z’_m与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为

本实施例中，如图3所示，与前一个实施例相同，阵元表面尺寸形状为矩形，阵元表面尺寸描述函数为其中w＝1.5[mm]为矩形的宽度，沿x’方向，h＝12[mm]为矩形的长度，沿y’方向；如图9所示，本实施例中，对于序列q＝1,…,16，在第q个阵元和第q+1个阵元之间创建K(q)＝50个虚拟阵元20，编号为W_q(k)＝1,…,K(q)；第W_q(k)个虚拟阵元20的参数化变量为第q个阵元和第W_q(1)个虚拟阵元20重合，第q+1个阵元和第K(q)个虚拟阵元20重合，第W_q(k)个虚拟阵元20的几何中心为局部坐标系x’y’z’_q(k)与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为虚拟阵元20的表面尺寸形状描述函数为

本发明所示的第三种实施例创建虚拟阵元20的流程，如图10和图11所示，如图8所示的一种圆环形超声相控阵阵列共有M＝10个阵元，阵列的中心坐标为C＝(0,0,0)[mm]，其中第m个阵元的参数化坐标变量为s_m＝(m+2)[mm]，(m＝1,…,M)，该参数化坐标变量表示第m个阵元的中心半径，

阵元局部坐标系(x’y’z’)_m与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为

本实施例中，如图11所示，阵元表面尺寸形状为圆环形，阵元表面尺寸描述函数为

其中R_m1＝s_m+0.45[mm]为圆环的外径函数，R_m2＝s_m-0.45[mm]为圆环的内径函数；如图12所示，本实施例中，对于序列q＝1,…,16，在第q个阵元和第q+1个阵元之间创建K(q)＝11个虚拟阵元20，编号为W_q(k)＝1,…,K(q)；第q(k)个虚拟阵元20的参数化变量为第q个阵元和第W_q(1)个虚拟阵元20重合，第q+1个阵元和第K(q)个虚拟阵元20重合，第W_q(k)个虚拟阵元20的几何中心为局部坐标系(x’y’z’)_q(k)与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为虚拟阵元20的表面尺寸形状描述函数为

本发明的关键点在于首先在两个相邻阵元之间创建虚拟探头，然后采用简谐波模型计算相位的计算方法，获得两个相邻阵元之间的相位变化过程，从而对实际阵元计算得到的相位进行校正，得到校正相位，利用本发明的方法，可以实现对多种阵元，多种分界面形式条件下的聚焦延迟法则进行计算，采用本方法相比瞬态模型具有计算效率高的优势，本方法计算过程中考虑了阵元的几何形状，与射线跟踪法相比又有计算精度高的优势。

Claims (3)

1.一种相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)创建虚拟阵元

设相控阵超声探头阵列共有M个阵元(10)，M为大于等于2的整数；其中第m个阵元的参数化坐标变量为其中m＝1，2，…，M，阵元m的几何中心为阵元m的局部坐标系(x’y’z’)_m与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为阵元m的表面尺寸形状描述函数为设q＝1，2，…，M-1，重复执行如下步骤：

在第q个阵元和第q+1个阵元之间创建K(q)个虚拟阵元(20)，K(q)为大于等于2的整数，所创建的K(q)个虚拟阵元(20)中，第k个虚拟阵元(20)的编号为W_q(k）＝k，其中k＝1，2，…，K(q)，第W_q(k)个虚拟阵元(20)的参数化变量为几何中心为局部坐标系为所述的局部坐标系与全局坐标系xyz的旋转关系矩阵为第个虚拟阵元(20)的表面尺寸形状描述函数为所述的参数化变量和为直角坐标、角度坐标或球坐标系中的一种或几种的组合，该参数化变量具有线性运算性质；所述的表面尺寸形状描述函数为矩形、圆环形、梯形、平行四边形或圆柱面形，该表面尺寸形状描述函数具有能够确定所述表面尺寸形状的大小和位置的性质；

2)计算聚焦点处相位序列

设聚焦点的坐标为设q＝1，2，…，M-1，重复执行如下步骤：

对第q个阵元和第q+1个阵元之间所创建的虚拟阵元(20)，采用简谐波模型计算第W_q(k)个虚拟阵元(20)在聚焦点处声压值的复数表达式其中，为实数部分，为虚数部分，相位角其中式为：

$a\tan 2\left(B_{W_q\left(k\right)},A_{w_q\left(k\right)}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(B_{W_q\left(k\right)}/A_{W_q\left(t\right)}\right)& x>0\\ \arctan (B_{W_q\left(k\right)}/A_{W_q\left(k\right)})+\mathrm{\&pi;}& y\&GreaterEqual;0,x<0\\ \arctan (B_{W_q\left(k\right)}/A_{W_q\left(k\right)})-\mathrm{\&pi;}& y<0,x<0\\ +\mathrm{\&pi;}/2& y>0,x=0\\ -\mathrm{\&pi;}/2& y<0,x=0\end{array}\right.;$

3)计算校正相位α_q′

设循环累加计数器为D_q＝0，对于第q个阵元和第q+1个阵元，其中q＝1，2，…，M-1，执行如下步骤：

对步骤2)中计算得到的序列设W_q(k)＝1，2，…，K(q)-1，循环执行如下步骤：

若且则D_q＝D_q+1，若且的则D_q＝D_q-1，所述的γ₁为大于0且小于π的实数，所述的γ₂为小于0且大于-π的实数，所述的γ₃为小于0且大于-π的实数，所述的γ₄为大于0且小于π的实数，其中N为大于等于零的整数；

对第q个阵元，其中q＝2，3，…，M，计算其校正相位α_q′＝α_q+2π·D_Σ，其中D_q为相位偏差量，α₁′＝α₁；

4)计算延迟相位Δα_q

对步骤3)得到的校正相位α_q′，其中q＝1，2，…，M，计算其相位延迟Δα_q＝max{α_q′}-α_q′，其中max{α_q′}表示校正相位α_q′的最大值，其中q＝1，2，…，M；

5)计算延迟时间Δt_q

对步骤4)得到的相位延迟Δα_q，计算第q个阵元的时间延迟法则为：Δt_q＝Δα_q/ω,其中ω为所述简谐波模型的角频率。

2.根据权利要求1所述的相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法，其特征在于，相控阵超声探头阵列为一维线性阵元、一维凸型阵元、一维凹形阵元、一维柱形阵列阵元、一维圆台形阵列阵元、圆环形阵列阵元或二维平面阵列阵元。

3.根据权利要求1所述的相控阵超声探伤***聚焦延迟法则计算方法，其特征在于，所述的简谐波模型为瑞利积分法、瑞利-索末菲尔德积分法、角谱法、多元高斯叠加法、非近轴近似多元高斯叠加法、离散点源法、弹性动力学有限积分法和有限元法中的一种或多种的组合。