CN114113331B - 一种材料纵波声速分布测定方法及测定*** - Google Patents
一种材料纵波声速分布测定方法及测定*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN114113331B CN114113331B CN202111468299.XA CN202111468299A CN114113331B CN 114113331 B CN114113331 B CN 114113331B CN 202111468299 A CN202111468299 A CN 202111468299A CN 114113331 B CN114113331 B CN 114113331B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- workpiece
- ultrasonic
- sound velocity
- transducer
- longitudinal wave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 35
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013142 basic testing Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Abstract
本发明提供了一种材料纵波声速分布测定方法及测定***，包括以下步骤：步骤S1布置测试环境、步骤S2记录发射信号与接收信号的时间差、步骤S3记录工件与发射换能器的主生束轴线的偏角值、步骤S4记录接收换能器直接透过工件的信号和信号在工件中反射2N次后的信号，计算以上两个信号与发射信号的时间差、步骤S5定义比例系数、步骤S6根据耦合液体的纵波声速，求得工件中入射点处的纵波声速步骤、步骤S7获得工件待检测区域内的声速分布数据，将数据与空间几何信息对应，形成点云图；可在未预知被检测点或被检测区域内工件的厚度分布情况下，方便快捷地对工件的纵波声速及其分布情况进行测定，为快捷了解材料的声速与分布情况提供可靠方法。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种材料纵波声速分布测定方法及测定***。
背景技术
材料声速是声波在材料中传播时的速度，也是材料特性一致性与否的直观表征，因此使用特定方法对材料的纵波声速分布情况进行测定，可以获得材料内部一致性的快速判断。
通常使用的材料声速测定方法往往需要预知材料的厚度，并按照一定的流程，选取特定的声波信号，测量声波在已知距离内传播的时间，然后才能计算出材料的声速。
对于尺寸较小的样品，其厚度值通常可以通过几何量具直观地获得，因此上述方法简单易行；然而对于一些大尺寸或复杂构造的样品，这种方法实施时可能受工件的尺寸或结构限制，而难以通过几何量具获得其厚度信息。
使用超声波测厚仪在一定程度上可以获得工件的厚度，但测厚仪测量厚度的原理与上述测量方法基本相同，只不过测厚是已知声速和时间来计算厚度，而声速测量则是通过厚度和时间来计算声速。
如何摆脱对厚度信息的依赖性，实现对某点乃至某一区域内的材料声速进行测量，并以此获得工件一定区域内声速的分布情况，对了解工件的加工制造工艺情况等十分有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种材料纵波声速分布测定方法及测定***。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种材料纵波声速分布测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1)布置测试环境，使超声发射换能器发出声场的主声束与超声接收换能器在同一条轴线上；
步骤S2)发射换能器发射声波，接收换能器接收直达信号，记录发射信号与接收信号的时间差t0，计算t0的特征点选择为达到最大回波的前一个过0点信号；
步骤S3)将工件放在发射换能器和接收换能器之间，确保工件厚度方向与声波传播方向一致；若工件与发射换能器的主生束轴线存在偏角，记录偏角值θ0；
步骤S4)记录接收换能器直接透过工件的信号和信号在工件中反射2N次后的信号，计算以上两个信号与发射信号的时间差t1和t2；
步骤S5)依据声波在耦合液体以及工件中的传播路径，得出
其中，c1为工件中的纵波声速，θ1为声波入射到工件后的折射角；
定义比例系数
步骤S6)根据耦合液体的纵波声速c0，代入公式求得工件中入射点处的纵波声速
步骤S7)通过扫查装置获得工件待检测区域内的声速分布数据，将数据与空间几何信息对应，形成点云图。
进一步地，所述步骤S1中，使发射换能器与接收换能器在同一条轴线的方法为，对发射换能器与接收换能器进行方向调整，能量数值最高时即满足。
进一步地，所述步骤S1还包括，根据待检工件的属性以及需求，选择***合适的检测参数，检测参数包括发射换能器的频率以及参数补偿，参数补偿针对工件衰减性质和环境。
进一步地，所述步骤S3中，将工件放在发射换能器和接收换能器之间具体为，使发射换能器与工件的距离大于近声场距离，且接收换能器相对工件运动时不发生碰撞。
进一步地，所述步骤S7中，当工件待检测区域内所有定义点的数据均得到采集和处理，通过插值拟合，获得XY平面内任意一点处的声速，扫查结束，形成整个区域相应的声速分布图。
一种用于所述材料纵波声速分布测定方法的材料纵波声速分布测定***，其特征在于，包括超声信号发射接收单元、待检测工件、超声液耦单元、平面扫查机构和信号处理显示单元，所述超声信号发射接收单元包括超声发射换能器、超声接收换能器和超声信号采集装置，所述平面扫查机构与待检测工件相连或分别与超声发射换能器和超声接收换能器连接，所述超声发射换能器和超声接收换能器相对静止，并与所述待检测工件产生相对运动；
其中，所述超声液耦单元包括耦合液体和存放耦合液体的容器，所述超声发射换能器发射超声信号，信号通过液体耦合后到达超声接收换能器或透过工件内部再经过液体耦合到达超声接收换能器，所述超声接收换能器接收来自超声发射换能器的超声信号。
进一步地，所述耦合液体为水或油，所述超声发射换能器、超声接收换能器和待检测工件浸没于耦合液体中。
进一步地，所述信号处理显示单元结合平面扫查机构的几何坐标数据，将坐标与坐标数据下的纵波声速值一一对应，实现点云图的显示。
本发明可在不预知被检测点或被检测区域内工件的厚度分布情况下，方便快捷地对工件的纵波声速及其分布情况进行测定，为快捷了解材料的声速与分布情况提供了一种高精度、高效的可靠方法。
附图说明
图1为本发明***构成图；
图2为本发明***实施流程图
图3为本发明***耦合液中发射换能器与接收换能器的直达布置图。
附图标记：
1超声信号发射接收单元、2待检测工件、3超声液耦单元、4平面扫查机构、
5信号处理显示单元、11超声发射换能器、12超声接收换能器、
13超声信号采集装置、31耦合液体、32容器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种材料纵波声速分布测定***，如图1所示，包括超声信号发射接收单元1、待检测工件2、超声液耦单元3、平面扫查机构4和信号处理显示单元5，超声信号发射接收单元1包括超声发射换能器11、超声接收换能器12和超声信号采集装置13，平面扫查机构4与待检测工件2相连，平面扫查机构4分别与超声发射换能器11和超声接收换能器12连接，超声发射换能器11和超声接收换能器12同步运动。
其中，超声液耦单元3包括耦合液体31和存放耦合液体的容器32，超声发射换能器11发射超声信号，信号通过液体耦合后到达超声接收换能器12或透过工件内部再经过液体耦合到达超声接收换能器12，超声接收换能器12接收来自超声发射换能器11的超声信号；
信号处理显示单元5结合平面扫查机构4的几何坐标数据，将坐标与坐标数据下的纵波声速值一一对应，实现点云图的显示。
如图3所示，***初始时，耦合液体31为水或油，将超声发射换能器11、超声接收换能器12以及待检测工件2均浸没于耦合液体31，形成稳定声传播环境。发射换能器和接收换能器均固定于平面扫查机构4***上，可实现XY平面的移动和绕两轴向的转动，以及纵向Z轴的步进，该操作均由平面扫查机构4完成。
本发明还公开了一种材料纵波声速分布测定方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1)布置基本的测试环境，使得发射换能器发出声场的主声束与接收换能器基本在同一条轴线上，即发射与接收换能器各个方向调整寻找最高能量数值。
针对一般检测情况，开始声速测定前，根据待检工件的属性以及需求，选择***合适的检测参数，如发射换能器的频率、针对工件衰减性质和环境相关参数补偿等。
步骤S2)参照图3，首先对发射换能器进行激励，在耦合液体中产生声波，接收换能器接收到直达信号，信号处理与显示单元记录通过超声信号采集装置记录发射信号与接收信号之间的时间差t0，为确保测量的精度，计算t0的特征点,统一选择为达到最大回波的前一个过0点信号。
步骤S3)将工件放在发射换能器和接收换能器之间的合适距离，确保发射换能器到工件的距离大于近声场距离，且满足扫查装置便于携载发射与接收换能器相对工件安全运动不发生意外碰撞，工件的相对位置可取换能器二者之间远场的任意位置，但应确保工件的厚度方向与声波传播方向基本一致。
将工件固定于载物框架上，该框架的自由度和被控制的方式与换能器一致，可满足工件和换能器更多相对位置的实现。若工件与发射换能器主声束轴线存在偏角，记录偏角值θ0，此处θ0不得超过工件材料的第一临界角，工件材料属性可提前获悉，并估算材料的第一临界角。
将偏角θ0预设为0°，可避免多余的信号干扰以及波型转换，简化计算过程。
步骤S4)预设对应的扫查方式和采集密度，如扫查路径长度、线步进或角步进等，开始扫查。发射阵元与接收阵元同步运动，阵元信号处理与显示单元通过闸门框选接收换能器的直接透过工件的信号以及信号在工件中反射2N次后的信号，分别记录这两个信号与发射信号之间的时间差t1和t2。在此过程中换能器之间与换能器与工件之间的相对位置须始终保持不变。
步骤S5)依据声波在耦合液体以及工件中的传播路径，得出
其中t0，t1和t2的概念上述已经定义，假定c1为工件中的纵波声速，则θ1为声波入射到工件后的折射角。定义比例系数α为：
根据斯涅尔定律：
步骤S6)从以上各式(1)中可推导出工件此处的声速c1为：
步骤S7)扫查时，信号处理与显示单元对扫查路径上采集到的时间数据进行计算并做轨迹坐标记录，从而获得该点的纵波声速值。进一步地，信号处理与显示单元结合平面扫查机构的几何坐标数据，并与这些坐标点下的纵波声速值进行一一对应，从而实现点云图的显示。当该区域内所有定义点的数据均得到采集和处理，通过插值拟合，进而可获得XY平面内任意一点(Xi,Yi)处的声速扫查结束，形成整个区域相应的声速分布图，可根据需要进一步提取信息局部与优化调整。
实施例1
采用上述***及方法对工件垂直于纵波传播主方向的情形进行材料声速分布测定。被检对象为未知厚度与声速的钢板，耦合液体为水，纵波声速为1483m/s，发射换能器与接收换能器之间的距离为100mm，换能器标称频率均为2.25MHz。当发射换能器与接收换能器之间无工件时，记录声波从发射换能器传播到接收传感器的时间t0＝67.4μs；将待测工件置于距离发射换能器约30mm处，再次激励并接收信号，捕获直接穿透波和在工件中经过2次反射的穿透波，分别记录时间t1＝47.2μs，t2＝60.8μs，则根据公式(2)可得：
该点理论声速值为5900m/s。
实施例2
采用上述***角度纵波工件声速检测，被检对象为未知厚铝板，耦合液体为水，纵波声速为1483m/s，发射换能器与接收换能器之间的距离为100mm，换能器标称频率均为2.25MHz。当发射换能器与接收换能器之间无工件时，记录声波从发射换能器传播到接收传感器的时间t0＝67.4μs，将待测工件置于距离发射换能器约30mm处，记录工件的偏置角2°，再次激励并接收信号,，捕获直接穿透波和在工件中经过2次反射的穿透波，分别记录时间t1＝46.8μs，t2＝59.6μs，
则根据公式可得：
该点理论声速值为6320m/s。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种材料纵波声速分布测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1)布置测试环境，使超声发射换能器发出声场的主声束与超声接收换能器在同一条轴线上；
步骤S2)发射换能器发射声波，接收换能器接收直达信号，记录发射信号与接收信号的时间差t0，计算t0的特征点选择为达到最大回波的前一个过0点信号；
步骤S3)将工件放在发射换能器和接收换能器之间，确保工件厚度方向与声波传播方向一致；若工件与发射换能器的主生束轴线存在偏角，记录偏角值θ0；
步骤S4)记录接收换能器直接透过工件的信号和信号在工件中反射2N次后的信号，计算以上两个信号与发射信号的时间差t1和t2；
步骤S5)依据声波在耦合液体以及工件中的传播路径，得出
其中，c1为工件中的纵波声速，θ1为声波入射到工件后的折射角；
定义比例系数
步骤S6)根据耦合液体的纵波声速c0，代入公式求得工件中入射点处的纵波声速
步骤S7)通过扫查装置获得工件待检测区域内的声速分布数据，将数据与空间几何信息对应，形成点云图。
2.根据权利要求1所述的材料纵波声速分布测定方法，其特征在于，所述步骤S1中，使发射换能器与接收换能器在同一条轴线的方法为，对发射换能器与接收换能器进行方向调整，能量数值最高时即满足。
3.根据权利要求2所述的材料纵波声速分布测定方法，其特征在于，所述步骤S1还包括，根据待检工件的属性以及需求，选择***合适的检测参数，检测参数包括发射换能器的频率以及参数补偿，参数补偿针对工件衰减性质和环境。
4.根据权利要求1所述的材料纵波声速分布测定方法，其特征在于，所述步骤S3中，将工件放在发射换能器和接收换能器之间具体为，使发射换能器与工件的距离大于近声场距离，且接收换能器相对工件运动时不发生碰撞。
5.根据权利要求1所述的材料纵波声速分布测定方法，其特征在于，所述步骤S7中，当工件待检测区域内所有定义点的数据均得到采集和处理，通过插值拟合，获得XY平面内任意一点处的声速，扫查结束，形成整个区域相应的声速分布图。
6.一种用于权利要求1所述材料纵波声速分布测定方法的材料纵波声速分布测定***，其特征在于，包括超声信号发射接收单元、待检测工件、超声液耦单元、平面扫查机构和信号处理显示单元，所述超声信号发射接收单元包括超声发射换能器、超声接收换能器和超声信号采集装置，所述平面扫查机构与待检测工件相连或分别与超声发射换能器和超声接收换能器连接，所述超声发射换能器和超声接收换能器相对静止，并与所述待检测工件产生相对运动；
其中，所述超声液耦单元包括耦合液体和存放耦合液体的容器，所述超声发射换能器发射超声信号，信号通过液体耦合后到达超声接收换能器或透过工件内部再经过液体耦合到达超声接收换能器，所述超声接收换能器接收来自超声发射换能器的超声信号。
7.根据权利要求6所述的材料纵波声速分布测定***，其特征在于，所述耦合液体为水或油，所述超声发射换能器、超声接收换能器和待检测工件浸没于耦合液体中。
8.根据权利要求6所述的材料纵波声速分布测定***，其特征在于，所述信号处理显示单元结合平面扫查机构的几何坐标数据，将坐标与坐标数据下的纵波声速值一一对应，实现点云图的显示。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111468299.XA CN114113331B (zh) | 2021-12-03 | 一种材料纵波声速分布测定方法及测定*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111468299.XA CN114113331B (zh) | 2021-12-03 | 一种材料纵波声速分布测定方法及测定*** |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114113331A CN114113331A (zh) | 2022-03-01 |
| CN114113331B true CN114113331B (zh) | 2024-06-28 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108181381A (zh) * | 2016-12-08 | 2018-06-19 | 中国石油集团长城钻探工程有限公司 | 非接触式固体材料纵波声速测量装置以及声速测量方法 |
| CN112362745A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-02-12 | 大连理工大学 | 一种均匀基底涂覆层弹性常数的超声测量与反演方法 |
| CN114184146A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-03-15 | 上海船舶工程质量检测有限公司 | 用于高声衰减/大厚度材料纵波声速分布测定***及方法 |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108181381A (zh) * | 2016-12-08 | 2018-06-19 | 中国石油集团长城钻探工程有限公司 | 非接触式固体材料纵波声速测量装置以及声速测量方法 |
| CN112362745A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-02-12 | 大连理工大学 | 一种均匀基底涂覆层弹性常数的超声测量与反演方法 |
| CN114184146A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-03-15 | 上海船舶工程质量检测有限公司 | 用于高声衰减/大厚度材料纵波声速分布测定***及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101943680B (zh) | 一种带温度补偿的阵列超声探伤方法与*** | |
| US3944963A (en) | Method and apparatus for ultrasonically measuring deviation from straightness, or wall curvature or axial curvature, of an elongated member | |
| US5497662A (en) | Method and apparatus for measuring and controlling refracted angle of ultrasonic waves | |
| CN111122700B (zh) | 一种提高激光超声saft缺陷定位速度的方法 | |
| EP2546641B1 (en) | Ultrasonic flaw detector and ultrasonic flaw detection method for objects having a complex surface shape | |
| JP2017062226A (ja) | 非破壊試験機器の自動較正 | |
| US20100046576A1 (en) | Method for performing ultrasonic testing | |
| CN104977356B (zh) | 一种基于反射原理的复合材料泡沫结构超声检测方法 | |
| CN113899816B (zh) | 一种t型复合结构的超声无损检测装置及方法和r区检测方法及装置 | |
| CN111398426A (zh) | 一种全聚焦相控阵三维超声场的测量及补偿校准方法 | |
| CN111257426A (zh) | 火箭燃料贮箱焊缝的多模式全聚焦检测方法、***及介质 | |
| US7086285B2 (en) | Nondestructive inspection method and system therefor | |
| CN109696482A (zh) | 一种弯头腐蚀的相控阵超声柔性探头检测方法 | |
| JP4591850B2 (ja) | 超音波検査方法と装置 | |
| CN113534161B (zh) | 一种用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法 | |
| CN114113331B (zh) | 一种材料纵波声速分布测定方法及测定*** | |
| CN111665296B (zh) | 基于emat测量超声换能器三维辐射声场的方法及装置 | |
| JP2005043164A (ja) | 音波伝播時間測定装置 | |
| US4467653A (en) | Method and apparatus for ultrasonic analysis | |
| CN114184146A (zh) | 用于高声衰减/大厚度材料纵波声速分布测定***及方法 | |
| CN114942270A (zh) | 便携式超声相控阵检测成像*** | |
| CN114113331A (zh) | 一种用于材料纵波声速分布测定的***及方法 | |
| JP2002277448A (ja) | スケール厚さ測定装置および方法 | |
| CN104807882A (zh) | 一种复合材料与金属热管钎焊质量的超声检测方法及*** | |
| Kaczmarek et al. | Ultrasonic reflectometry in air: Errors of sample positioning |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: China Address after: 200032 floor 1, building 4, 851 Zhongshan South 2nd Road, Xuhui District, Shanghai Applicant after: SHANGHAI SHIP ENGINEERING QUALITY TESTING CO.,LTD. Applicant after: Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute (the 11th Research Institute of China Shipbuilding Corp.) Address before: 200032 floor 1, building 4, 851 Zhongshan South 2nd Road, Xuhui District, Shanghai Applicant before: SHANGHAI SHIP ENGINEERING QUALITY TESTING CO.,LTD. Country or region before: China Applicant before: SHIPBUILDING TECHNOLOGY Research Institute (NO 11 RESEARCH INSTITUTE OF CHINA STATE SHIPBUILDING Corp.,Ltd.) |
|
| GR01 | Patent grant |