一种基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法。目前阵列成像后处理方法仅应用于相控阵探头声束垂直入射到待测试件情形下采集的全矩阵数据处理中。本发明在相控阵探头上加楔块，通过楔块将纵波的主声束斜入射到待测试件的焊缝内，通过对相控阵列传感器激励、接收的全矩阵数据进行处理，并基于Snell原理计算声束经楔块在界面的折射交点，进而计算各阵元到所有成像点的声束传播时间，通过计算得到聚焦点的幅值，再对每个聚焦点的幅值进行聚焦；最终实现斜入射纵波的全聚焦成像。本发明可以产生特定方向的纵波主声束，提高焊缝区域内的缺陷加检测效果和缺陷的识别率；同时，对探头起到了保护的作用。
【专利说明】
一种基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法
技术领域
[0001] 本发明属于无损检测领域，是适用于焊缝缺陷检测的超声阵列全聚焦成像方法， 特别是一种基于斜入射纵波的超声阵列全聚焦成像方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业水平的迅猛发展，焊接技术已经被广泛应用于压力容器、船舶、航空 航天、电力系统等工业领域中。目前焊接的工艺方法有很多种，主要包括熔焊、钎焊、压焊等 焊接方式。焊缝在焊接过程中受焊接设备、焊接工艺、材料残余应力及材料尺寸等因素的影 响，可能产生多种不同的焊接缺陷。另外，在长期的服役过程中可能经受高温、高压或腐蚀 等环境的影响，在焊缝内部也会产生缺陷。焊缝内部常见的缺陷类型有裂纹、未融合、未焊 透、气孔和夹渣等。焊缝缺陷严重影响焊缝质量，使其安全性和可靠性降低，易引发安全生 产事故。因此，焊缝内部的缺陷问题是焊接领域中非常重要的问题。
[0003] 超声波探伤对未焊透、未熔合、裂纹等危害性面积型缺陷检测灵敏度较高，但由于 焊缝的材料属性复杂、结构特殊，使用普通超声检测焊缝内部缺陷时，由于信号噪声和衰减 较大，容易造成缺陷漏检。近年来，随着计算机和电子技术的发展，超声相控阵检测技术因 具有声束控制灵活等特点在焊缝内部缺陷检测中的应用越来广泛。超声相控阵检测技术采 用由多个阵元组成的阵列换能器，通过电子技术控制各阵元的超声激励接收延时，实现声 束在试件内部的定向偏转及聚焦。但利用超声相控阵检测技术对焊缝进行检测中，由于超 声检测信号的信噪比较差，给缺陷检测及识别带来了一定的困难。
[0004] 近年来，超声相控阵后处理成像技术得到了较大的发展。超声相控阵后处理成像 技术是通过对采集到的全矩阵数据进行离线处理，进而获得高精度的成像效果，其中最常 用的为全聚焦和矢量全聚焦等成像方法。目前这些阵列成像后处理方法仅应用于相控阵探 头声束垂直入射到待测试件情形下采集的全矩阵数据处理中。针对焊缝结构及尺寸特点， 为了保证焊缝区缺陷的检出效果，需要使待测焊缝处于相控阵探头的主声束方向范围并远 离探头的近场区，因此，超声阵列检测实验过程中，通过在相控阵探头上加楔块，使声波倾 斜入射到待测焊缝试件中。楔块的引入会改变试块内的声束传播路径及方向，进而影响全 聚焦成像算法，目前还没有基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像计算方法。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于斜入 射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法，其通过对相控阵所采集的相控阵斜入射下的全矩 阵数据进行全聚焦处理，以实现对焊缝中缺陷的检测及定位。
[0006] 为此，本发明采用如下的技术方案:一种基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦 成像方法，其步骤如下：
[0007] 1)在相控阵探头上加楔块，通过楔块将纵波的主声束斜入射到待测试件的焊缝 内，通过相控阵系统进行焊缝检测实验，并获取全矩阵数据，实验中所用相控阵探头的阵元 个数为N，通过全矩阵采集模式得到时域信号，全矩阵数据中glj(t)(i = l，2，...，N;j = l， 2,...，N)表示第i阵元激励和第j个阵元接收的时域信号；
[0008] 2)对采集到的全矩阵时域信号glj(t)进行Hilbert变换得到包络信号h^u);
[0009] 3)计算从各个阵元到所有聚焦点的声束在界面处的折射交点；
[0010] 4)将全部阵列数据按激励阵元、接收阵元、界面折射交点与聚焦点的传播距离计 算声波传播时间tij(X，z)，通过计算得到聚焦点的幅值I (X，z)，再对每个聚焦点的幅值进行 聚焦，实现斜入射纵波的全聚焦成像；
[0011] 5)输出成像结果，从成像结果判断焊缝内部是否有缺陷，如果有缺陷，对缺陷结果 进行定位。
[0012] 本发明通过相控阵系统采集相控阵斜入射下的全矩阵数据。增加楔块后，计算楔 块内部声束的传播路径。在此基础上，计算每个聚焦点上每对激励接收阵列的传播路径(包 含楔块与待测试件中），并根据楔块及待测试件中声波波速，计算出每对激励接收阵列在每 个聚焦点对应的强度，累积每对激励接收阵列在该聚焦点的强度，从而得到该聚焦点下的 纵波斜入射下的全聚焦成像结果。
[0013] 本发明通过楔块将纵波的主声束斜入射到焊缝内，提高焊缝区域内的缺陷检测效 果。
[0014] 进一步，与楔块耦合的界面为平面或曲面。
[0015] 进一步，所述相控的阵探头选用纵波探头。
[0016] 进一步，所述的楔块为直楔块或带角度的斜楔块。
[0017]进一步，所述声束在界面处的折射交点利用Snell原理进行求解。
[0018]进一步，全聚焦计算公式为：
[0019]聚焦点(x，z)的幅值I(x，z)表示为
[0021]其中，ι^α^(χ，ζ))为阵元i激励、阵元j接收的全矩阵时域信号中表征目标聚焦 点(x，z)的包络信号，t^(X，Z)为提取该幅值所用的声波传播时间；设楔块的波速S C1，待测 试件内波速为c2，则声波传播时间ti j (X，z)为：
[0023]其中，Xi和Zi分别为阵元i的横、纵坐标;Xj、Zj分别为阵元j的横、纵坐标值;Xt、Zt分 别为激励声束在界面折射交点的横、纵坐标;Xr、zr分别为接收声束在界面折射交点的横、纵 坐标;X、Z分别为对应聚焦点的横、纵坐标。
[0024]本发明具有以下优点：（1)一般的焊缝厚度在40mm以下(很多情况下焊缝厚度都在 15mm~30mm的范围之内），如果直接使用相控阵探头来检测焊缝内部缺陷，相控阵探头的近 场区对焊缝缺陷检测影响较大，为此采用相控阵探头和楔块耦合检测焊缝内部缺陷，消除 了相控阵探头的近场区对焊缝缺陷的影响；（2)由于焊缝一般有余高，当采用相控阵探头直 入射进行焊缝内部缺陷检测时，相控阵探头难以与焊缝贴合，耦合效果也相对较差。通过加 楔块进行斜入射时耦合效果好，同时得到特定方向的纵波主声束，有利于焊缝内部缺陷检 测；（3)大部分待测试件表面粗糙度较大，相控阵探头如直接作用于待测试件，会对相控阵 探头有较大的磨损，此时，使用楔块可以达到保护相控阵探头的目的；（4)扩展了全聚焦成 像的应用，更适用于焊缝内部缺陷检测和识别。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的原理示意图。
[0026] 图2是界面为平面时的界面折射交点求解原理图。
[0027] 图3是界面为曲面时的界面折射交点求解原理图。
[0028]图4是本发明的流程图。
[0029]图5为本发明在实际焊缝检测中应用的成像结果图。
[0030] 其中：1-激励阵元;2-接收阵元;3-楔块;4-待测试件;5-聚焦点。
【具体实施方式】
[0031] 本发明的基本原理如下：
[0032] 如图1所示，假设线性阵列换能器阵元个数为N，i为激励阵元，j为接收阵元。由阵 元i激励的声束经楔块到达成像区域聚焦点(x，z)，然后经楔块为阵元j所接收。一个阵元单 独激励出，所有阵元所接收，依次使每个阵元分别激励，重复实现上述的"一激全收"的过 程，最终得到NXN组的全矩阵数据。将激励阵元i、接收阵元j采集的超声回波信号（即全矩 阵时域信号)记为g^(t)，将g^(t)经希尔伯特变换后记为一⑴，
[0033]则聚焦点(x，z)的幅值I(x，z)表示为
[0035]其中，hdtdxj))为阵元i激励、阵元j接收的超声回波信号中表征目标聚焦点 (x，z)的幅值信息（即包络信号），?^(Χ，Ζ)为提取该幅值所用的声波传播时间；设楔块的波 速为d，待测试件内波速为c 2，则声波传播时间ti j (X，ζ)为：
[0037]其中，Xi和Zi分别为阵元i的横、纵坐标;Xj、z j分别为阵元j的横、纵坐标值;Xt、Zt分 别为激励声束在界面折射交点的横、纵坐标;Xr、zr分别为接收声束在界面折射交点的横、纵 坐标;X、Z分别为对应聚焦点的横、纵坐标。
[0038]不论界面形状如何，声束从楔块到待测试件内，或者从待测试件到楔块内，在界面 处声束都会发生折射，并遵从Snell定律。实际上，由于声束传播具有可逆性，也就是说，接 收声束路径也可以看作激励声束路径来处理。式(2)中除了两个界面折射交点的横、纵坐标 是未知的，其他六个变量均是已知的。根据Snell定律，确定两个界面折射交点的横、纵坐 标，并且求解过程因界面是平面还是曲面而不同。
[0039] 下面分别从平面和曲面对界面折射交点(Xt，Zt)的确定方法进行论述，界面折射交 点(Xr，Zr )的确定方法与之相同。
[0040] 首先来讨论界面为平面时声束在界面折射交点(Xt，Zt)的确定过程。如图2所示，设 A(xi，zi)表示激励阵元i的坐标，B(xt，z t)表示声束在界面折射交点，C(x，z)表示成像点的 坐标。Θ:为入射角，02为折射角。介质I表示楔块，介质II表示待测试件。由Snell定理可得，
[0048] 其中，
[0049] ρ4=β-1 ；
[0050] ρ3 = 2χ?-2βχ?+2χ-2βχ ；
[0051 ] ρ2 = -χ?2+βχ?2-4χ?χ+4βχ?χ-χ2+βχ2-(ζ?-ζ?) 2+β(ζ-ζ?)2 ；
[0052] pi = 2χ?2χ-2βχ?2χ+2χ?χ2-2βχ?χ3+2χ (zt~zi) 2-2βχ? (z~zt)2 ；
[0053 ] p。= -xi2x2+0xi2x2_x2 (zt-Zi) 2+0Xi2 (z_zt)2。
[0054] 对于方程(5)，其中？4，？3，？2，？1，？()是与^无关的常数，由此，所求解的多项式方程 (5)的根可能含有复数解，对此予以剔除即可找到满足实际条件的根即为xt的值。
[0055] 下面讨论界面为平面时的界面折射交点的情况。
[0056] 如图3所示，声束从A点(Xi，zi)经界面交Al^、(xt，zt)到达0点(1，2)』点（xti，zti) 是A点在过B点的曲面切线上的投影，E点（ Xt2，zt2)是C点在过B点的曲面切线上的投影。界面 为曲面的表达式是已知的，并假设其表达式为
[0057] z = f (x) (6)
[0058] 由于B点位于界面上，于是有
[0059] Zt = f(xt) (7)
[0060] 于是，分别可以得到D、E两点的横纵坐标：
[0065]声束在界面交点B点处声束发生折射，并遵从Snell定律。于是有
[0070] 整理式（13)可得，
[0078]求解方程（14)即可得到xt的值。在这个方程当中，系数p4是xt无关的，而p 3，p2，Pl， P〇是与Xt有关的，这是因为在P3，P2，P1和ρο的表达式当中都含有Xtl、Ztl、Xt2和Zt2,而Xtl、Ztl、 Xt2和Zt2都和Xt有关，因而P3，P2，P1和PQ也是与Xt有关。在得到Xt的值之后，通过曲面的方程可 以得到Zt。
[0079] 在确定界面折射交点之后，可以计算出声束在经楔块到待测试件中的传播路径， 并结合式(1)和式(2)，即可实现基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像。
[0080] 如图4所示，本发明的具体实施步骤为：
[0081] 1)在相控阵探头上加楔块，通过楔块将纵波的主声束斜入射到待测试件的焊缝 内，通过相控阵系统进行焊缝检测实验，并获取全矩阵数据，实验中所用相控阵探头的阵元 个数为N，通过全矩阵采集模式得到时域信号，全矩阵数据中glj(t)(i = l，2，...，N;j = l， 2,...，N)表示第i阵元激励和第j个阵元接收的时域信号；
[0082] 2)对采集到的全矩阵时域信号glj(t)进行Hilbert变换得到包络信号hjt);
[0083] 3)计算从各个阵元到所有聚焦点的声束在界面处的折射交点；
[0084] 4)将全部阵列数据按激励阵元、接收阵元、界面折射交点与聚焦点的传播距离计 算声波传播时间t i j (X，z)，通过公式（1)计算得到聚焦点的幅值I (X，z)，再对每个聚焦点的 幅值进行聚焦，实现斜入射纵波的全聚焦成像；
[0085] 5)输出成像结果，从成像结果判断焊缝内部是否有缺陷，如果有缺陷，对缺陷结果 进行定位。
[0086] 上述步骤中，换能器的阵元数目N为32。
[0087]上述步骤中，可使用直楔块或斜楔块。根据实际应用，对楔块进行选择。与楔块耦 合的界面可为平面，也可为曲面。
【主权项】
1. 一种基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法，其步骤如下： 1) 在相控阵探头上加模块，通过模块将纵波的主声束斜入射到待测试件的焊缝内，通 过相控阵系统进行焊缝检测实验，并获取全矩阵数据，实验中所用相控阵探头的阵元个数 为N，通过全矩阵采集模式得到时域信号，全矩阵数据中的^〇。= 1，2,...，N; j = l，2,...， N)表示第i阵元激励和第j个阵元接收的时域信号； 2) 对采集到的全矩阵时域信号gu(t)进行化化ert变换得到包络信号hu(t); 3) 计算从各个阵元到所有聚焦点的声束在界面处的折射交点； 4) 将全部阵列数据按激励阵元、接收阵元、界面折射交点与聚焦点的传播距离计算声 波传播时间tu(x，z)，通过计算得到聚焦点的幅值I(x，z)，再对每个聚焦点的幅值进行聚 焦； 5) 输出成像结果，从成像结果判断焊缝内部是否有缺陷，如果有缺陷，对缺陷结果进行 定位。2. 根据权利要求1所述的基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法，其特征在 于:与模块禪合的界面为平面或曲面。3. 根据权利要求1所述的基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法，其特征在 于:所述相控的阵探头选用纵波探头。4. 根据权利要求1所述的基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法，其特征在 于:所述的模块为直模块或带角度的斜模块。5. 根据权利要求1所述的基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法，其特征在 于:所述声束在界面处的折射交点利用Snell原理进行求解。6. 根据权利要求1所述的基于斜入射纵波的焊缝超声阵列全聚焦成像方法，其特征在 于， 聚焦点(x，z)的幅值I(x，z)表示为其中，l·uパtlパx，z))为阵元i激励、阵元j接收的全矩阵时域信号中表征目标聚焦点(x， Z)的包络信号，tu(X，Z)为提取该幅值所用的声波传播时间；设模块的波速为C1，待测试件 内波速为C2，则声波传播时间tij ( X，Z )为：其中，XI和Zi分别为阵元i的横、纵坐标;汾别为阵元j的横、纵坐标值;Xt、Zt分别为 激励声束在界面折射交点的横、纵坐标;Xr、Zr分别为接收声束在界面折射交点的横、纵坐 标;X、Z分别为对应聚焦点的横、纵坐标。
【文档编号】G01N29/44GK106093206SQ201610571642
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】王炯耿, 罗宏建, 焦敬品, 刘帅开, 杨敬, 姚晖, 扶达鸿, 周阳洋, 乔敏, 张 杰, 赵洲峰, 陈胤桢, 周正强, 梅简, 吴峰, 吴一峰, 孙庆峰
【申请人】国网浙江省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司, 北京工业大学