具有至少一个声学各向异性材料区域的测试体的无损测试方法

专利名称：具有至少一个声学各向异性材料区域的测试体的无损测试方法
技术领域：
本发明涉及一种使用超声波对具有至少一个声学各向异性材料区域的 测试体进行无损测试的方法。
背景技术：
已知有各种无损超声波测试方法对包含声学各向同性固体材料的测试 体进行测试并用于缺陷检查，即，找出缺陷、材料不均匀性等。成功应用 这种类型的测试方法要求耦合在特定测试体内的超声波尽可能均匀且线性 地传播。为满足这一要求，特定测试体所包含的材料需要在整个待测试的
体积内具有恒定的声音声学(sound acoustics)特性，例如，具有各向同性 的密度分布和各向同性的弹性特性。如果这个要求得到满足，则这些测试 方法可以实现可靠的缺陷检测、准确的空间缺陷定位并且最终实现缺陷成 像，在此基础上使用适当的超声信号分析方法就能够识别缺陷的大小和形 状。参考作为多个这种类型的超声测试系统的典型示例DE 3346534 Al,其 中公开了一种超声图像表示单元，其提供组辐射器(ground radiator)超声 波测试头，该测试头包括超声波单独的换能器(transducer)元件的线性阵 列，在处理期间这些元件以预定扫描频率沿着扫描方向被单独地激活或成 组地激活。缺陷图像重构的质量，这也最终确定与缺陷类型、缺陷位置和 缺陷大小有关的定量信息，是确定耦合到测试体中的超声波、超声波检测 以及用于分析接收到的超声波信号的重构技术这多个参数的函数。
迄今为止的使用传播速度与传播方向无关的超声波的超声波测试技术 所针对的材料称为超声波各向同性材料。然而，如果耦合到材料中的该超 声波的声速与它们的特定传播方向相关，则将这些材料称为各向异性的。 例如， 一种己知的天然各向异性材料为木料，如果完全使用传统的超声波 测试技术只能有局限地检查到其材料缺陷。进一步的，超声波材料例如以 纤维复合物或涂层材料为代表，这些材料优选地用于现代轻型建筑设计。测试这种类型的各向异性材料不令人满意的原因在于以依赖于位置和材料 密度的声速传播的超声波的结构依赖性。此外，在各向同性材料中，只会 出现两种类型的体波的振荡模，即纵模和横模，而与各向同性材料相比， 在各向异性材料中因为已经存在两种正交的横模，所以可出现三种传播模 式。在各向同性材料中，纵模的振荡总是与传播方向平行，而横模的振荡 总是与传播方向垂直。相对地，在各向异性材料中，存在所谓的半纵和半 横波，其极化偏差即使在较低的声速差异情况下已经对缺陷图像重构产生 重大影响。
然而，测试包含不同的声学各向同性材料的测试体，诸如层组装的测 试体，不能使用当前己知的测试方法来确定测试体中缺陷的精确空间位置， 因为超声波在相邻材料层的界面处沿着其传播方向折射。基本上，在浸没
式技术(immersion technology)的超声波测试中将在例如水和钢之间的界 面发生折射作用，这有时显著地限制了上述缺陷定位，因为即使是在两种
其i:在于不能获知声程(soundpath),以P及因此不能获知有效的i速，其 中声程不能再被假定为线性的。使用有限数量的入射角的缺陷检测本身也 存在缺陷，因为噪声由于衍射作用而不会到达缺陷位置。为此，使用尽可 能大数量的入射角对有关安全性的结构材料进行测试，如前面所引用的DE 33 46 534A1中的所谓的组辐射器技术。
为了获得声学各向异性材料对实际的超声波传播比的影响的量化印 象，参考图la中所示的测试结果，该结果是根据图3中示出的测试情形， 使用超声波组辐射器测试头US测试包含碳纤维复合物材料的测试体PK而 获得的。使用超声波组辐射器测试头US所研究的测试体PK具有平坦的测 试体表面PKO，并包含碳纤维复合物材料，纤维取向与测试体表面成15° 。 纤维取向上的声速大致比垂直于纤维取向的传播方向上的声速大三倍。此 外，在测试体PK中引入了作为模型反射体(model reflector)的缺陷FS， 其位于测试体表面PKO上的超声波组辐射器US的正下方。
图la中示出了常规操作的超声波组辐射器US的二维扇形图，即，所 有的超声波换能器结合在一起用作超声波发射器，并能够检测测试体内反 身寸的超声波。从图la中所示的扇形图中可以推断声音耦合位置，即超声波组辐射器测试头的位置，位于所示的坐标系统的横坐标的中央。在声音 耦合区域出现的接收信号来源于与测试体表面最接近的耦合作用，但是它 们本身并不表示测试体内的缺陷。反射信号位于距离耦合点一定距离处的 半圆内，表示测试体后壁上的反射事件，其在所有入射角处都会出现。由 于通过测试体相对于人为引入到测试体中的缺陷的位置而预先确定了测试 条件，在测试体包含各向同性材料的情况下，反射体位置必须正好位于可
识别的声音进入点之下。然而，在图la中所示的扇形图中，在0°时没有 获得读数，而在45°角附近获得反射体事件R。该测试结果表明，各向异 性材料的测试体产生实际存在于测试体中的缺陷的不可靠的位置信息。
超声波在纤维结构方向上的耦合也没有产生其它令人满意的分析结果。
为此，图2a中示出了具有与纤维结构的方向纵向设置的辐射方向的常 规操作的组辐射器的扇形图，从中可以推断由于在几乎所有入射角处发 生衍射，可以看到人为引入到测试体中的测试反射体。这在图2a中显示为 具有较小半径的半圆。显然，基本证明存在缺陷是可能的，但是说明缺陷 的位置以及缺陷的大小和类型等特性是不可能的。

发明内容
本发明的基本目的在于提供用于对具有至少一个声学各向异性材料区 域的测试体进行无损测试的方法，其方式是使可靠的缺陷检测有可能更精 确地指明位于声学各向异性材料区域内的缺陷的确切空间位置、类型和大 小。
权利要求1具体实现了本发明的基本目的。有利地细化本发明的思想 的手段可以从从属权利要求的主题以及进一步的描述中推出，尤其是参考 示例性实施例。
根据该目的的实现，使用超声波对具有至少一个声学各向异性材料区
一 首先，通过访问已经存在^的数据fit备来确定或ia似提供描述声学各向 异性材料区域的方向特定(directionally-specific)的声音传播特性。由于可 以基于弹性动力学方法来理解或详细描述具有各向异性材料区域的测试体内的声音传播状态，例如，就这方面而言，优选在关于近似随机的各向异 性测试体的声音声学特性的实验性研究范围内，获得详细的发现，并且使
用适当的数学表达式，在例如所谓的刚度矩阵(rigidity matrice)范围内使 它们可用于进一步应用。具体而言，待测试的特定测试体内的方向特定的 声音传播速度可以由这种类型的刚度矩阵导出。
利用这些描述待测试的测试体的声音声学特性的发现，可以通过将超 声波耦合到测试体的声学各向异性材料区域并且使用多个超声波换能器相 应地接收测试体内部反射的超声波来在方向特定的声音传播特性的基础上 以方向上具有选择性(directionally-selective)的方式分析所检测到的超声波 信号。
在根据实现该目的的在方向上具有选择性的超声波信号分析中，检测 到由于测试体内的相应的反射事件导致在不同检测方向上产生的各个基本 波(elementary wave)的相位关系。超声波的接收可与使用超声波组辐射器 测试头将超声波发射并耦合到测试体内联合进行，并使用以下将解释的信 号分析方法来执行在方向上具有选择性的超声波分析。考虑到测试体内存 在的声音声学各向异性材料区域，待分析的所检测的超声波域将以提供准 标准(quasi-standard)测试情形的方式来调整，如在产生自声学各向同性测 试体的超声波信号的分析中所执行的。
为此，计算声音运行时间，该运行时间是根据各向异性材料特性和/或 弹性材料常数，每个超声波从其原点位置到待重构的测试体区域内的空间 点并且再返回到接收器位置所需要的运行时间，该原点位置对应于测试体 表面上的耦合位置并且在该位置处配备有用作发射器的超声波换能器元 件。
为了能够在要求大且完整的测试体采集的情况下执行测试体内反射的 超声波的方向上具有选择性的分析，将具有n个超声波换能器的超声波组 辐射器测试头放置在测试体表面上，通过这些换能器可以将超声波耦合到 测试体中并且相应的反射的超声波可以耦合到测试体外以供检测。
超声波换能器优选地直接或使用适当的耦合装置施加到测试体表面。 超声波换能器可以无序地附着到测试体表面或者以一维阵列(沿行)、二维 阵列(以域)或三维阵列(作为测试体的三维表面的函数)的形式有序地附着到测试体表面。
n个超声波换能器均可有利地将超声波耦合到测试体中并且还可接收 超声波，即，它们用作和/或激活为超声波发射器和超声波接收器。仅仅用 作超声波发射器或超声波接收器也是可行的，但是这将导致用于相同空间 分辨率的测试结果需要更大数量的超声波换能器。
压电式换能器优选用作超声波换能器，但是使用基于电磁、光或者机 械作用原理的换能器也是可行的。
n个超声波换能器优选安装在手动操作的超声波测试头中，这实现了简 单采用并应用于测试体表面。超声波换能器的其他应用，例如应用到测试 体的直接相对的表面上，是与测试体的大小和形状以及所提出的特定测试 任务相关联的。已经证明，如果要提供的超声波换能器的数量选择为大于 或等于16个，则可以使用根据实现本发明目的的方法来实现最佳空间分辨 率的测试结果。
在第二个步骤中，从总数为n的超声波换能器中选择第一超声波换能 器或第一组超声波换能器，如果选择一组超声波换能器，则与该组相关的 超声波换能器的数目i小于超声波换能器的总数n。
US发射器的数目i的设置确定了在i个US发射器同时激活的情况下， 每个激活的US发射器耦合到测试体中的弹性能。全部同时激活的发射器的 所选数目越大，耦合到测试体中的弹性能越高。并且，将i个超声波换能器 以如下方式设置为发射器，即，选择尽可能多的i个直接相邻的超声波换能 器作为平面一致超声波发射器阵列。在全部发射器同时发射的情况下，i个 US发射器和发射器组的具体组成，尤其是它们在测试体表面的配置，还确 定了发射器组的整体发射特性(孔径)以及测量的灵敏度和分辨率性能。
进一步，将第一超声波换能器，即，i=l，或者属于第一组的所有i个 超声波换能器激活以发射超声波，该超声波被耦合到测试体中。在测试体 内的干扰点处或在直接与特定耦合区域相对的测试体表面处，超声波被反 射并再次到达应用于测试体表面的n个超声波换能器的表面区域，其中所 有n个或只有有限部分m个超声波换能器接收到超声波，数目m总是大于 参与超声波发射的超声波换能器的数目i。
在每个单独的测量脉冲之后，将由用作US接收器的m个超声波换能器，或者至多由所有n个US换能器接收到的超声波转换为超声波信号并存 储，S卩，馈送到相应的存储单元并存储在其中。
除了同时激活属于一组并用作US发射器的所选择的i个超声波换能器 以外，还可以设想相移地，即，部分或完全时移地激活US发射器。通过这 种方式，如前面针对相位阵列原理所述，超声波的入射方向和/或弹性能的 聚焦可在测试体内的特定体积区域执行。此外，i个US发射器的孔径也可 以设置为对于入射或聚焦的特定方向最优化。
并非绝对必要将用作发射器的超声波换能器进行发射器特定化的 (transmitter-specifically)调制，艮P，所有US发射器都被同样地激活。为 了尽可能简化或者特别分析所测量的信号，可以将接收到的测量信号分配 给特定US发射器。为此，与组相关的i个超声波换能器激活调制，即，使 用可区分的调制方法激活每个单独的超声波换能器，从而对耦合到测试体 中的超声波进行发射器特定化的检测。
在执行一个或多个测量脉冲之后，可以选择替换产生超声波的US发射 器。为了实现更好的测量灵敏度，建议使用统一的US发射器集群来执行多 个测试脉冲，以在统计信号分析时获得提高的信噪比。在单个信号超声波 换能器在某个时刻用作US发射器的情况下，另一超声波换能器选择用于发 射超声波。优选地，选择与最后被激活的超声波换能器直接相邻的超声波 换能器。在多个超声波换能器组成一组的情况下，再次形成一组超声波换 能器，其数目i相同，但是其组成与前面所选择的不同，至少有一个超声波 换能器不同。
以这种方式，使用超声波从各个耦合区域照射测试体。与第一测量脉 冲或第一测量循环同时地，所反射的超声波也由使用所有n个超声波换能 器或部分m个超声波换能器的新的US发射器集群接收，并转换为超声波 信号，并最终存储，其中所述第一测量循环由多个第一测量脉冲组成。用 于接收超声波的所有n个或m个超声波换能器即使在US发射器集群改变 时也保持不变，以实现最简单的测量信号分析，如从下面推导出的那样。
将前面描述的方法步骤中的又一超声波换能器或具有替换的超声波换 能器组成的一组超声波换能器的重复激活以及所获得的测量信号的接收和 存储重复可预定的次数，以确定从多个，优选从所有可能的入射位置的测试体的声音传输和/或反射性能。
例如，如果只有一个超声波换能器，即，i=l，激活为us换能器，则 可以执行至少n个测量脉冲或n个测量循环，其中每个测量循环包含可选 择数目的测量脉冲。如果激活包括i个超声波换能器的组，则可以执行至多 n个已有超声波换能器的所有i个排列。
作为执行上述方法步骤的结果，获取每个测量脉冲和/或测量循环所存 储的m个测量信号中的多个，然后根据目标测试体的测试对其进行分析。 一个特殊方面是在执行实际的测试体测量之后对所存储的测量信号进行后 续分析的可能性。超声波信号的分析是使用重构算法来离线执行的，该重 构算法是根据虚拟的预定入射角和/或测试体中耦合的超声波的虚拟聚焦而 应用的。利用这种类型的重构算法，可以由所存储的超声波信号计算测试 体的声音传输和/或反射特性的合成的三维图像，而不需要额外的进一步的 超声波测量。这种重构原则是基于合成孔径聚焦技术(SAFT)的应用，其 包括尽可能多地投影到共享的时间轴上的所有接收到的超声波信号。根据 测试体材料的各向异性的声音传播特性以及与其相连的相位适配而将从特 定反射体和/或从特定缺陷反射的所有超声波信号在相位上相加。随后的任 意入射角的重构通过各个超声波接收器的接收信号的相移增加来产生。通 过离线分析能够合成地重构几乎任何入射角，从而在整个数据集合中执行 超声波扫描。
利用上述使用所谓的脉冲组辐射器系统的超声波测试技术以及根据实 现本发明目的的所建议的信号分析技术，根据测试体的固有的材料声音声 学各向异性材料特性，可以在所谓的反相适配的原则下实现大量优点。
使用反相适配的脉冲组辐射器技术能够以与针对各向同性材料以典型 方式进行的超声波技术研究相对应的质量和可靠性对各向异性材料进行缺 陷检测和缺陷图像重构。
取决于针对发射超声波换能器的数目、距离以及换能器系统的配置的 选择，可以根据待研究的测试体的各向异性参数进行最优化。
利用根据实现本发明目的的方法，浸没式技术中的超声波测试可以用 于研究非均匀和/或声音声学各向异性材料。通过经由组辐射器头与待研究 的测试体表面之间的液体层的声音声学耦合，该方法也可应用于具有复杂的设计表面几何形状的测试体几何形状。这种可行性能够更加容易地以低 的成本和低的换能器技术支出来生产和使用这种测试系统。


出于示例性目的而非限制本发明的基本思想，以下将基于参考附图的 示例性实施例描述本发明。附图中
图la和图lb示出贯穿各向异性测试体的扇形示； 图2a和图2b示出贯穿各向异性测试体的扇形示；以及 图3示出实验性测试情形的示意图。
具体实施例方式
如上面己经说明的，各向异性测试体内的缺陷不能从图la的扇形图 中定位，通过反向散射信号FS仅仅可识别缺陷的存在。相反地，如果使用 如上所述的根据实现该目的的方法并且从所有体积区域检测到的超声波在 考虑到它们的方向特定的声波传播速度的情况下进行了分析，即使待研究 的测试体PK具有各向异性材料组成，也可以准确地表示缺陷FS的位置、 形状和大小。在图lb中，缺陷FS的空间位置显示为在声波耦合的位置的 正下方，在图3中所示的测试情形中也是这样。
在将超声波设置为沿着纤维结构的方向的情况下，使用根据实现该目 的的方法，可根据图2b中的扇形示检测到缺陷FS的确切位置并对其 进行表示，与目前己知的超声波检测技术的应用完全相反，其产生图2a中 所示的扇形示，这已经在前述说明书中进行了详细解释。
附图+示记列表
FS 缺陷
US 超声波组辐射器测试头 PK 测试体 PKO测试体表面
权利要求
1、一种使用超声波对具有至少一个声学各向异性材料区域的测试体进行无损测试的方法，其特征在于以下方法步骤a)确定或提供描述所述声学各向异性材料区域的方向特定的声音传播特性，b)将超声波耦合到所述测试体的所述声学各向异性材料区域，c)使用多个超声波换能器接收在所述测试体内部反射的超声波，d)以如下方式对使用所述多个超声波换能器产生的超声波信号进行分析基于所述方向特定的声音传播特性在方向上具有选择性地执行所述分析。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方向特定的声音传播特性表示方向特定的声音传播速度，并且由描述所述至少一个声学各向 异性材料区域的刚度矩阵来计算，或者在实验性的与方向有关的声速测量 过程中确定。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以以下方式执行超 声波的耦合和接收-a) 在测试体表面上提供n个超声波换能器，b) 从所述n个超声波换能器中选择并激活第一超声波换能器或具有i 个超声波换能器的第一组超声波换能器，用于将超声波发射到所述测试体 中，其中i <n，c) 使用m个超声波换能器接收在所述测试体内部反射的超声波，并产 生m个超声波信号，其中i〈m《n，d) 存储所述m个超声波信号，e) 选择并激活另一个超声波换能器或具有i个超声波换能器的另一组 超声波换能器，用于发射超声波并执行方法步骤c)和d)，其中所述另一组 超声波换能器与所述第一组超声波换能器至少有一个超声波换能器不同，f) 在又一超声波换能器或具有i个超声波换能器的又一组超声波换能器与已经选择的超声波换能器或者与已经选择的具有i个超声波换能器的 一组超声波换能器不同的条件下，使用所述又一超声波换能器或所述具有i个超声波换能器的又一组超声波换能器来重复执行方法步骤e)，以及 e)分析所存储的超声波信号。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，以一维、二维或三维排 列的结构来提供n个超声波换能器。
5、 根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，属于一组的所有i 个超声波换能器的激活是同时执行的，即，没有相移。
6、 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，属于一组的i个超声波 换能器的激活是调制执行的，即，使用可区分的调制来激活每个单独的超 声波换能器，从而对耦合到所述测试体中的超声波进行发射器特定化的检 测。
7、 根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，属于一组 的i个超声波换能器的选择以根据线性或平面阵列选择直接相邻的超声波 换能器的方式来执行。
8、 根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征在于，n选择为
9、 根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，使用基于 电磁、光和/或机械作用原理的，尤其是基于压电换能器原理的超声波换能 器。
10、 根据权利要求3至9中任一项所述的方法，其特征在于，在使用 超声波执行穿过所述测试体的声音传输之后使用重构算法来执行所述超声 波信号的分析，并且根据虚拟可预定的入射角和/或使用所述测试体中的所耦合的超声波的虚拟聚焦的扇区和/或3-D区域来选择所述重构算法，并将其应用于所存储 的超声波信号。
11、 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，以如下方式在由所述 m个超声波换能器接收到的超声波的相位适配的过程中执行所述超声波信 号的分析根据各向异性材料特性或弹性材料常数，由计算机确定用作发 射器的每个超声波换能器到待重构的测试体区域的每个空间点并返回用作 接收器的每个超声波换能器的超声波运行时间。
12、 根据权利要求3至11中任一项所述的方法，其特征在于，在模数 转换过程中执行所述m个超声波换能器中的每一个的产生和存储，其中所 述m个超声波换能器的模拟超声波信号转换为数字信号并以串行形式进行 存储。
13、 根据权利要求3至12中任一项所述的方法，其特征在于，使用设 置在所述测试体表面上的所有超声波换能器来执行在所述测试体内部反射 的超声波的接收，即，m = n。
14、 根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述测 试体完全包含声学各向异性材料。
全文摘要
本发明描述了一种使用超声波对具有至少一个声学各向异性材料区域的测试体进行无损测试的方法。本发明的特征在于以下方法步骤a)确定或提供描述所述声学各向异性材料区域的方向特定的声音传播特性，b)将超声波射入到所述测试体的所述声学各向异性材料区域，c)使用多个超声波换能器接收所述测试体内部反射的超声波，d)以以下方式对使用所述多个超声波换能器产生的超声波信号进行评价基于所述方向特定的声音传播特性在方向上具有选择性地执行该评价。
文档编号G01N29/26GK101421610SQ200680053890
公开日2009年4月29日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年1月27日
发明者A·布拉维诺夫, K·M·雷迪, M·克勒宁 申请人:弗劳恩霍弗应用技术研究院