基于费马原理的棒材超声线型阵列成像检测方法与流程

本发明涉及小直径棒材相控阵超声纵波成像无损检测领域，更具体地涉及一种基于费马原理采用相控阵超声线型阵列进行棒材超声纵波成像检测的方法。

背景技术：

小直径棒材是航空航天关键零部件、重要连接结构螺栓、风洞天平、高压接头、阀门、等零部件的重要原材料，对其通常采用直接接触法和水浸法进行超声纵波无损检测。普通直探头直接接触法对小直径棒材进行纵波检测示意图，如图1所示。由于小直径棒材曲率半径较小，若用普通直探头以直接接触法周面径向入射纵波检测时，耦合差，近表面分辨率有限，棒材往往完全处在近场区内，并且表面变型波也会产生很强的干扰，信噪比低，甚至始波占宽能达到棒材半径以上。若探头位置稍有偏差就会造成声束在棒材中偏转和散射，信噪比降低，甚至导致无法接收到回波信号。由于以上种种原因使用普通直探头直接接触法对小直径棒材进行纵波检测难度极大。而水浸超声法虽然克服了直探头直接接触法耦合差、检测盲区大、杂波多、信噪比低等缺点，但水浸超声往往需要较大的水箱及自动控制系统操探头和工件(滚动棒材进行B扫成像)，如图2所示，不利于现场检测，对所检测棒材长度尺寸的限制也较大，而且长时间水浸棒材会不程度的受到腐蚀。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种基于费马原理的棒材超声线型阵列成像检测方法，其能够快捷地获得棒材高分辨率的直观成像，提高检测效率。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于费马原理的棒材超声线型阵列成像检测方法，包括以下步骤：

1)利用相控阵线型阵列和用于线型阵列耦合棒材的楔块；所述线型阵列的阵元数量为n、阵元宽度为e、阵元间距为d；并根据实际超声时域参数，设置频率为f的超声脉冲信号；

2)建立小直径棒材的二维周向截面模型，并在模型中设置所述楔块和圆形孔缺陷的直径、位置；

3)依次激发1～n阵元，获得n个A扫描信号，每个A扫描信号时域数据形成一个txt文件，共获得n个txt文件；读取这n个txt文件形成n列数据矩阵A；

4)依据1～n阵元与所述圆孔形缺陷的相对位置，根据费马原理计算1～n阵元激发的超声波到达缺陷位置的最短传播时间，并计算各阵元相对延迟时间，1～n阵元时间延迟形成n行延迟时间矩阵B；

5)将矩阵A中1～n列数据根据矩阵B中1～n行延迟时间数据分别做延迟处理，形成延迟后的数据矩阵C；

6)将矩阵C中从第1列数据开始的每i列数据，即1～i、2～i+1、3～i+2……49～i+48列数据进行叠加，形成n-i+1组具有偏转聚焦效果的A扫描时域信号；

7)将n-i+1组A扫描时域信号，进行Hilbert变换，并根据声束传播的最短传播时间产生的传播路径依次进行排列，形成棒材的B扫描图像，图像中各成像点的幅值极大值位置即为各成像点位置。

优选的是，在所述步骤2)中利用时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)超声模拟软件WAVE建立所述棒材的二维周向截面模型。

优选的是，所述步骤1)中，所述楔块为Rexolite的聚苯乙烯材料，所述楔块的密度例如为1050kg/m³，声速例如为2326m/s。

优选的是，所述线型阵列的阵元信号源为超声高斯正弦脉冲信号。

优选的是，所述步骤3)中利用电子扫查方式依次激发1～n阵元，用MATLAB软件读取n个阵元产生的n个A描信号txt文件形成n列数据矩阵A。

优选的是，所述步骤4)各阵元相对延迟时间中，1和n阵元时间延迟最小，中间阵元时间延迟最大。

优选的是，线型阵列各子阵元发射的超声波到缺陷的最短传播时间T_i利用公式(1)(2)(3)计算获得：

其中，

d为阵元间距

c₁、c₂为介质1、2中的声速。

本发明至少包括以下有益效果：本发明所述基于费马原理适用于棒材的超声线型阵列成像检测方法可根据线型阵列n个子阵元与缺陷的相对位置，依据费马原理计算各个子阵元发射的声波传播到缺陷的最短时间，根据各个子阵元的超声时域信号传播时间设置各阵元的相对延迟时间，将n个时域信号做延迟处理，并依次将每i组A扫描信号进行叠加形成具有偏转聚焦效果的n-i+1组A扫描信号，最后将n-i+1组A扫描信号根据传播路径进行排列，形成棒材的B扫描图像。该方法解决了小直径棒材超声直接接触法信噪比低、杂波多、耦合不好的缺点，以及水浸法纵波检测需要自动控制系统操控探头、滚动棒材、不利于现场实施的缺点。本发明利用安装在探头上线型阵列以及楔块，利用楔块接触棒材，不仅可实现声束直射到缺陷，克服直探头直接接触耦合差的问题，又能快速实现B扫描成像，而不需要机械和自动设备，方便快捷地获得棒材高分辨率的直观成像，提高检测效率，具有良好的推广和应用前景。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为现有技术中小直径棒材普通直探头直接接触法检测示意图示出正常接触；

图2为现有技术中小直径棒材普通直探头直接接触法检测示意图示出偏离接触；

图3为现有技术中小直径棒材的水浸超声检测装置示意图；

图4为本发明其中一个实施例所述基于费马原理的棒材超声线型阵列成像检测方法的示意图；

图5是费马原理的延迟时间计算原理图；

图6是本发明其中一个实施例在WAVE软件中设置的检测模型示意图；

图7是本发明其中一个实施例所述基于费马原理的棒材超声线型阵列成像检测方法的棒材位置-幅值三维成像；

图8示出了本发明其中一个实施例所述基于费马原理的棒材超声线型阵列成像检测方法的棒材B扫描图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

费马原理即声波在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。依据此原理，如图5所示，并根据公式(1)(2)(3)，未知量仅为x_b，因此可计算线型阵列各子阵元发射的超声波到缺陷的最短传播时间T_i，并可分别计算各阵元延迟时间。根据各子阵元延迟时间分别将各子阵元的A扫描信号做延迟处理，并将以每i个A扫描信号进行叠加，形成n-i+1个具有偏转聚焦效果的A扫描信号。对此n-i+1个A扫描信号进行Hilbert变换，将射频信号转变为包络信号。将n-i+1组包络信号根据声束的传播路径依次进行排列，形成棒材的B扫描图像，图像中各成像点的幅值极大值位置即为各成像点位置。

其中，

d为阵元间距

c₁、c₂为介质1、2中的声速。

如图4所示，本发明提供一种基于费马原理的棒材超声线型阵列成像检测方法，包括以下步骤：

(1)利用相控阵线型阵列和用于线型阵列耦合棒材的楔块；根据实际相控阵线型阵列参数，设置阵元数量为n、阵元宽度为e、阵元间距为d的线型阵列，并根据实际超声时域参数，设置频率为f的高斯正弦脉冲信号；

(2)在时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)超声模拟软件WAVE中建立小直径棒材的二维周向截面模型，并在模型中设置圆形孔缺陷的直径、位置，并设置用于线型阵列耦合棒材的楔块；

(3)按电子扫查方式依次激发1～n阵元，获得n个A扫描信号，每个A扫描信号时域数据形成一个txt文件，共获得n个txt文件；

(4)在MATLAB软件里读取这n个txt文件形成n列数据矩阵A；

(5)依据1～n阵元与缺陷的相对位置，根据费马原理计算1～n阵元激发的超声波到达缺陷位置的最短传播时间，并计算各阵元相对延迟时间，1和n阵元时间延迟最小(等于0)，中间阵元时间延迟最大，1～n阵元时间延迟形成n行延迟时间矩阵B；

(6)将矩阵A中1～n列数据根据矩阵B中1～n行延迟时间数据分别做延迟处理，形成延迟后的数据矩阵C；

(7)将矩阵C中从第1列数据开始的每i列数据，即1～i、2～i+1、3～i+2……49～i+48列数据进行叠加，形成n-i+1组具有偏转聚焦效果的A扫描时域信号；

(8)将n-i+1组A扫描时域信号，进行Hilbert变换，并根据声束传播的最短传播时间产生的传播路径依次进行排列，形成棒材的B扫描图像，图像中各成像点的幅值极大值位置即为各成像点位置。

实施例1

以在WAVE软件中设置棒材100直径Φ30，中心设置Φ2圆孔缺陷101为例，本发明所述基于费马原理的棒材超声线型阵列成像检测方法，步骤如下：

(1)在WAVE软件中建立棒材二维检测模型，如图6所示，设置模型的尺寸为30×45mm²，棒材直径为Φ30，介质为碳钢，密度为7900kg/m³，声速为5900m/s。设置线型阵列与棒材间的楔块200介质为Rexolite的聚苯乙烯材料，密度为1050kg/m³，声速为2326m/s。在棒材中心设置模型Φ2圆孔缺陷，介质为空气。此模型底面设置为刚性边界201，其余三面为吸收边界202。

(2)在模型正上方设置线型阵列，阵列参数为64阵元，阵元宽度为0.55mm，阵元间距为0.6mm。信号源设置为中心频率为5MHz的高斯正弦脉冲信号，此模型计算时间间隔为0.0028μs，10598步。

(3)按电子扫查方式依次激发1～64阵元，并接收1～64各个阵元回波信号，产生64个A扫描时域信号的txt文件。

(4)依据公式(1)(2)(3)计算各阵元产生的声波传播到缺陷的最短时间，计算延迟时间，形成延迟时间64行延迟时间矩阵B。

(5)在MATLAB软件中读取步骤(3)中的64个txt文件，形成64列数据矩阵A，并读取矩阵B，利用延迟函数delayseq依次对矩阵A各列根据矩阵B各行延迟时间进行延迟，产生新矩阵C。将矩阵C中的1～16、2～17……49～64列数据进行叠加，产生具有49列数据的矩阵D。并将矩阵D中各列数据做Hilbert变换，形成矩阵H。

(6)根据D中各列数据的传播路径，计算矩阵H水平位置矩阵X、深度位置矩阵Y，根据矩阵H、X、Y绘图形成位置-幅值的三维图像和B扫描图像。如图7所示，位置-幅值的三维图像中个成像点依次为始发脉冲成像701、棒材表面成像702、缺陷成像703和棒材底面成像704。如图8所示，各成像点依次为始发脉冲成像801、棒材表面成像802、缺陷成像803和棒材底面成像804，其幅值最大值位置即为各成像点位置。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。