一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及了一种工件的缺陷检测方法，尤其是设及了一种圆柱型工件内缺陷超 声背散射成像方法及装置。
【背景技术】
[0002] 轴类、椿材等圆柱型工件在国民经济和国防建设相关领域具有广泛的应用。在工 件的制造过程W及后续的使用过程中，都有可能在工件内部产生缺陷，如果不能及时的检 测出缺陷，将对人民的生命财产安全造成不可估量的后果。尽管无损检测技术种类众多，但 是由于超声无损检测技术的可靠性不断改善，加之其在安全性、适用性W及特征参量丰富 性等方面具有其他方法难W媳美的优势，该技术已成为无损检测领域应用最为广泛及蕴涵 巨大发展潜力的方法之一，并成为相关研究的热点。
[0003] 目前，工业用超声无损检测大多还停留在了解工件内是否有缺陷，或仅凭经验大 致判断缺陷的大小与位置的水平。近年来人们对超声无损检测提出了更高的要求，不仅要 知道缺陷的有无及其位置，还希望知道缺陷的大小、形状、方向、位置等，该样就有可能确定 缺陷的危害性大小和缺陷所在工件的可使用寿命。图像具有丰富的信息量，成像是一种理 想的实现缺陷定量化的技术手段，然而传统的超声成像技术（如超声B、C扫描成像技术） 是W射线理论为基础，忽略了超声换能器所发出声场的衍射效应，因此成像效果并不理想。
[0004] 虽然相控阵技术可在一定程度上有效地控制声束，使成像效果得到改善，但据国 内外相关文献报道，其成像结果与实际缺陷形状之间还是存在一定的差异，与此同时，超声 相控阵技术由于制造工艺W及检测系统的复杂性使其需要很高的检测成本，限制了其在工 业无损检测领域的推广。
【发明内容】
[0005] 针对传统超声成像技术存在的不足，本发明提出了一种圆柱型工件内缺陷超声背 散射成像方法及装置。根据超声波与缺陷相互作用后所产生的散射信号中包含大量有用信 息的客观事实，W波动理论为基础，利用检测声场与缺陷相互作用后产生的散射现象，建立 缺陷几何信息量与背散射信号之间的数学模型，在此基础上得到缺陷在圆柱型工件内的分 布图像，能在较低的检测成本下得到较好的缺陷成像效果，实现圆柱型工件内缺陷的定量 化无损检测。
[0006] 本发明采用的技术方案是：
[0007] -、一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法：
[000引 1)将超声换能器朝向垂直于圆柱型工件的中轴线放置，超声换能器与圆柱型工件 之间充有禪合剂，使得超声信号能够有效地传入工件中；
[0009] 2)将超声换能器围绕圆柱型工件的中轴线W均匀的间隔角度沿圆周旋转，每转过 间隔角度后向圆柱型工件发射入射信号，垂直入射到圆柱型工件内部经脉冲回波后被超声 换能器接收，获得缺陷背散射信号；
[0010] 3)当超声换能器围绕圆柱型工件的中轴线转动一周后，将每个角度下采集到的缺 陷背散射信号分别进行傅里叶变换，通过声场数值模拟方法对圆柱型工件内的声场分布进 行仿真，根据仿真结果对缺陷背散射信号的幅值进行补偿；
[0011] 4)将补偿后的缺陷背散射信号根据超声换能器围绕圆柱型工件中轴线旋转的极 坐标角度放置到相应的频域空间，再利用Gridding网格化方法进行插值处理，将在笛卡尔 坐标系下非均匀分布的缺陷背散射信号频域数据转换成均匀分布，最后利用快速傅里叶变 换方法得到缺陷成像。
[0012] 所述的步骤3)中对圆柱型工件内的声场分布进行仿真是具体利用声场数值模拟 方法（如多元高斯声束叠加法、角谱法、有限元法或瑞利积分法等）计算检测声场在圆柱型 工件内的分布，根据AULD互易理论采用W下公式对对缺陷背散射信号的幅值进行 补偿，得到修正后的缺陷背散射信号幅值：
[001引
【主权项】
1. 一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法，其特征在于： 1) 将超声换能器朝向垂直于圆柱型工件的中轴线放置，超声换能器与圆柱型工件之间 充有耦合剂，使得超声信号能够有效地传入工件中； 2) 将超声换能器围绕圆柱型工件的中轴线以均匀的间隔角度沿圆周旋转，每转过间隔 角度后向圆柱型工件发射入射信号，垂直入射到圆柱型工件内部经脉冲回波后被超声换能 器接收，获得缺陷背散射信号； 3) 当超声换能器围绕圆柱型工件的中轴线转动一周后，将每个角度下采集到的缺陷背 散射信号分别进行傅里叶变换，通过声场数值模拟方法对圆柱型工件内的声场分布进行仿 真，根据仿真结果对缺陷背散射信号的幅值进行补偿； 4) 将补偿后的缺陷背散射信号根据超声换能器围绕圆柱型工件中轴线旋转的极坐标 角度放置到相应的频域空间，再利用Gridding网格化方法进行插值处理，将在笛卡尔坐标 系下非均匀分布的缺陷背散射信号频域数据转换成均匀分布，最后利用快速傅里叶变换方 法得到缺陷成像。
2. 根据权利要求1所述的一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法，其特征在于： 所述的步骤3)中对圆柱型工件内的声场分布进行仿真是具体利用声场数值模拟方法（如 多元高斯声束叠加法、角谱法、有限元法或瑞利积分法等）计算检测声场在圆柱型工件内 的分布，根据AULD互易理论采用以下公式对对缺陷背散射信号的幅值进行补偿，得 到修正后的缺陷背散射信号幅值：
其中，)表示第i个入射方向下修正后的超声纵波散射幅值，歹为探头相对于坐 标系原点的位置矢量，、表示工件中的纵波波数，i表示入射方向的序数，纟表示第i个入 射方向的单位矢量，a表示超声波入射信号幅值，λ，μ分别为工件材料的第一、第二拉梅 常数，Λ λ，Λ μ分别表示工件材料和缺陷体材料的第一拉梅常数差和第二拉梅常数差， 外/'〇为用于描述缺陷形状特征函数的频域形式的形状因子，ρ表示工件材料密度，Λ ρ 表示工件和缺陷体材料的密度差，ω表示入射波的频率。
3. 根据权利要求1所述的一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法，其特征在于： 所述的步骤3)中的Gridding网格化方法包括：将极坐标分布下的缺陷背散射信号频域数 据空间划分为等间隔的直线网格单元，在单个网格单元内的所有缺陷背散射信号频域数据 的代数和为该网格单元赋值，将笛卡尔坐标下非均匀分布缺陷背散射数据S (kx，ky)转换成 均匀分布的数据
式中，W(kx，ky)表示采样密度补偿函数，C(kx，ky)表示卷积函数，R(k x，ky)为笛卡尔坐 标下的采样函数；匕和k y分别表示频域内数据的横坐标和纵坐标的坐标位置； 修正后的缺陷背散射信号幅值通过以下公式的傅里叶逆变换获取得到缺陷的形状信 息；
其中，Ρ(Ρ，λ，μ) = (Λρ/Ρ)-(Λλ+2Λμν(λ+2μ)，P 表示工件材料密度， Δ P表示工件和缺陷体材料的密度差，Jci)为第i个入射方向下修正后的超声纵波散 射幅值。
4. 根据权利要求1所述的一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法，其特征在于： 所述的步骤4)中的快速傅里叶变换方法具体采用以下公式计算：
其中，γ (X，y)为用于描述缺陷形状的特征函数。
5. 根据权利要求1所述的一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法，其特征在于： 所述的耦合剂采用水或者油。
6. 根据权利要求1所述的一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法，其特征在于： 所述的声场数值模拟方法采用多元高斯声束叠加法。
7. 根据权利要求1所述的一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法，其特征在于： 所述步骤4)后进一步将所述超声换能器沿着圆柱型工件的中轴线方向移动，对于圆柱型 工件各个横截面重复上述步骤2~4)的成像过程，得到各个横截面的缺陷图像，将各个横 截面的缺陷图像进行叠加得到圆柱型工件中缺陷的三维图像信息。
8. 根据权利要求1所述的一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像装置，其特征在于： 包括超声换能器（1)、旋转机构、步进电机（11)、步进电机控制器、超声探伤仪、数据采集 卡；超声换能器（1)放置圆柱型工件的侧方，并朝向垂直于圆柱型工件（2)中轴线，超声换 能器（1)与圆柱型工件（2)之间充有耦合剂（3)，超声换能器（1)分别连接旋转机构和超声 探伤仪，旋转机构连接步进电机（11)，步进电机控制器连接步进电机（11)进行控制，探伤 仪连接数据采集卡，步进电机控制器、超声探伤仪和数据采集卡均连接到工控机。
9. 根据权利要求8所述的一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像装置，其特征在于： 所述的旋转机构包括小同步带轮（10)、大同步带轮（8)、升降杆（14)、主轴（7)、转盘（13) 和升降杆（14)，步进电机（11)通过电机支架（12)固定安装在机架上，步进电机（11)的电 机轴与小同步带轮（10)相联接，并通过同步带（9)带动大同步带轮（8)旋转，大同步带轮 (8)固定在主轴（7)上，主轴（7)与转盘（13)通过螺钉（6)刚性联接，转盘（13)侧面安装 有升降杆（14)，将超声换能器⑴固定在升降杆（14)上。
【专利摘要】本发明公开了一种圆柱型工件内缺陷超声背散射成像方法及装置。将超声换能器朝向垂直于圆柱型工件的中轴线放置，超声换能器与圆柱型工件之间充有耦合剂；将超声换能器沿中轴线旋转，每转角度发射入射信号，经脉冲回波后接收，获得缺陷背散射信号；转动一周后，每个信号分别进行傅里叶变换，通过声场数值模拟方法对进行仿真，对缺陷背散射信号的幅值进行补偿；补偿后放置到相应的频域空间，再用Gridding网格化方法插值处理，用快速傅里叶变换方法得到缺陷成像，可将一系列的缺陷图像叠加得到三维图像信息。本发明检测成本较低，操作简单，易于实现自动化，可广泛应用于圆柱型工件及材料的自动化、定量化检测中。
【IPC分类】G01N29-06, G01N29-44, G01N29-265, G01N29-46
【公开号】CN104749253
【申请号】CN201510111599
【发明人】周红明, 金挺, 茅振华, 余松青, 周闻青
【申请人】浙江省计量科学研究院
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月14日