CN104698089A - 一种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术 - Google Patents

Abstract

一种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术，属于超声无损检测技术领域。这种传播技术在二维截面模型中设置裂纹的长度、宽度、倾角和位置，用相控阵线阵探头的信号参数，在模型中设置一个阵元数为N的探头，根据相控阵全捕捉信号采集，形成N²个代表A扫描信号的TXT文件，利用软件读取TXT文件，得到裂纹的TFM图像，再利用MATLAB软件在图像中找出裂纹上尖端坐标点(x_R，z_R)和下尖端的坐标点(x_D，z_D)，计算出裂纹的长度δ和倾角γ。该传播技术解决了传统相对时间传播技术倾斜裂纹定量精度差、无法测量裂纹倾角的问题。此外，该传播技术还能对裂纹进行直观成像，并能够对裂纹进行准确定位。为进一步提高工件中裂纹的定量精度提供解决方法，具有良好的推广及应用前景。

Description

一种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术

技术领域

本发明涉及一种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术，解决传统相对时间传播技术难以对倾斜裂纹进行直观成像和精确定量、定位的问题，涉及超声无损检测技术领域。

背景技术

裂纹是材料与结构中最常见、危害性最大的缺陷类型之一。正确判断裂纹的长度、取向和位置等缺陷特征，对工件的安全性评价具有十分重要的意义。作为一种超声无损检测方法，传统相对传播时间技术(relative arrival time technique，RATT)以其准确、优异的垂直裂纹定量能力，在缺陷无损检测与评价领域内得到了广泛应用。

然而，如公式(1)所示的传统RATT裂纹长度数学表达式中，通常假设裂纹取向垂直于被检工件底面，忽略了裂纹取向对定量结果的影响。然而实际工件中裂纹取向并非一定垂直于工件底面，对于倾斜裂纹，B扫描图像中上尖端和下尖端衍射回波的相对位置会随裂纹取向的变化而改变，进而引起两个回波之间时间差的改变，导致公式(1)中出现计算误差，影响裂纹的定量精度。尽管R.Hoseini等人根据上、下尖端衍射回波之间的相对位置修正了裂纹长度的数学表达式，一定程度上提高了倾斜裂纹的定量精度，但是，受B扫描成像限制，这种改进的RATT仍然无法对倾斜裂纹进行直观成像，而且定量误差相对较高，还无法对取向平行于声波入射方向(γ＝-θ)的裂纹进行定量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术，解决传统相对时间传播技术难以对倾斜裂纹进行直观成像和精确定量、定位的问题。具有良好的推广及应用前景。

本发明采用的技术方案是：一种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术，包括如下步骤：

(1)在时域有限差分超声数值仿真平台中建立被检工件的二维截面模型，并在模型中设置裂纹的长度、宽度、倾角和位置；

(2)依据实际相控阵线阵探头的阵元数、阵元尺寸、中心间距和时域脉冲信号参数，在模型中设置一个阵元数为N的探头；

(3)根据相控阵全捕捉信号采集，按照1～N号顺序逐次激发阵元，每次激发后，裂纹的声波反射信号被全部N个阵元接收，最终，形成N个A扫描信号，并存储于N个TXT文件中，这样，N个阵元逐次激发后，共计形成N²个代表A扫描信号的TXT文件；

(4)利用MATLAB软件读取N²个TXT文件，将文件中的N²个A扫描信号保存在FMC矩阵H中，并利用基于全聚焦算法的程序对H进行图像重建，得到裂纹的TFM图像；

(5)获得TFM图像后，利用MATLAB软件在图像中分别找出裂纹上、下尖端回波中幅值最大的坐标点(x_R，z_R)和(x_D，z_D)；

(6)确定(x_R，z_R)和(x_D，z_D)后，根据两点间距离公式以及两点确定的线段与法线之间的两直线夹角公式计算出裂纹的长度δ和倾角γ，最终实现裂纹的定量，同时，利用全聚焦图像中裂纹的上、下坐标点位置实现对裂纹的精确定位。

本发明的效果和益处是：这种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术在二维截面模型中设置裂纹的长度、宽度、倾角和位置，依据实际相控阵线阵探头的信号参数，在模型中设置一个阵元数为N的探头，根据相控阵全捕捉信号采集，按照1～N号顺序逐次激发阵元，共计形成N²个代表A扫描信号的TXT文件，利用MATLAB软件读取N²个TXT文件，得到裂纹的TFM图像，再利用MATLAB软件在图像中找出裂纹上尖端回波中幅值最大的坐标点(x_R，z_R)和下尖端回波中幅值最大的坐标点(x_D，z_D)，根据两点间距离公式以及两点确定的线段与法线之间的两直线夹角公式，计算出裂纹的长度δ和倾角γ。该传播技术，解决了传统相对时间传播技术倾斜裂纹定量精度差、无法测量裂纹倾角的问题。此外，本发明提及的技术还能对裂纹进行直观成像，并能够对裂纹进行准确定位。为进一步提高工件中裂纹的定量精度提供解决方法，具有良好的推广及应用前景。

附图说明

图1是传统相对时间传播技术的裂纹定量原理(a)扫描过程；(b)时间差τ_P的读取。

图2是相控阵全聚焦图像成像的原理。

图3是利用全聚焦图像计算裂纹长度δ和倾角γ的原理。

图4是时域有限差分模型和裂纹的示意图。

图5是高斯脉冲拟合波形及主频(a)时域波形曲线；(b)频谱曲线。

图6是不同取向裂纹的全聚焦图像(a)0°，(b)15°，(c)30°，(d)45°，(e)60°，(f)75°。

图7是不同取向裂纹的长度δ和倾角γ计算结果(a)0°，(b)15°，(c)30°，(d)45°，(e)60°，(f)75°。

具体实施方式

传统RATT的基本原理如图1所示。由图1(a)可知，位于裂纹左侧的相控阵探头通过适当的延时聚焦法则，使声波以入射角θ射入工件。声波到达裂纹上尖端和下尖端的最短声程由线段AB和线段CD表示。相应地，如图1(b)所示的B扫描图像中，裂纹上尖端和下尖端衍射回波的位置关系由声程AB和CD决定。根据上尖端和下尖端衍射回波中最大幅值点对应的到达时间τ_D和τ_R，算得超声波到达裂纹上尖端和下尖端的声程cτ_R/2和cτ_D/2，然后利用图1(a)中的几何关系，由公式(1)算得裂纹的长度δ。

$\mathrm{\δ}=(\mathrm{CD}-\mathrm{AB})\cos \mathrm{\θ}=\frac{c({\mathrm{\τ}}_R-{\mathrm{\τ}}_D)\cos \mathrm{\θ}}{2}=\frac{{\mathrm{c\Δ\τ}}_P\cos \mathrm{\θ}}{2}---\left(1\right)$

其中c为介质中的声速，△τ_P为τ_R和τ_D的差值，即上、下尖端回波之间的时间差。

作为一种新型的相控阵超声成像技术，基于全矩阵捕捉(Full Matrix Capture，FMC)信号采集的全聚焦(Total Focusing Method，TFM)成像算法近年来得到了越来越多的关注。FMC是一种基于独立接收-发射相控阵探头的超声信号采集技术，其原理以4阵元线阵为例，1、2、3、4号阵元作为发射探头按照步骤1、2、3、4逐次激发垂直于工件底面的超声波。每个步骤中，单个阵元发射的超声时域信号，经过检测目标后，反射信号被所有阵元接收，形成4个A扫描信号，这样，4个步骤共计形成4²个A扫描信号。对阵元数为N的线阵探头而言，FMC过程共采集N²个A扫描信号，并保存在矩阵H中，记作FMC矩阵。相比用于合成B扫描图像的A扫描信号，FMC矩阵中包涵了多个独立接收-发射阵元从不同方位采集到的A扫描信号，能够获得更为全面的裂纹特征信息。

全聚焦成像的过程和原理如图2所示，首先将被检区域离散化为m×n个方形网格点，并将每个网格点等价为一个聚焦单元。根据公式(2)，计算由阵元i发射经过网格点(x，z)并为阵元j接收的信号传播时间。利用公式(3)对该信号进行延时处理，得到网格点(x，z)的幅值。利用循环对网格点(x，z)上在所有N²个发射-接收组合上的幅值进行求和，求得幅值I(x，z)，并利用不同的颜色表示幅值I(x，z)的强弱。

$t=\frac{\sqrt{{(x_{\mathrm{tx}}-x)}^2+z^2}+\sqrt{{(x_{\mathrm{rx}}-x)}^2+z^2}}{c_l}---\left(2\right)$

式中，c_l为介质的纵波声速，x_tx为发射阵元的位置，x_rx为接收阵元的位置，x为图像的横坐标，z为图像的纵坐标。

$I(x,z)=\left|\mathrm{\ΣH}\left(\frac{\sqrt{{(x_{\mathrm{tx}}-x)}^2+z^2}+\sqrt{{(x_{\mathrm{rx}}-x)}^2+z^2}}{c_l}\right)\right|---\left(3\right)$

式中，H(t)为Hilbert变换，其作用是将时域信号转化为包络信号。

全聚焦成像后，形成如图3所示的高分辨率图像。与B扫描图像不同，TFM图像能够还原裂纹在工件中的真实位置，使裂纹直观地呈现于图像中。进一步地，根据图像中裂纹上尖端衍射回波坐标(x_R，z_R)和下尖端衍射回波坐标(x_D，z_D)，即可计算出裂纹的长度δ和裂纹的倾角γ，实现裂纹的定量，计算方法如公式(4)和(5)所示。同时，根据TFM图像中的(x_R，z_R)和(x_D，z_D)的位置，还能够实现对裂纹的精确定位。

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{(x_R-x_D)}^2+{(z_R-z_D)}^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{x_R-x_D}{z_R-z_D}\right)---\left(5\right)$

一种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术，用于倾斜裂纹成像和精确的裂纹定量、定位，以时域有限差分数值平台中二维模型中长度5mm的埋藏型裂纹为例，包括步骤如下：

(1)为模拟具有独立发射-接收阵元功能的相控阵系统采集工件中裂纹全捕捉矩阵H的过程，在时域有限差分超声数值平台中建立被检工件的二维截面模型。如图4所示，模型的尺寸为60×25mm²，模型的材质设置为碳钢，其密度为7900kg/m³，纵波声速为5900m/s，横波声速为3200m/s。模型下端设置为固体-真空边界，其余位置设置为吸收边界。在模型中设置宽度为0.4mm、长度为5.0mm矩形槽，以等效表示裂纹。槽的中心深度为15mm，倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°，共计6个角度；

(2)参照实际，在模型上方设置一个64阵元相控阵线阵探头，阵元尺寸为0.55mm，阵元中心间距为0.6mm。选用高斯脉冲拟合波形作为声源，A扫描波形如图5(a)所示，FFT之后的频谱特征如图5(b)所示，可知，其主频为5.19MHz。模型的计算间隔为0.078μs/步，共计算1542步，计算时间总计为12μs。

(3)根据相控阵全捕捉信号采集的定义，按照1～64号顺序逐次激发阵元。每次激发后，裂纹的声波反射信号被全部64个阵元接收。相控阵阵列中的每个阵元被激发后，声波经过裂纹后，被阵列中全部64个阵元接收，形成64个A扫描信号，并存储于64个TXT文件中。这样，64个阵元逐次激发后，共计形成64²个代表A扫描信号的TXT文件；

(4)利用MATLAB软件读取64²个TXT文件，并将文件中的64²个A扫描信号保存在FMC矩阵H中，并利用基于公式(2)、(3)的MATLAB程序对H进行缺陷图像重建，得到如图6所示的全聚焦图像；

(5)全聚焦成像后，利用MATLAB软件在图像中找出裂纹上、下尖端衍射回波幅值最大的坐标点(x_R，z_R)和(x_D，z_D)。并根据(x_R，z_R)和(x_D，z_D)两点间距离公式(4)计算裂纹的长度δ，同时，利用(x_R，z_R)和(x_D，z_D)确定的线段与法线的夹角求得裂纹倾角γ；

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{(x_R-x_D)}^2+{(z_R-z_D)}^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{x_R-x_D}{z_R-z_D}\right)---\left(5\right)$

(6)经测量，不同取向倾斜裂纹的上尖端和下尖端衍射回波坐标坐标如图7所示。根据上述坐标，算得0°、15°、30°、45°、60°、75°倾斜裂纹长度δ和倾角γ如表1所示。结果表明，裂纹长度δ计算值对应的误差范围为0.01～0.11mm，裂纹倾角γ计算值对应的误差范围为0.00°～6.11°，均能够满足工程应用标准。全聚焦图像中测得的裂纹上、下尖端坐标点设定值和超声测量值如表2所示，表明利用本发明可实现裂纹的精确定位。

表1 裂纹长度δ和倾角γ的设定值和超声测量值对比

表2 裂纹上、下尖端坐标的设定值和超声测量值对比

Claims (1)

1.一种适用于倾斜裂纹定量和成像的超声相对时间传播技术，其特征是：包括如下步骤：

(1)在时域有限差分超声数值仿真平台中建立被检工件的二维截面模型，并在模型中设置裂纹的长度、宽度、倾角和位置；

(2)依据实际相控阵线阵探头的阵元数、阵元尺寸、中心间距和时域脉冲信号参数，在模型中设置一个阵元数为N的探头；

(3)根据相控阵全捕捉信号采集，按照1～N号顺序逐次激发阵元，每次激发后，裂纹的声波反射信号被全部N个阵元接收，最终，形成N个A扫描信号，并存储于N个TXT文件中，这样，N个阵元逐次激发后，共计形成N²个代表A扫描信号的TXT文件；

(4)利用MATLAB软件读取N²个TXT文件，将文件中的N²个A扫描信号保存在FMC矩阵H中，并利用基于全聚焦算法的程序对H进行图像重建，得到裂纹的TFM图像；

(5)获得TFM图像后，利用MATLAB软件在图像中分别找出裂纹上、下尖端回波中幅值最大的坐标点(x_R，z_R)和(x_D，z_D)；

(6)确定(x_R，z_R)和(x_D，z_D)后，根据两点间距离公式 $\mathrm{\δ}=\sqrt{{(x_R-x_D)}^2+{(z_R-z_D)}^2}$ 以及两点确定的线段与法线之间的两直线夹角公式计算出裂纹的长度δ和倾角γ，最终实现裂纹的定量，同时，利用全聚焦图像中裂纹的上、下坐标点位置实现对裂纹的精确定位。