矢量相控陣超聲檢測的製作方法

2023-10-09 11:01:54

專利名稱：矢量相控陣超聲檢測的製作方法
技術領域：
本發明涉及超聲波檢測技術，尤其是相控陣超聲檢測方法。
技術背景超聲檢測時往往需要對物體內某一區域進行成像，為此，必須進行聲束掃描。常贈目控陣超聲檢測是通過控制換能器陣中各個陣元激勵(或接收)脈沖的 時間延遲，改變由各陣元發射(或接收)聲波到達(或來自)物體內某點時的相位 關係，實現聚焦點和聲束方位的變化，從而完成相控波束合成，形成成像掃描 線技術，原理如圖1所示。相控陣超聲檢測成像的解析度是檢測成像的重要指標，是衡量系統檢測能 力的重*據，因此也是國內外相控陣研究者不懈努力追求的目標。對比度解析度表徵檢測成像中缺陷與背景在色彩上的最小差異，是圖像上 能夠檢測出的回波幅度的最小差別，該指標越好，圖像越細膩柔和，細節信息 越豐富。對比度解析度主要是由檢測系統的信噪比和AD採樣的精度位數所決 定，系統信噪比、AD (模數)採樣的精度越高得到的對比度解析度也越好。其 中檢測系統的信噪比與多個因素相關，包括激勵頻率、換能器靈敏度、發射功 率以及接收放大器增益等。工程實際中，缺陷的超聲檢測有兩個問題需要解決。 首先對於晶粒粗大或聲衰減較大的材料，如鑄鐵、鈥合金、複合材料的檢測， 由於聲能量在晶界的反射以及散射作用而使得聚焦區域的聲能密度較低，接收 到的回波信號較弱，甚至淹沒在強背景噪聲中無法識別；還有一種情況就是對 小缺陷檢測能力的要求日益提高，使得對系統的信噪比要求更高，在焦點處要 求有更高的聚焦增益。實質上，解決這兩個問題的關鍵就是如何提高信噪比，信噪比直接影響著檢測成像中對比度解析度。相控陣技術的出現，利用其陣列 換能器、大孔徑發射以及動態偏轉聚焦的特點在一定程度上提高了檢測系統的 信噪比，提高了成像的對比度解析度，但對於高衰減材料中檢測小缺陷仍存在 聚焦增益(聲能密度)不足、信噪比不夠。軸向解析度表徵空間軸向辨別兩個目標的能力。在回波信號形狀上我們可以將軸向解析度理解為在系統的衝激響應條件下，實際回波信號經過HILBERT 變換後時域上信號(波形包絡)的-3dB或-6dB寬度。在常 目控陣檢測中，由 於相千疊加時的相位誤差影響會使回波包絡變寬，從而降低檢測的軸向解析度。發明內容解決問題工程實際中，缺陷的超聲檢測有兩個問題需要解決。首先對於 晶粒粗大或聲衰減較大的材料，如鑄鐵、鈥合金、複合材料的檢測，由於聲能 量在晶界的反射以及散射作用而使得聚焦區域的聲能密度較低，接收到的回波 信號較弱，甚至淹沒在強背景噪聲中無法識別；還有一種情況就是對小缺陷檢 測能力的要求日益提高，使得對系統的信噪比要求更高，在焦點處要求有更高 的聚焦增益。在常 目控陣檢測中，由於相干疊加時的相位誤差影響會使回波 包絡變寬，從而降低檢測的軸向解析度。本發明的目的就是提供一種相控陣超 聲檢測的新方法——矢量相控陣超聲檢測，該方法較常規相控陣檢測能夠得到 更高的信噪比並且提高檢測軸向解析度。技術方案為實現以上目的，本發明特提出以下技術方案對於給定的聚焦點或偏轉方向，由聲壓根據聚焦點與相控陣列中各陣元的 位置關係可以 一種矢量相控陣超聲檢測的方法，一種矢量相控陣超聲檢測的方法，其特徵是利用不同頻率超聲波在空間 的非相干疊加來實現聚焦。一種矢量相控陣超聲檢測的方法，其特徵是對於設定的聚焦點或偏轉方 向根據聲壓-距離-頻率關係來確定矢量相控參數，主要包括相控陣列中各陣元的頻率和相位。技術效果理論分析和實驗證明適當調整陣列中各陣元激勵頻率和相位可 以獲取更高的回波幅值，得到更高的信噪比從而提高成像對比度；同時對波形 有所改善，使回波包絡更加尖銳， 一定程度改善了軸向解析度。理論分析得出 在聲衰減較大的材料中近場檢測條件下，聲壓幅值增加和回波波形包絡銳化的 效果更好，對比度解析度和軸向解析度提高更大。
具體實施方式
相控陣超聲檢測的Wl是相控波動疊加。在工業相控陣檢測中，聲波的初 始聲壓較小，亦即質點的振動速度較小，馬赫數遠小於l，並且疊加過程中的 相互擾動等的作用也4艮小，也就是說，此時無論相干疊加還是非相干波動疊加 的過程都滿足小振幅波動線性疊加原理。超聲信號是能量有限的有限長度的脈沖串。矢量疊加和常糾目千疊加區別 如圖2所示，其中頻率高的幅值也較大，頻率低的幅值較低。左上圖是不同頻 率不同幅度的若干阻尼序列，左下圖是非相千疊加的結果；右上圖是同頻不同 幅度的阻尼序列，右下圖是相應的疊加結果，出現相干疊加的穩定幹涉條紋。 可以看到，不同頻率疊加與相同頻率疊加在各陣元對應聲壓幅值相同的情況下， 疊加之後的峰值是相同的，但波形明顯不同。非相干疊加在除設定位置處穩定 疊加增強，其餘位置非穩定疊加的結果是趨向於零，而相干疊加的峰值是周期 出現的。這樣得到的脈衝回波包絡形狀，非相干疊加結果較相千疊加結果趨向 於尖銳化。對超聲衰減特徵告訴我們對於一定的位置關係，只有在某個頻率條件下才 能獲得最大聲強。在相對位置r (圖中ri<r2)確定後，聲壓P與頻率f的關係 示意如圖3;距離越大，聲壓最大處的頻率越低。這也就是為什麼在檢測距離 較大的情況下選擇較低的頻率，而在檢測近的區域用較高頻率的原因。距離對聲壓的影響主要是兩個方面 一是波陣面擴大引起的擴散衰減；二 是吸收和散射的距離積累效應。聲壓P與距離r的關係如圖4所示，距離增大,聲壓降低。綜合考慮衰減和頻率以W巨離的關係，影響聲壓的因素有三部分距離的 增加導致聲壓降低；頻率的增加，距離較小時聲壓逐漸增加，頻率繼續增加， 材料衰減作用導致聲壓降低。相控陣列中各陣元與場點之間的位置關係不同， 距離也不同，4艮據陣元距離場點距離不同對應不同的最優頻率，再才艮據聚焦方 向和位置可以得到所需的相位關係。


圖l相控陣超聲檢測聚焦和偏轉圖2矢量相控陣非相干疊加與相干疊加特徵對比圖3不同距離聲壓和頻率的關係圖4聲壓和距離關係
權利要求
1、一種相控陣超聲波檢測技術，其特徵是利用不同頻率、相位的矢量脈衝超聲波在空間的非相干疊加來實現聚焦和偏轉。
2、 如權利要求1所迷的相控陣超聲波檢測技米，其特徵是對於設定的 聚焦點及偏轉方向棖據聲壓-距離_頻率關係來確定矢量相控陣參數。
3、 如權利要求1所述的相控陣超聲波檢測技術，矢量相控陣參數包括相 控陣列中各昧元激發脈沖的矢量特徵頻率和相位。
全文摘要
本發明的目的就是提供一種相控陣超聲檢測的新方法——矢量相控陣超聲檢測，該方法較常規相控陣檢測能夠得到更高的信噪比並且提高檢測軸向解析度。相控陣超聲檢測成像的解析度是檢測成像的重要指標，是衡量系統檢測能力的重要依據，為實現以上目的，對於設定的聚焦點或偏轉方向根據聲壓-距離-頻率關係來確定矢量相控參數，主要包括相控陣列中各陣元的頻率和相位；利用不同頻率超聲波在空間的非相干疊加來實現聚焦。
文檔編號G01N29/34GK101334384SQ20071011805
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月28日 優先權日2007年6月28日
發明者春 彭, 波 彭, 敏 王 申請人:碩德(北京)科技有限公司