一種識別裂紋方向的方法與流程
2023-05-29 10:28:01 1
本發明涉及超聲檢測與成像技術領域，尤其涉及一種識別裂紋方向的方法。
背景技術：
在材料表面積聚的應力往往會使材料表面形成極為微小的表面裂紋或亞表面裂紋，其寬度可小至微米量級。這些隱藏在材料和結構件表面或亞表面的極為微小的裂紋在應力或環境(或兩者同時)作用下，會繼續生長，使工件的機械性能明顯變差，而若裂紋沿工件的厚度較薄的方向擴展到一定程度，則會造成工件的斷裂。同時又因其尺寸微小，通常又比可見裂紋更具隱蔽性和危險性。因此，為了實現對材料結構安全性的預警，所使用的無損檢測方法必須具有可以檢出此類裂紋的檢測能力，尤其是可以檢測裂紋的方向。
超聲相控陣技術是近年發展起來的一種超聲無損檢測技術。該技術能有效地提高檢測速度和檢測信號的信噪比，具有快速、可靠、準確等特點。超聲相控陣掃描採用電子技術控制超聲換能器各陣元激勵脈衝的時延和幅度，產生形狀和方向電子可調的超聲聚焦聲束，進而在不需要移動換能器位置或少移動換能器位置的情況下，對待檢區域進行掃描、檢測與成像，對待檢物的內部結構和缺陷隱患進行查掃並給出圖像。
綜上所述，在超聲成像檢測中，裂紋的方向識別具有非常重要的意義，但目前並沒有有效可靠的方法和手段。在目前的超聲檢測中，都是按照裂紋可能的分布方向來設置入射聲束的方向並達到有效的檢測，然而，入射聲束的方向往往會受到一些條件的限制，不能隨意改變，因而很難檢測到某些方向上的裂紋，更不能識別出裂紋的方向。
技術實現要素：
本發明的目的，是為了克服現有技術超聲成像檢測設備和儀器存在的上述技術問題，提供了一種識別裂紋方向的方法，其利用固體介質中超聲多波聚焦及聲場偏振方向控制等手段，來檢測裂紋並識別裂紋方向。
為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種識別裂紋方向的方法，包括以下步驟：
在待檢測區域上的任意位置預設焦點，多波聲場聚焦在所述預設焦點上；
控制所述預設焦點處的聲場偏振方向，使其在預設方向上；
不斷改變預設方向，使所述焦點處聲場偏振方向在0-360°的範圍內旋轉，並記錄不同聲場偏振方向下的裂紋回波信號；
對所述裂紋回波信號進行處理，得到多波檢測的裂紋總回波信號；
基於所述裂紋總回波信號的幅度，識別裂紋的方向；
改變聲場聚焦點的位置，重複上述處理過程，檢測整條裂紋的發育方向。
在一個可能的實現方式中，當所述超聲換能器各陣元在待檢區域只激發出橫波和縱波時，在待檢測區域上的任意位置預設焦點，多波聲場聚焦在所述預設焦點上，具體為：
使超聲換能器各陣元發射兩個脈衝,控制所述兩個脈衝的時間差，使得超聲換能器各陣元第一個脈衝激發的橫波和第二個脈衝激發的縱波同時到達所述預設焦點；以及控制超聲換能器各陣元發射的第一個脈衝的時間延遲，使得超聲換能器各陣元發射的第一脈衝激發的橫波同時到達預設焦點，從而實現橫波和縱波同時聚焦。
在一個可能的實現方式中，當超聲換能器各陣元在待檢區域中激發出橫波、縱波及導波時，在待檢測區域上的任意位置預設焦點，多波聲場聚焦在所述預設焦點上，具體為：
假設在所述預設焦點處有一個假想聲源發射聲脈衝,理論計算出超聲換能器各陣元處的聲信號,將所述聲信號進行時間反轉處理後加載在所述超聲換能器各陣元上進行激勵,這時在所述預設焦點處得到聚焦聲場。
在一個可能的實現方式中，當所述超聲換能器各陣元只激發出橫波和縱波時，所述控制所述預設焦點處的聲場偏振方向，使其在預設方向上，具體為：
通過控制所述超聲換能器各陣元發射的兩個脈衝的幅度比，改變第一個脈衝在所述預設焦點處激發的橫波幅度與第二個脈衝在所述預設焦點處激發的縱波幅度之間的比值，進而改變由所述預設焦點處聲場的兩個不同偏振向量合成的預設焦點處聲場的總偏振向量的方向，使其在預設方向上。
在一個可能的實現方式中，當超聲換能器各陣元激發出橫波、縱波及導波時，所述控制所述預設焦點處的聲場偏振方向，使其在預設方向上，具體為：
假設在預設焦點處有一個假想聲源沿預設方向偏振並發射聲脈衝,理論計算出換能器各陣元處的聲信號,將所述聲信號進行時間反轉處理後加載在換能器各陣元上進行激勵,這時在所述預設焦點處得到沿所述預設方向偏振的聚焦聲場。
在一個可能的實現方式中，當所述超聲換能器各陣元在待檢區域中只激發出橫波和縱波時，所述對所述裂紋回波信號進行處理，得到多波檢測的裂紋總回波信號，具體為：
將超聲換能器各陣元依次接收的回波信號按照縱波時延疊加得到第一時間序列信號；以及將超聲換能器各陣元依次接收的回波信號按照橫波時延疊加得到第二時間序列信號；將所述第一時間序列信號和所述第二時間序列信號，按照預定的延時規則進行疊加合成得到多波檢測的裂紋總回波信號。
在一個可能的實現方式中，當超聲換能器各陣元激發出橫波、縱波及導波時，所述對所述裂紋回波信號進行處理，得到多波檢測的裂紋總回波信號，具體為：
將超聲換能器各陣元依次接收的回波信號進行時間反轉處理後，假設加載在換能器各陣元上進行激勵，理論上計算出所述預設焦點處的總聲波信號，得到多波檢測的裂紋總回波信號。
在一個可能的實現方式中，所述基於所述裂紋總回波信號幅度，識別裂紋的方向，具體為：
提取得到的裂紋總回波信號的幅度與所述焦點處所述聲場偏振方向的關係，獲得裂紋總回波信號的最大幅度值和最小幅度值分別對應的所述聲場偏振方向；
基於所述裂紋總回波信號幅度最大時對應的所述聲場偏振方向得到裂紋的法線方向，基於所述裂紋總回波信號幅度最小時對應的所述聲場偏振方向得到裂紋的發育方向。
本發明提供的一種識別裂紋的方法，基於固體介質中超聲多波聚焦及聲場偏振方法的控制手段，在不改變入射聲束和焦點位置的情況下，通過控制焦點處聲場的偏振方向，就可檢測出裂紋並識別其方向，對目前的超聲成像檢測具有重要意義和應用背景。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的一種識別裂紋方向的方法流程示意圖；
圖2為本發明實施例提供的一種裂紋方向檢測示意圖。
具體實施方式
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「第一」、「第二」、「第三」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
圖1為本發明實施例提供的一種識別裂紋方向的方法流程示意圖。如圖1所示，該方法包括步驟s10-s60：
s10，在待檢測區域上的任意位置預設焦點，多波聲場聚焦在所述預設焦點上。
圖2為本發明實施例提供的一種裂紋方向檢測示意圖，如圖2所示，假設一個具有n個陣元的超聲換能器陣列，位於固體介質表面激發和接收超聲波，a為預設焦點的位置，採用相關技術，可使超聲換能器陣列激發的聲波聚焦在預設的位置a上。
具體地，當超聲換能器陣列只激發橫波和縱波時，使超聲換能器各陣元發射兩個脈衝,控制這兩個脈衝的時間差，使得超聲換能器各陣元第一個脈衝激發的橫波和第二個脈衝激發的縱波同時到達預設焦點a；以及控制超聲換能器各陣元發射的第一個脈衝的時間延遲，使得超聲換能器各陣元發射的第一脈衝激發的橫波同時到達預設焦點a，從而實現橫波和縱波同時聚焦。
當超聲換能器各陣元激發出橫波、縱波及導波時，基於聲波時間反轉法使橫波、縱波及導波的聲場聚焦在所述預設焦點上。
具體地，首先假設在預設焦點a處存在一個假想聲源發射脈衝信號，根據固體介質中的聲傳播理論，可以計算出超聲換能器各陣元處的聲信號，並將該聲信號進行時間反轉處理後加載在超聲換能器對應陣元上進行激勵，根據時間反轉法原理，這時聲場一定聚焦在焦點a處(即假想聲源處)。
s20，控制所述預設焦點處的聲場偏振方向，使其在預設方向上。
具體地，當超聲換能器陣列只激發出橫波和縱波時：
對於某一確定陣元，其所發射的脈衝激發的橫波和縱波在焦點a處的傳播方向和偏振方向是確定的，而縱波和橫波的偏振方向是相互正交的，兩者經過矢量合成，可以形成焦點a處的總偏振方向，這個總偏振方向取決於縱波向量和橫波向量的幅度比，因此，可以通過控制所述超聲換能器各陣元發射的兩個脈衝的幅度比，改變第一個脈衝在預設焦點a處激發的橫波幅度與第二個脈衝在預設焦點a處激發的縱波幅度之間的比值，進而改變由所述焦點a處聲場的兩個不同偏振向量合成的預設焦點處聲場的總偏振向量的方向，使其在預設方向p上。
當超聲換能器各陣元激發出橫波、縱波及導波時：
假設預設焦點a處的假想聲源沿預設方向p偏振並發射聲脈衝信號，理論計算出換能器各陣元處的聲信號,將這個聲信號進行時間反轉處理後加載在換能器各陣元上進行激勵,這時在所述預設焦點a處得到沿所述預設方向p偏振的聚焦聲場。
s30，不斷改變預設方向，使焦點處聲場偏振方向在0-360°的範圍內旋轉，並記錄不同聲場偏振方向下的裂紋回波信號。
具體地，在預設焦點a處，不斷改變預設方向，使焦點處聲場偏振方向在0-360°的範圍內旋轉，並記錄不同聲場偏振方向下的裂紋回波信號。
s40，對所述裂紋回波信號進行處理，得到多波檢測的裂紋總回波信號。
具體地，當所述超聲換能器各陣元在待檢區域中只激發出橫波和縱波時，所述對所述裂紋回波信號進行處理，得到多波檢測的裂紋總回波信號，具體為：將超聲換能器各陣元依次接收的回波信號按照縱波時延疊加得到第一時間序列信號；以及將超聲換能器各陣元依次接收的回波信號按照橫波時延疊加得到第二時間序列信號；將所述第一時間序列信號和所述第二時間序列信號，按照預定的延時規則進行疊加合成得到多波檢測的裂紋總回波信號；
當超聲換能器各陣元激發出橫波、縱波及導波時，所述對所述裂紋回波信號進行處理，得到多波檢測的裂紋總回波信號，具體為：將超聲換能器各陣元依次接收的回波信號進行時間反轉處理後，假設加載在換能器各陣元上進行激勵，理論上計算出所述預設焦點處的總聲波信號，得到多波檢測的裂紋總回波信號。
s50，基於所述裂紋總回波信號的幅度，識別裂紋的方向。
具體地，提取得到的裂紋總回波信號的幅度與所述焦點處所述聲場偏振方向的關係，獲得裂紋總回波信號的最大幅度值和最小幅度值分別對應的所述聲場偏振方向；
基於所述裂紋總回波信號幅度最大時對應的所述聲場偏振方向得到裂紋的法線方向，基於所述裂紋總回波信號幅度最小時對應的所述聲場偏振方向得到裂紋的發育方向。
如圖2所示，p1為裂紋總回波信號幅度最大時的聲場偏振方向，p2為裂紋總回波信號幅度最小時的聲場偏振方向，一般情況下，可取p1為焦點a處裂紋的法線方向，p2為裂紋發育方向。
s60，改變聲場聚焦點的位置，重複上述s20-s50處理過程，檢測整條裂紋的發育方向。
通過以上方法和步驟，在不改變入射聲束和焦點位置的情況下，通過控制焦點處聲場的偏振方向，就可檢測出裂紋的方向。
本發明實施例不但可以檢測到更加細小的缺陷，以及較大程度地提高信噪比和圖像解析度，而且可以通過將多波聲場聚焦在預設位置上，並使聚焦處聲場的偏振方向確定在事先預定的方向上，並不斷地改變這個事先預定的方向，使得我們在不改變入射聲束方向和焦點位置的情況下，通過控制焦點處聲場的偏振方向，不但可以檢測裂紋，而且可識別裂紋的方向，對目前的超聲成像檢測具有重要意義和應用背景。
結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以用硬體、處理器執行的軟體模塊，或者二者的結合來實施。軟體模塊可以置於隨機存儲器(ram)、內存、只讀存儲器(rom)、電可編程rom、電可擦除可編程rom、寄存器、硬碟、可移動磁碟、cd-rom、或技術領域內所公知的任意其它形式的存儲介質中。
以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。