相控阵超声探头在多层介质中探伤时声场分布的计算方法

摘要

一种相控阵超声探头在多层介质中探伤时声场分布的计算方法：S1修正瑞利积分式得到相控阵声场传播的表达式；S2建立任意多层介质中的路径快速算法；S3计算晶片延迟、激发延迟时间：S3-1构建探头晶片、楔块和工件三维坐标系；S3-2对激励信号进行傅里叶变化；S3-3构成路径矩阵；S3-4计算点源延迟时间、扩散衰减以及在穿过每个截面处的反射和透射；S3-5计算目标点信号所产生的声场振幅和相位变换，进行逆变换即可得到每个点源激励信号传播至目标计算点出的声场；S3-6叠加得到目标点出声场值；S3-7划分单元依次计算得到该目标区域的声场分布。本发明可高效地辅助多层复杂结构相控阵检测的工艺设计和缺陷评定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声声场分布的计算方法，尤其是涉及一种相控阵超声探头在多层介质中探伤时声场分布的计算方法。

背景技术

相控阵超声探头是由一组相对独立的晶片组成，每个独立的晶片都能发射超声波波束。按照不同的规则激发所有晶片或是部分晶片，使得不同激发时间的各晶片所发射的超声波波束叠加形成不同的波阵面，从而可实现声束偏转、聚焦及扫描等效果的控制。相对于常规超声波检测，相控阵探伤的优势是：（1）探头在不移动或者小范围移动的情况下，得到大的声束覆盖范围，可用于解决复杂空间结构对检测空间限制的问题；（2）可实现高速电子扫描，对试件进行高速，全方位检测，可以大幅度提高超声检测效率；（3）可实现动态聚焦，提高检测灵敏度，从而不需要大尺寸的聚焦探头实现超声波声束的聚焦。

晶片阵列的激励和接受时间延迟法则是相控阵检测工艺设计的关键。现有的相控阵仪器内置算法一般是基于晶片阵列在半无限大空间的发射声线和声程计算，在参数设置中仅需要输入焦距和偏转角度，未考虑结构和材质特殊性的情况。然而，被检工件可能是具有堆焊层的多层结构，甚至呈现不对称、变截面、变曲率以及变厚度空间分布特性，这些导致超声检测过程中超声波声束在其中发生不可预知的扭曲偏折，这种情况的延迟法则不能用常规算法获取，而且声场分布的不确定性也增加缺陷回波信号误判和漏检的可能性。因此，相控阵超声探头在多层复杂介质中声场分布计算在检测工艺设计和缺陷回波分析都显得十分必要。

在理论声学领域，通常采用数值模拟方法来计算复杂情况下的声学传感器发射声场及传播声场，如有限元法、有限差分法等。但是数值法的计算量较大，其算法无法植入便携式仪器，同时在工程检测现场应用可能无法兼顾检测效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提出一种相控阵超声探头在多层介质中探伤时声场分布的计算方法，进行多层复杂结构相控阵超声检测的工艺设计和缺陷回波分析，并为在相控阵超声检测仪器上植入多层结构检测的晶片延迟法则算法提供可能性，从而在保证检测能力的前提下，提高检测效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种相控阵超声探头在多层介质中探伤时声场分布的计算方法，包括以下步骤：

S1用相控阵晶片延迟时间t_n、点源扩散衰减系数DF和声束在界面上的投射系数Tr来修正瑞利积分式，得到相控阵声场传播的表达式为

$>\phi (r,t)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Sigma }}{\int \int }_T\frac{\mathrm{DF}·\mathrm{Tr}·v_n(r_T,t-\mathrm{\Delta t}-t_n)}{2\pi }\mathrm{dS}\left(r_T\right)$>

式中：φ(r,t)表示介质中点r在时刻t的速度势；r_T是探头表面的点源；v_n为探头表面源点在时刻t的振动速度；|r-r_T|表示从点源到计算点r处的距离，|r-r_T|/c是指声波从点源传播到计算点处的时间；T表示探头，dS(r_T)表示探头点源r_T的面积；

S2建立任意多层介质中的路径快速算法，设空间中存在一系列的声束传播介质M₀，M₁，...，M_K+1，介质间的界面则依次为F₀，F₁，...，F_K，A、B分别为点源和目标计算点、分处于介质M₀和M_K+1中，路径快速算法包括以下子步骤：

S2-1在F₀界面上取初始点位置O_0，0；

S2-2根据A点及初始点O_0，0，计算其声束初始路径：A→O_0，0→O_0，1→...→O_0，k；

S2-3根据B点与O_0，k点的声束路径，得出F_k面上新的路径节点O_1，k，由新路径节点O_1，k及原初始路径节点O_0，k-2得出新路径节点O_1，k-1，依次类推得出新的路径节点B→O_1,k→...→O_1，1→O_1，0；

S2-4比较两组路径节点间的位置差，若位置差小于控制误差ε，则停止计算；否则，利用A点与O_1，1点求解新节点O_2,0，如此类推得出新节点组A→O_2,0→O_2,1→...→O_2,k；

S2-5比较新的两组路径节点间的位置差，若位置差小于控制误差ε，则停止计算；否则返回步骤S2-3；

S3根据声束传播路径来计算晶片延迟，复杂结构晶片激发延迟时间，设激发晶片数为N，并将晶片编号为n（n＝0，1，2,…,N-1），晶片0为左起第一个晶片，根据两点间路径的算法可以得出任意激发晶片与焦点间的声束路径，从而得出各晶片到达所设焦点出的时间序列t₀，t₁，...，t_n，将该时间序列同时减去其中的最小值即可得探头的延迟法则：

声场计算包括以下子步骤：

S3-1构建探头晶片、楔块和工件的三维坐标系，将探头离散成一系列小单元，每个小单元的尺寸需小于该工件介质中的超声波波长，以保证每个单元可以近似为点源；

S3-2对晶片的激励信号进行傅里叶变化，得到频域信号，原始信号被分解为一系列单频波信号的叠加；

S3-3依据所建路径快速算法计算每个点源到目前计算点的传播路径，并构成路径矩阵；

S3-4依据所建路径矩阵计算每个点源的延迟时间、扩散衰减以及在穿过每个截面处的反射和透射；

S3-5计算目标点每个单频信号所产生的声场振幅和相位变换，进行逆变换即可得到每个点源激励信号传播至目标计算点出的声场；

S3-6根据离散单元的面积和点源声场的加权叠加，即可得到目标点处声场值；

S3-7按一定尺寸将计算区域进行划分单元，依次计算空间中感兴趣的点，即可得到该目标区域的声场分布。

所述的步骤S2-5中的控制误差ε取值小于1e-6或是小于10的负6次方。

所述的步骤S3-1中的探头离散单元的尺寸小于该工件介质中的超声波波长，S3-7中的计算区域划分单元尺寸0.1mm。

本发明的原理是：

首先利用相控阵晶片延迟时间t_n、点源扩散衰减系数DF和声束在界面上的投射系数Tr来修正瑞利积分式，以得到相控阵超声探头发射声场表达式；

其次建立路径快速算法以获取点源与计算点之间的声束传播路径，进而构建检测结构几何布局，以实现延迟时间t_n和扩散衰减系数的计算；

最后在统一坐标系下导入工件、探头的几何参数、工件的声学参数、探头的性能参数，采用离散点源叠加思想实现修正瑞利积分的快速计算，获得声场的定量信息。

有益效果：本发明的优点是在建立路径快速算法的基础上，结合修正瑞利积分公式，实现了多层复杂介质中相控阵探头声场的快速计算，这一快速算法的推动了声学理论分析方法在超声检测领域的应用，并有望集成在相控阵超声检测仪器上，高效地辅助多层复杂结构相控阵检测的工艺设计和缺陷评定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是两点路径算法示意图；

图2是延迟法则计算原理图；

图3是转轮焊缝的一系列检测区域的截面图；

图4为采用相控阵超声探头在叶片的背水面进行检测时，某一探头位置及状态所能达到的声场覆盖效果图。

具体实施方式

实施案例：水轮机转轮叶片与上冠和下环的连接焊缝在服役过程中由于受到交变应力而易出现疲劳裂纹。转轮焊缝的厚度从进水边到出水边不断变化，相控阵检测工艺设计通常是将焊缝划分成一系列的厚度相差较小的检测区域，独立对每个区域的参数进行设计，如图3所示。由相控阵探头楔块、转轮焊缝构成的声束传播介质也可以整体看作是声学差异性较大的多层介质。

采用本算法进行转轮结构中相控阵探头的声场分布计算，相控阵探头参数为频率2.25MHz，单一晶片尺寸为0.5*10mm，晶片间隙为0.1mm，在点源离散时每个单元格尺0.1mm，楔块厚度为25mm。首先建立以探头中心为原点的坐标系，从而得到每个点源的位置坐标，再将工件划分为0.1mm的小单元，得到每个单元中心的坐标，根据本文快速算法，依次计算每个单元中心的声场值。

图4所示为采用相控阵超声探头在叶片的背水面进行检测时，某一探头位置及状态所能达到的声场覆盖效果图。通过声场计算辅助检测过程中的探头位置和状态参数调整，以达到最佳检测效果，并对检测结果的分析提供指导性帮助。

本实施例的具体计算包括以下步骤：

S1用相控阵晶片延迟时间t_n、点源扩散衰减系数DF和声束在界面上的投射系数Tr来修正瑞利积分式，得到相控阵声场传播的表达式为

$>\phi (r,t)=\underset{n=0}{\overset{N}{\Sigma }}{\int \int }_T\frac{\mathrm{DF}·T_r·v_n(r_T,-\mathrm{\Delta t}-t_n)}{2\pi }\mathrm{dS}\left(r_T\right)$>

式中：φ(r,t)表示介质中点r在时刻t的速度势；r_T是探头表面的点源；v_n为探头表面源点在时刻t的振动速度；|r-r_T|表示从点源到计算点r处的距离，|r-r_T|/c是指声波从点源传播到计算点处的时间；T表示探头，dS(r_T)表示探头点源r_T的面积；

S2建立任意多层介质中的路径快速算法，设空间中存在一系列的声束传播介质M₀，M₁，...，M_K+1，介质间的界面则依次为F₀，F₁，...，F_K，A、B分别为点源和目标计算点、分处于介质M₀和M_K+1中，路径快速算法包括以下子步骤：

S2-1在F₀界面上取初始点位置O_0，0；

S2-2根据A点及初始点O_0，0，计算其声束初始路径：A→O_0，0→O_0，1→...→O_0，k；

S2-3根据B点与O_0，k点的声束路径，得出F_k面上新的路径节点O_1,k，由新路径节点O_1,k及原初始路径节点O_0，k-2得出新路径节点O_1，k-1，依次类推得出新的路径节点B→O_1，k→...→O_1，1→O_1,0；

S2-4比较两组路径节点间的位置差，若位置差小于控制误差ε，则停止计算；否则，利用A点与O_1，1点求解新节点O_2,0，如此类推得出新节点组A→O_2,0→O_2,1→...→O_2,k；控制误差ε取值小于1e-6或是小于10的负6次方；

S2-5比较新的两组路径节点间的位置差，若位置差小于控制误差ε，则停止计算；否则返回步骤S2-3；

S3根据声束传播路径来计算晶片延迟，复杂结构晶片激发延迟时间，设激发晶片数为N，并将晶片编号为n（n＝0，1，2,…,N-1），晶片0为左起第一个晶片，根据两点间路径的算法可以得出任意激发晶片与焦点间的声束路径，从而得出各晶片到达所设焦点出的时间序列t₀，t₁，...，t_n，将该时间序列同时减去其中的最小值即可得探头的延迟法则：

声场计算包括以下子步骤：

S3-1构建探头晶片、楔块和工件的三维坐标系，将探头离散成一系列小单元，每个小单元的尺寸需小于该工件介质中的超声波波长，以保证每个单元可以近似为点源；

S3-2对晶片的激励信号进行傅里叶变化，得到频域信号，原始信号被分解为一系列单频波信号的叠加；

S3-3依据所建路径快速算法计算每个点源到目前计算点的传播路径，并构成路径矩阵；

S3-4依据所建路径矩阵计算每个点源的延迟时间、扩散衰减以及在穿过每个截面处的反射和透射；

S3-5计算目标点每个单频信号所产生的声场振幅和相位变换，进行逆变换即可得到每个点源激励信号传播至目标计算点出的声场；

S3-6根据离散单元的面积和点源声场的加权叠加，即可得到目标点处声场值；

S3-7按计算区域划分单元尺寸0.1mm将计算区域进行划分单元，依次计算空间中感兴趣的点，即可得到该目标区域的声场分布。