基于声场波数空间谱的轴对称体缺陷检测重构方法

摘要

本发明涉及基于声场波数空间谱的轴对称体缺陷检测重构方法，采用轴对称体超声检测系统，实现轴对称体的全面检测，利用超声应力波的传播规律和声场波数空间谱，通过有限差分迭代法计算得出反演声场和一个检测截面二维重构结果，最后利用体绘制法重构出缺陷的三维形状。本发明将所检测截面采用有限元法进行单元分割，将超声回波信号的反褶信号加载在超声阵元处，通过建立平面坐标x、y变量与声场波数k

说明书

技术领域

本发明属于轴对称体缺陷检测方法技术领域，具体涉及一种基于声场波数空间谱 的轴对称体缺陷检测重构方法。

背景技术

轴对称结构是材料加工、产品生产的主要结构，轴对称体广泛应用于国防军工、航 空航天、交通运输等领域，一般由金属或合金材料经温挤压或铸造工艺生产而成，在生产过 程中由于温度的瞬间变化、介质与模具的摩擦、交变载荷等原因会造成工件内部和表面产 生不同程度缺陷，这些缺陷会影响产品正常、安全的使用。因此需要在生产过程中和产品使 用前对其进行无损检测和评价。

超声波探伤方法具有指向性好、高灵敏度、性能稳定的特点，是金属和合金材料缺 陷检测的常用方法，能够检测材料表面和内部的缺陷，对如何从众多的超声回波信号中提 取缺陷信息，并对缺陷进行重构是该领域的难点。现有的方法一般是根据单一回波提取缺 陷特征信号，并根据特征信号的时间延时和超声波的传播速度，计算得出缺陷的边界位置， 最终把所有的缺陷表面连接起来就得到缺陷的最终轮廓。这种方法能够初略地重构出缺陷 形状，但很难准确地进行重构，主要原因是超声波传播存在扩散现象，偏离传播中心线的缺 陷也可能会有反射回波，但按照上述方法进行缺陷重构时却把缺陷的边界确定到传播中心 线上，会带来很大的误差。

发明内容

本发明的目的是解决现有轴对称体缺陷检测重构方法存在缺陷重构结果误差大 的技术问题，提供一种基于声场波数空间谱的轴对称体缺陷检测重构方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于声场波数空间谱的轴对称体缺陷检测重构方法，其采用以下的步骤进行轴对 称体的缺陷检测重构：

1)利用轴对称体超声检测系统，采集轴对称体每个位置的超声回波信号，截取有 效区间[t_min,t_max]内的信号进行反褶运算得到反褶信号s_z,θ(t)，其中z表示轴向检测位置，θ 表示圆周方向旋转角度,t_min和t_max分别为超声回波信号中的近表面回波开始位置和远表面 回波结束位置，超声回波信号的采样间隔为Δt；

2)按顺序对轴对称体其中一检测截面z＝z₀，采用有限元法进行单元分割，x、y方 向的步长分别为Δx、Δy；初始化各有限元单元节点处的声压p_z(x,y)＝0，对于超声探头所 在位置的声压，进行回波信号加载p_z(x,y)＝p_z(x,y)+s_z,θ(0)；

3)对各有限元单元节点处的声压p_z(x,y)进行二维傅里叶变换得到声压波数空间 谱P_z(k_x,k_y)＝F[p_z(x,y)]，初始化应力波传播的初始密度并计算初始 应变$u_x\left(0\right)=\frac{\Delta t}{{\rho }_0}·F^{-1}\left[{\mathrm{jk}}_x{e}^{{\mathrm{jk}}_x\Delta x}P\right]],u_y\left(0\right)=\frac{\Delta t}{{\rho }_0}·F^{-1}[{\mathrm{jk}}_y{e}^{{\mathrm{jk}}_y\Delta y}P];$其中k_x、k_y分别为x、y方向的波 数，c为纵波声速，p和P分别为p_z(x,y)和P_z(k_x,k_y)的简写，j²＝-1；

4)通过有限差分迭代法计算下一时刻t+Δt时刻的应变 $u_x(t+\Delta t)=\lambda ·\{{\mathrm{\lambda u}}_x\left(t\right)-\frac{\Delta t}{{\rho }_0}·F^{-1}[{\mathrm{jk}}_x{e}^{{\mathrm{jk}}_x\Delta x}P\left]\right\},u_y(t+\Delta t)=\lambda ·\{{\mathrm{\lambda u}}_y\left(t\right)-\frac{\Delta t}{{\rho }_0}·F^{-1}[{\mathrm{jk}}_y{e}^{{\mathrm{jk}}_y\Delta y}P\left]\right\},$λ为边界匹配参数；计算t+Δ t时刻的应变梯度${\mathrm{\Delta u}}_y=F^{-1}\left[{\mathrm{jk}}_y{e}^{-{\mathrm{jk}}_y\Delta y}F\right[u_y(t+\Delta t)\left]\right];$

5)计算t+Δt时刻的密度${\rho }_x=\frac{\lambda (\lambda -{\mathrm{\Delta u}}_x{\rho }_0\Delta t)}{1+2{\mathrm{\Delta u}}_x\Delta t},{\rho }_y=\frac{\lambda (\lambda -{\mathrm{\Delta u}}_y{\rho }_0\Delta t)}{1+2{\mathrm{\Delta u}}_y\Delta t},$并得出声压 对于超声探头所在位置的声压，进行回波信号加载p＝p+s_z,θ(t+Δt)，进行二维傅里叶变换得到声压波数空间谱P＝F[p]；

6)循环执行步骤4)-5)，直到s_z,θ(t)加载完毕，并对得到的最后声压图进行阈值分 割，得到z＝z₀的二维重构结果；

7)循环执行步骤2)-6)，得到所有截面的二维重构结果，采用体绘制法进行三维重 构即得轴对称体缺陷的三维重构结果。

本发明采用以上技术方案，与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1)根据声波的传播原理和波动方程，考虑了超声传播过程的扩散现象，避免在重 构原理上就带入了重构误差，采用该方法大大提高了重构精度；

2)采用基于声场波数空间谱的方法将超声波传播平面直角坐标系，转换为声场波 数空间坐标系，并利用快速傅里叶变换及其相关性质，提高了运算速度。

为表明本发明具有以上优点，分别采用传统时间延时方法和本发明的方法对同一 轴对称体的单一截面缺陷进行重构，其中，图3是采用本发明的方法得到的单一截面缺陷二 维重构结果，图4是采用传统时间延时方法得到的单一截面缺陷二维重构结果，通过比较可 知，采用本发明所述方法大大提高了重构精度。

附图说明

图1为本发明所使用的轴对称体超声检测系统的结构示意图；

图2为本发明基于声场波数空间谱的轴对称体缺陷重构软件的流程图；

图3为采用本发明得到的单一截面缺陷二维重构结果；

图4为传统时间延时方法得到的单一截面缺陷二维重构结果；

图5为本发明通过体绘制得到的最终缺陷三维重构结果。

具体实施方式

如图1所示，本实施例所使用的轴对称体超声检测系统，包括轴对称体旋转卡盘2、 轴对称体旋转电机3、“┚”型检测台支撑座4、超声探头移动电机5、超声探头移动导轨6、超 声探头7、电机控制卡8、工控机9、超声发射接收卡10及缺陷检测与处理软件，所述轴对称体 旋转电机3设在“┚”型检测台支撑座4竖档内侧的上部，轴对称体旋转卡盘2安装在轴对称 体旋转电机3的转轴上，轴对称体旋转卡盘2通过卡口卡住待检轴对称体1，超声探头移动电 机5设在“┚”型检测台支撑座4的底座上，超声探头移动导轨6安装在超声探头移动电机5的 转轴上，超声探头7安装在超声探头移动导轨6上，超声发射接收卡10和电机控制卡8插在工 控机9上，并通过PCI总线相连；超声发射接收卡10通过数据线与超声探头7相连，电机控制 卡8通过控制线与超声探头移动电机5和轴对称体旋转电机3相连；缺陷检测与处理软件安 装在工控机9上。

本实施例中的一种基于声场波数空间谱的轴对称体缺陷检测重构方法，其采用以 下的步骤进行轴对称体的缺陷检测重构：

1)利用轴对称体超声检测系统，采集轴对称体每个位置的超声回波信号，工控机9 通过电机控制卡8发出指令控制超声探头移动电机5和超声探头移动导轨6，移动超声探头7 位于检测位置处，工控机9通过电机控制卡8发出指令控制轴对称体旋转电机3和轴对称体 旋转卡盘2，带动待检轴对称体1旋转，工控机9控制超声发射接收卡10和超声探头7采集超 声回波信号，截取有效区间[t_min,t_max]内的信号进行反褶运算得到反褶信号s_z,θ(t)，其中z 表示轴向检测位置，θ表示圆周方向旋转角度,t_min和分别为超声回波信号中的近表面回波 开始位置和远表面回波结束位置，超声回波信号的采样间隔为Δt。本实施例中，超声探头 采用中心频率为5MHz的直探头，轴对称体为直径110mm，长度100mm的铝圆柱体，内部带有直 径为5mm，长度为5mm的孔状缺陷，检测时轴向步进Δz＝1mm，圆周方向步进角度Δθ＝1°，超 声回波信号的采样间隔为Δt＝0.01μs，t_min＝10μs，t_max＝50μs，所检测的圆周截面共100 个，一个圆周截面共采集360个回波信号，每个反褶信号的序列长度为4001点；

2)按顺序对轴对称体其中一检测截面z＝z₀(本案例共100个检测截面)，采用有限 元法进行单元分割，x、y方向的步长分别为Δx、Δy，本实施例中，Δx＝0.1mm，Δy＝0.1mm， 初始化各有限元单元节点处的声压p_z(x,y)＝0，对于超声探头所在位置的声压，进行回波 信号加载p_z(x,y)＝p_z(x,y)+s_z,θ(0)；

3)对各有限元单元节点处的声压p_z(x,y)进行二维傅里叶变换得到声压波数空间 谱P_z(k_x,k_y)＝F[p_z(x,y)]，初始化应力波传播的初始密度并计算初始 应变$u_x\left(0\right)=\frac{\Delta t}{{\rho }_0}·F^{-1}\left[{\mathrm{jk}}_x{e}^{{\mathrm{jk}}_x\Delta x}P\right]],u_y\left(0\right)=\frac{\Delta t}{{\rho }_0}·F^{-1}[{\mathrm{jk}}_y{e}^{{\mathrm{jk}}_y\Delta y}P];$其中k_x、k_y分别为x、y方向的波 数，c为纵波声速取6320m/s，p和P分别为p_z(x,y)和P_z(k_x,k_y)的简写，j²＝-1；

4)通过有限差分迭代法计算下一时刻t+Δt时刻的应变 $u_x(t+\Delta t)=\lambda ·\{{\mathrm{\lambda u}}_x\left(t\right)-\frac{\Delta t}{{\rho }_0}·F^{-1}[{\mathrm{jk}}_x{e}^{{\mathrm{jk}}_x\Delta x}P\left]\right\},u_y(t+\Delta t)=\lambda ·\{{\mathrm{\lambda u}}_y\left(t\right)-\frac{\Delta t}{{\rho }_0}·F^{-1}[{\mathrm{jk}}_y{e}^{{\mathrm{jk}}_y\Delta y}P\left]\right\},$λ为边界匹配参数，取0.5；计 算t+Δt时刻的应变梯度${\mathrm{\Delta u}}_y=F^{-1}\left[{\mathrm{jk}}_y{e}^{-{\mathrm{jk}}_y\Delta y}F\right[u_y(t+\Delta t)\left]\right];$

5)计算t+Δt时刻的密度${\rho }_x=\frac{\lambda (\lambda -{\mathrm{\Delta u}}_x{\rho }_0\Delta t)}{1+2{\mathrm{\Delta u}}_x\Delta t},{\rho }_y=\frac{\lambda (\lambda -{\mathrm{\Delta u}}_y{\rho }_0\Delta t)}{1+2{\mathrm{\Delta u}}_y\Delta t},$并得出声 压对于超声探头所在位置的声压，进行回波信号加载p＝p+ s_z,θ(t+Δt)，进行二维傅里叶变换得到声压波数空间谱P＝F[p]；

6)循环执行步骤4)-5)，直到s_z,θ(t)加载完毕，并对得到的最后声压图进行阈值分 割，得到z＝z₀的二维重构结果,见图3；

7)循环执行步骤2)-6)，得到所有截面的二维重构结果，采用体绘制法进行三维重 构即得轴对称体缺陷的三维重构结果，见图5。

如图2所示，本发明基于声场波数空间谱的轴对称体缺陷重构软件的流程为：采用 轴对称超声检测系统采集每个位置的超声回波信号，截取有效区间内的反褶信号；取出第1 个检测截面的360个反褶信号，采用有限元的方法对第1个检测截面进行单元分割，并初始 化各有限元单元节点处的声压，反褶信号第0点的数据加载对应超声探头处；对声压进行二 维傅里叶变换得到声压波数空间谱，并初始化应力波传播的初始密度和初始应变；根据初 始的数据通过差分迭代法计算第1次迭代的应变、应变梯度、密度、声压分布，并将反褶信号 第1点的数据加载对应超声探头处，同时计算声压波数空间谱；根据第1次迭代、加载得到的 数据通过差分迭代法计算第2次迭代的应变、应变梯度、密度、声压分布，并将反褶信号第2 点的数据加载对应超声探头处，同时计算声压波数空间谱；依次类推进行第2-3999次迭代； 根据第3999次迭代的数据计算得到第4000次迭代的应变、应变梯度、密度、声压分布，并对 此时得到的声压图进行阈值分割，得到二维重构结果；对所有100个检测截面按先后顺序进 行上述计算，得到每个检测截面的二维重构结果，采用体绘制方法进行三维重构，得到缺陷 三维形状及所在的位置。