[发明专利]一种用于板结构裂纹定量评价的超声阵列复合成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于板结构裂纹定量评价的超声阵列复合成像方法，该方法涉及裂纹类缺陷的方向识别技术，属于无损检测技术领域。

背景技术

板类结构是工业上最常用的结构形式之一，被广泛用来制造各种容器、炉壳、炉板、桥梁。在使用中，板结构往往要求承受动载荷、冲击、震动、耐蚀等，容易产生裂纹类缺陷。如在火电厂、核电厂机组运行过程中，汽轮机叶片工作在高温、高压、高转速或湿蒸汽区等恶劣环境中，经受着离心力、蒸汽力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区高速水滴冲蚀的共同作用，再加上难以避免的设计、制造、安装质量及运行工况、检修工艺不佳等因素的影响，叶片常会出现裂纹，轻则引起汽轮发电机组振动，重则造成飞车事故。对于裂纹类缺陷都存在一定的方向性，获取缺陷的方向性能够有效地改进板结构的生产、使用过程，提高生产效率。

在板中，常见的缺陷主要有裂纹，穿孔等。国内目前主要采用的无损检测方法有超声，射线，磁粉探伤等方法。超声导波技术作为一种快速、高效的无损检测方法，已广泛应用于多种工程结构的无损评价。板结构中传播的超声导波称为兰姆波。兰姆波在板中传播时声场遍及整个壁厚，传播距离较长且衰减较小，因此兰姆波作为一种有效手段在固体板结构无损检测方面得到广泛应用。

兰姆波检测按照换能器数量，可分为单换能器检测和阵列检测。利用单换能器(反射式)或双换能器(透射式)对板结构进行兰姆波检测时，只能实现某单一方向范围内的缺陷检测，单(双)换能器兰姆波检测灵敏度较低，信噪比差。为克服单换能器能量分散、分辨率低、检测信号分析困难等缺点，可以利用多个阵元组成换能器阵列进行超声检测。

因此，本课题利用兰姆波阵列技术进行板结构大范围无损检测方法研究。

常用的超声阵列成像技术包括全聚焦成像、矢量全聚焦成像、散射系数矩阵成像、相位一致成像、极性一致成像、复合成像等方法。2005年Caroline Holmes等发表《Post-processing ofthe full matrix ofultrasonic transmit–receivearray data for non-destructive evaluation》文章提出并总结了超声阵列全聚焦成像方法，利用超声阵列采集到信号的幅值信息进行缺陷成像。2007年Paul D.Wilcox等发表《Advanced Reflector Characterization with Ultrasonic Phased Arrays in NDE Applications》文章提出超声阵列矢量全聚焦成像算法，以全聚焦为成像基础利用激励与接收阵元的反射特征对缺陷的方向进行识别。2008年Jie Zhang等发表《Defect Characterization Using an Ultrasonic Array to Measure the Scattering Coefficient Matrix》文章提出利用缺陷的散射系数特征进行缺陷的方向识别。2009年Jorge Camacho等发表《Phase Coherence Imaging》文章提出相位一致成像及极性一致成像方法，利用超声阵列采集信号的相位信息进行缺陷成像，相比于全聚焦成像，相位成像的缺陷位置信息更加准确。2013硕士论文《脉冲压缩技术及其在锻件相控阵检测中的应用研究》中对全聚焦成像及其优化方法进行了研究，实现对缺陷的定位检测，并通过优化方法提高了成像的精度。2014硕士论文《基于矢量全聚焦的超声阵列缺陷识别方法研究及其应用》以全聚焦算法为成像基础对缺陷进行方向识别。但上述文章提出的超声阵列成像方法均为超声体波技术，并未把上述方法延伸至超声导波技术领域，且使用单一的成像方法缺陷成像效果有待提高。

2009硕士论文《兰姆波线性阵列板结构复合成像无损检测方法研究》中提出一种兰姆波复合成像方法，利用逻辑运算选取不同幅度变迹技术下缺陷成像结果。2013年Vander T.Prado等发表《Lamb mode diversity imaging for non-destructive testing ofplate-like structures》文章提出一种兰姆波复合成像方法，将全聚焦成像与极性一致成像进行合成对缺陷进行成像。专利《基于超声Lamb波的储罐底板腐蚀检测系统及方法》(专利号：201110281076)中所述的全聚焦成像方法对时域信号数据进行处理，实现了对储罐底板结构中缺陷的定位。上述方法将超声阵列技术延伸至超声导波领域实现了缺陷成像，能够实现缺陷成像，但不能实现缺陷的方向识别。