[发明专利]声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法及系统

权利要求书

1.一种声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：根据待测曲面零件的材料和曲面几何特征，确定检测参数，包括超声相控阵探头频率f、阵元数量N、阵元宽度d和水层高度h；

步骤(2)：将待测曲面零件浸入水中，按照确定的检测参数放置超声相控阵探头，分别对待测曲面零件的凸面和凹面位置进行检测，采集全矩阵数据，依次激发N个阵元，总共获得N×N组数据；

步骤(3)：根据待测曲面零件的截面几何形状，将待测区域划分为凸面区域和凹面区域，分别针对凸面和凹面几何参数和探头参数进行各阵元声场在双介质曲面中的仿真；

步骤(4)：将各阵元声场强度的最大值的一定比例作为阈值，将各阵元成像区域进行阈值分割，生成有效区域系数矩阵；

步骤(5)：将待测曲面零件的各阵元有效区域内的网格点逐一成像，实现阵元有效区域全聚焦优化成像，获得零件曲面的全聚焦优化成像；

步骤(6)：根据零件曲面的全聚焦优化成像，分析待测曲面零件凸面区域和凹面区域的缺陷尺寸和位置；

阵元在双介质曲面中的声场仿真方法如下：

根据声学理论，得到双介质平面线源模型声压计算公式：

其中，v₀(ω)为阵元沿其宽度方向的空间平均分布速度，δ为质点与换能器中心轴线的夹角，k＝ω/c为波数，ρ₁为介质密度，c₁为水中的声速,r为质点到换能器中心点(x₀,0)的距离，T_p是基于压力比计算的平面波界面透射系数，L_1i为阵元发射声波在第一介质中的传播路径，L_2i为声波在第二介质中的路径；根据交界面射线理论，第i个阵元发射超声波在第二介质折射点F_i的声压视为虚拟声源M_i′沿直线传播至F_i点，虚拟声源到入射点的距离为：

其中，α_i为声波界面入射角，β_i为声波界面折射角；假设曲面y＝f(x)在第i个阵元发射的超声波在界面交点Q_i(x_2i,y_2i)的切线斜率为y′＝f′(x_2i),Q_i(x_2i,y_2i)的坐标由费马原理可求，则第i个阵元在曲面介质的入射角为：

其中，K_1i为界面交点为Q_i处的法线斜率，K_2i为第i个阵元中心与界面交点Q_i所在直线方程斜率，由snell定律求得折射角再计算L_1i′，并求得线源模型在曲面中的声压计算值。

2.根据权利要求1所述的声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，其特征在于，曲面全聚焦的检测参数的确定过程如下：

根据待测曲面零件的材料和检测深度范围，确定探头频率f和阵元间隔p：对于粗晶材料和厚壁零件检测采用低频探头，对于薄壁零件选择高频探头；小缺陷的高分辨率检测要求阵元间隔p更小；

曲面全聚焦检测的相控阵探头参数和检测参数满足以下条件：

a.各阵元在凹面内的纵波发射盲区小于待测区域的1/4；

b.为保证各阵元在曲面内部有效注入声波能量，各阵元纵波入射的最大声束扩散角小于半扩散角；

c.凸面检测所用的探头阵列宽度(N-1)*p大于待测区域宽度范围。

3.根据权利要求1所述的声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，其特征在于，声场阈值分割的曲面全聚焦成像优化方法如下：

根据常规超声检测缺陷定量方法确定有效区域声场阈值，采用-12dB法，将所有阵元声场强度最大值的1/4作为阈值；

将各阵元声场区域按阈值划分，生成有效区域系数矩阵，有效区域内的聚焦点按全聚焦算法进行幅值叠加，有效区域外的聚焦点幅值定义为0。

4.一种水浸全聚焦检测系统，其特征在于，包括超声相控阵检测仪、超声检测软件、超声相控阵探头和装有耦合剂的水箱；水箱内放置待测曲面零件；超声相控阵检测仪通过超声相控阵探头采集全矩阵数据，传输至超声检测软件；超声检测软件用于实现权利要求1-3中任一项所述的声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法。