[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

摘要

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，属于无损检测领域。该方法通过对超声换能器阵列接收到的兰姆波信号进行全聚焦成像和极性一致成像，对两种成像方法进行合成获得复合成像，以复合成像为成像基础，进行矢量全聚焦成像，由缺陷处反射特征信号能量最强来确定缺陷的位置，利用矢量图中矢量的方向计算缺陷的方向，能够有效识别裂纹缺陷的方向。

主权项

一种用于板结构裂纹定量评价的超声阵列复合成像方法，其特征在于：该方法具体按照以下步骤实施检测，步骤一：在数据采集系统下进行实验，其中，实验所用阵列换能器中心频率为f，阵元总个数为N，单个阵元的宽度为a，相邻两阵元的中心距离为p，超声波在被测试件中的传播波速为c，则波长通过依次激励的方式采集得到时域信号y(i)j(t)(i＝1,2,3,…,N，j＝1,2,3,…,N)，其中，下标(i)表示阵列换能器中第i个阵元激励，j表示阵列换能器中第j个阵元接收；步骤二：建立成像坐标系；定义表示原点到成像点P的向量；表示第i个激励阵元到成像点P的位置向量，表示向量在x轴方向上的分量，表示向量在z轴方向上的分量，表示向量的模；表示第j个接收阵元到成像点P的位置向量，表示向量在x轴方向上的分量，表示向量在z轴方向上的分量，表示向量的模；步骤三：全聚焦成像；将全部阵列数据按激励、接收阵元与成像点的距离计算声波传播时间t，在每个成像点位置进行聚焦，并将信号幅值叠加；因此，可通过公式(1)计算全阵列在每个成像点的幅值IA；IA=1N2Σi=1NΣj=1Ny(i)j(t=|d→(i)|+|d→j|c)---(1)]]>式中，c为声波在被测试件中的传播波速；N为阵列个数；步骤四：极性一致成像；对全部阵列数据y(i)j(t)通过公式(2)进行极性处理；若t时刻y(i)j(t)幅值小于零，则定义极性为‑1，y(i)j(t)幅值大于等于零，则定义极性为+1；bij(k)=-1,yij(t)<0+1,yij(t)≥0---(2)]]>极性处理后，对全部阵列数据根据激励、接收阵元与成像点的距离计算声波传播时间t，在每个成像点位置按公式(3)进行极性叠加；IB=1-1-(1N2Σi=1NΣi=jNbij(t=|d→(i)|+|d→j|c))2---(3)]]>步骤五：复合成像；将全聚焦成像和极性一致成像按公式(4)进行合成；IC＝IA·IB           (4)步骤六：构造子阵列；将阵元总数为N的阵列换能器中多个连续的阵元作为一个子阵列，对应的时域信号称为子阵列数据；将该阵列换能器划分为K个子阵列，每个子阵列中含有M个阵元(M<N)，相邻两个子阵列间的阵元间隔为N1(N1<N)；则第k个子阵列对应的阵元在全阵列中的序号最小值为1+M(k‑1)，最大值为1+M(k‑1)+N1，其中，k＝1,2,3,…,K；步骤七：计算每个子阵列在每个成像点的幅值矢量；根据步骤六划分好的子阵列，计算每个子阵列在每个成像点的幅值矢量，分为以下几步：(1)根据每个子阵列中对应的激励、接收阵元，重复步骤二、三，公式中下标i、j的最小值为1+M(k‑1)，最大值为1+M(k‑1)+N1，可得到每个子阵列在每个成像点处矢量的幅值其中，上标k表示第k个子阵列；(2)根据每个子阵列对应的激励、接收阵元到成像点的位置向量可得到每个子阵列在每个成像点的单位方向矢量是第i个阵元激励超声波入射到任意成像点后经第j个阵元接收形成的法线方向的单位方向矢量，依据反射定理可知，该单位方向矢量的方向会与反射面垂直，通过公式(5)计算得出；s→(i)j(d→(i),d→j)=|d→(i)|d→j+|d→j|d→(i)||d→(i)|d→j+|d→j|d→(i)|---(5)]]>(3)将上两步中得到的和对应相乘即可得到每个子阵列在每个成像点处的幅值矢量通过公式(6)计算得出；步骤八：对步骤七中K个子阵列的幅值矢量进行合成，得到K个子阵列在每个成像点的合成幅值矢量通过公式(7)计算得出；式中，α取1到正无穷的任意数，当α取值越大，任意成像点的合成幅值矢量的方向越接近成像点处反射信号能量最强的方向；步骤九：将合成幅值矢量进行单位化，然后乘以步骤四中的IC，可得到在全阵列N下每个成像点的幅值矢量可通过公式(8)计算得出；V→(i)j=O→(i)j|O→(i)j|IC(t=|d→(i)|+|d→j|c)---(8)]]>根据上述计算可知，全阵列在每个成像点的幅值矢量的大小与步骤五中的全阵列在每个成像点的幅值相等，并且矢量的方向会与成像点处的反射面垂直；步骤十：将步骤九中的全阵列在每个成像点的幅值矢量进行成像显示，得到全阵列在每个成像点的全局矢量成像图；步骤十一：根据步骤十中的矢量图，确定目标缺陷的位置，提取目标缺陷的局部矢量图然后将步骤五中的幅值IC进行分贝化，找出局部矢量图中幅值的最大值，求解最大值下降‑6dB所对应的成像区域面积；最后根据局部矢量图中矢量的方向与目标缺陷垂直，依据几何关系，目标缺陷的方向可通过公式(9)计算得出；θm=arctan(∫AV→.i^dA∫AV→.j^dA)---(9)]]>式中，和表示与阵列换能器平行和垂直的单位向量，A表示在目标缺陷局部矢量图中，由幅值IC的最大值下降‑6dB所对应的成像区域面积，arctan函数为数学中的反正切函数，θm表示矢量与z轴正向的夹角，即等于缺陷与x轴正向的夹角。