基于线性阵列聚焦‑时间反转的钢板Lamb波检测成像方法技术

本发明专利技术涉及一种基于线性阵列聚焦‑时间反转的钢板Lamb波检测成像方法。按照一定的规则激发一组超声相控阵传感器阵列，实现声波在大面积板材中任意一点的聚焦；对包含缺陷信息的回波信号进行时间反转处理，并将处理后的信号作为新的波源加载到超声相控阵传感器阵列中发射，实现声波在缺陷处的二次聚焦；建立在缺陷处二次聚焦时刻的幅值聚焦图，对大面积板材缺陷进行成像。本方法将超声相控阵聚焦偏转法对声波衰减的抑制特性和时间反转法在缺陷处的自聚焦特性结合起来，突破了传统时间反转缺陷成像技术难以对大面积板材进行快速检测的局限。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声波无损检测
，具体涉及一种基于线性阵列聚焦-时间反转的钢板Lamb波检测成像方法。
技术介绍
超声相控阵聚焦偏转理论表明，只要按照一定的规则激发一组由相对独立的压电晶片组成的超声相控阵传感器阵列，就能使各个阵元发射的波束出现叠加、偏转等效果，实现声波在任意一点的聚焦；因而超声相控阵聚焦偏转法可以使声能在一定区域内聚集，抑制声波在传播过程中的衰减。图1为超声波聚焦示意图，将一组探头按照两端先激发，中间后激发的时间顺序激励出一组超声波，则各个探头激励出的超声波在向前传播的过程中会出现叠加的情况，使得波阵面越来越小，能量越来越集中，最终聚焦于一点，即实现了超声波的聚焦。图2为超声波偏转示意图，将一组探头按照左端先激发，右端后激发的时间顺序激励出一组超声波，则各个探头激励出的超声波在向前传播的过程中会出现叠加的情况，使得波阵面越来越小，能量越来越集中，且波阵面会向一定的方向偏转，最终聚焦于一点，即实现了超声波的偏转聚焦。时间反转声学理论表明，缺陷在声波传播过程中类似一个新的被动波源对传感器激励的初始声波进行反射，同时产生新的转换模态，通过对传感器接收到的回波信号进行时间反转处理，并将处理后的信号作为新的波源加载到模型中发射，即可实现声波在缺陷处的自聚焦。简单来说，即用一组超声波探头同时激励出一组超声波，根据惠更斯原理，当超声波探头作为主动的超声波波源发射的超声波到达平板内缺陷时，缺陷可以视为一个被动的超声波波源向外发射超声波，这是我们可以假想存在有一台摄像机，记录下缺陷发射的超声波达到各个超声波探头的过程，这个过程称为带有缺陷信息的超声波信号被超声波探头接收的过程。然后我们将记录下的影像倒过来放映，即从片尾向片头放映，这时我们可以看到一组超声波信号从探头发射出来并在缺陷处聚焦的过程，且先接收到超声波的探头会后激励出超声波，后接收到超声波的探头会先激励出超声波，即所谓信号的先到后发和后到先发，这个过程称为超声波在缺陷处自聚焦的过程。而将影像倒过来放映的过程即为对探头接收到的回波信号进行时间反转处理的过程。图3为时间反转的示意图，图中实线表示从超声波探头作为主动波源发出的超声波到达缺陷的过程，这组声波是同时激励的；图中虚线表示缺陷作为被动波源发射的超声波回波信号被超声波探头接收的过程；图中点划线表示对超声波回波信号(虚线表示)进行时间反转后重新加载到超声波探头中进行发射，在缺陷处自聚焦的过程。由于超声波在传播过程中衰减较快，因此目前比较成熟的缺陷时间反转成像技术多采用如图3所示的环绕工件式传感器阵列布设方式；但这种传感器布设方式存在以下局限：(1)布置的传感器数量较多，数据处理复杂；(2)由于传感器阵列环绕工件布置，因此限制了检测工件的尺寸，不适合大型工件的检测。目前，比较成熟的平板缺陷时间反转成像技术多采用环绕工件式传感器阵列布设方式。这种传感器阵列布设方式只能具有一定厚度且缺陷显著的结构件中进行检测，对大型构件的检测只能通过一系列的扫描实现，因而无法实现对大型板件的高效快速检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的不足，将超声相控阵聚焦偏转法对声波衰减的抑制特性和时间反转法在缺陷处的自聚焦特性结合起来，提出了基于线性阵列聚焦-时间反转的钢板Lamb波检测成像方法。本专利技术的技术解决方案是：一种基于线性阵列聚焦-时间反转的钢板Lamb波检测成像方法，按照一定的规则激发一组超声相控阵传感器阵列，实现声波在大面积板材中任意一点的聚焦；对包含缺陷信息的回波信号进行时间反转处理，并将处理后的信号作为新的波源加载到模型中发射，实现声波在缺陷处的二次聚焦；建立在缺陷二次聚焦时刻的幅值聚焦图，对大面积板材缺陷进行成像。超声相控阵聚焦偏转理论表明，只要按照一定的规则激发一组由相对独立的压电晶片组成的超声相控阵传感器阵列，就能使各个阵元发射的波束出现叠加、偏转等效果，实现声波在任意一点的聚焦。因而超声相控阵聚焦偏转法可以使声能在一定区域内聚集，抑制声波在传播过程中的衰减。时间反转声学理论表明，缺陷在声波传播过程中类似一个新的被动波源(惠更斯原理)对传感器激励的初始声波进行反射，同时产生新的转换模态，通过对传感器接收到的回波信号进行时间反转处理，并将处理后的信号作为新的波源加载到模型中发射，即可实现声波在缺陷处的自聚焦。本专利技术方法是线性阵列聚焦-时间反转(LinearArrayFocusingTimeReversal，简写为LAFTR)超声检测成像方法，采用线性阵列聚焦探头作为超声波激励-接收声源，结合时间反转技术实现构件内缺陷的精确成像。表二的数据表明，与采用阵列式传感器直接进行时反成像所得到的结果相比，基于线性阵列聚焦-时间反转的钢板Lamb波检测成像方法的成像效果较好，其位置精度提高了30％～50％，几何精度提高了26％～130％。依据图4所示相控阵聚焦偏转理论，按照一定规则激发一组由相对独立的压电晶片组成的超声相控阵传感器阵列，能使发射波束出现叠加、偏转等效果，实现声波在任意一点的聚焦，从而增强声波在聚焦区域内的能量。所述超声相控阵传感器阵列为线性阵列换能器，有N+1个阵元，若声束在深度为F，偏转角为θ的位置完成聚焦偏转，则传感器i所需的聚焦延迟时间ti为：ti=Fv[1-1+(iF)2-2idsinθF]+t0]]>其中，d为阵元间距，为声速，θ为偏转角度。利用上述公式即可实现对检测对象内任意一点P(x,y)的聚焦，传感器阵元0、传感器阵元N和聚焦点P(x,y)构成了一个三角形，所述三角形所围区域视为有效检测区。若想实现对大面积板材的完全检测，只需适当选取多个聚焦点进行聚焦即可。如果超声波阵列的功率足够大，聚焦点P可以选择距离超声波阵列无限远处，因此本方法理论上可以实现对无限大面积板材的快速检测。如果有效检测区内存在缺陷，由于各个传感器与缺陷的距离不同，因而从激励超声波到接收包含缺陷信息的回波信号所需的时间也不相同。时间反转是指传感器在接受到回波信号后，对其进行时间反转处理，随后将其作为新的波源加载到模型中发射，实现信号的先到后发，后到先发。时间反转声学理论表明，缺陷在声波传播过程中类似一个新的被动波源对传感器激励的初始声波进行反射，同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于线性阵列聚焦‑时间反转的钢板Lamb波检测成像方法，采用线性阵列聚焦探头作为超声波激励‑接收声源，其特征是按照一定的规则激发一组超声相控阵传感器阵列，实现声波在大面积板材中任意一点的聚焦；对包含缺陷信息的回波信号进行时间反转处理，并将处理后的信号作为新的波源加载到超声相控阵传感器阵列中发射，实现声波在缺陷处的二次聚焦；建立在缺陷二次聚焦时刻的幅值聚焦图，对大面积板材缺陷成像识别。

【技术特征摘要】
1.基于线性阵列聚焦-时间反转的钢板Lamb波检测成像方法，采用线性阵
列聚焦探头作为超声波激励-接收声源，其特征是按照一定的规则激发一组
超声相控阵传感器阵列，实现声波在大面积板材中任意一点的聚焦；对包
含缺陷信息的回波信号进行时间反转处理，并将处理后的信号作为新的波
源加载到超声相控阵传感器阵列中发射，实现声波在缺陷处的二次聚焦；
建立在缺陷二次聚焦时刻的幅值聚焦图，对大面积板材缺陷成像识别。
2.根据权利要求1所述的基于线性阵列聚焦-时间反转的钢板Lamb波检测
成像方法，其特征是缺陷成像识别的具体步骤包括：
步骤1：将待扫描区域进行离散化，通过线性阵列聚焦探头分时沿不同
角度发射超声波，每个探头发射超声波的时刻为Am,i，其下标代表第m个扫
描区域内的第i个探头；
步骤2：设定报警缺陷阈值，提取阵列探头接收到缺陷反射回波的时刻
Bm,i，计算反转延迟时间ΔTm,i，截取时间窗长度Lm,i；
步骤3：将截取时间窗长度Lm,i内的信号进行时间反转得到时反信号
fm,i，并重新加载至第i个探头，则在缺陷处实现二次聚焦时刻Fm,i；
步骤4：建立在二次聚焦Fm,i时刻的幅值聚焦图K，K图上的每一个像
素点对应于模型上的每个结构单元；
步骤5：将扫描区域划分为h×g的网格，将网格中心点回波幅值Km,p近
似为整个网格的回波幅值，建立二维像素矩阵P
P∝(Km,p)h×g其中图像像素值最大处即为缺陷。
3.根据权利要求2所述的基于线性阵列聚焦-时间反转的钢板Lamb波检测
成像方法，其特征是步骤2中反转延迟时间ΔTm,i的计算公式为：
ΔTm,i=(Bm,i-Bm,0)-(...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂君，宋小春，李羽可，邱公喆，熊芝，陈涛，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42