一種相控陣超聲探傷系統(tǒng)聚焦延遲法則計算方法
【專利摘要】一種相控陣超聲探傷系統(tǒng)聚焦延遲法則計算方法，屬于超聲波探傷【技術領域】。該方法包括以下步驟：創(chuàng)建虛擬陣元、計算聚焦點處相位序列、計算校正相位、計算延遲相位、計算聚焦延遲時間法則。該方法采用先計算延遲相位再換算得到聚焦延遲時間法則的方法，不同于傳統(tǒng)的采用射線跟蹤法計算延遲時間法則的方法。利用本發(fā)明的方法，可以實現對多種陣元，多種分界面形式條件下的聚焦延遲法則進行計算，相比瞬態(tài)模型具有計算效率高的優(yōu)勢，與射線跟蹤法相比又有計算精度高的優(yōu)勢。
【專利說明】-種相控陣超聲探傷系統(tǒng)聚焦延遲法則計算方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于超聲波探傷【技術領域】，特別涉及一種基于簡諧波模型的相控陣超聲探 傷系統(tǒng)聚焦延遲法則計算方法。

【背景技術】
[0002] 超聲檢測在無損檢測【技術領域】具有廣泛的應用，隨著電子技術的高速發(fā)展及超聲 相控陣理論及成像算法的不斷改進，超聲相控陣檢測技術得到了廣泛的應用，超聲相控陣 探傷技術方法，包括；計算延遲法則、選擇性激發(fā)陣元發(fā)射超聲波、接收反射回波和采用適 當的算法生成檢測結果圖像。超聲相控陣探傷系統(tǒng)根據計算得到的延遲法則，設置激發(fā)陣 元的延遲時間，W達到控制聲束在指定點實現能量聚集的效果，在聚焦點處聲壓能量最大， 而在其他區(qū)域聲壓能量小于聚焦點處的聲壓能量，通過采用不同的延遲法則，實現在檢測 區(qū)域內多個地方進行聚焦，達到聚焦掃查的目的，該樣就可W減少陣元的機械移動次數，提 高超聲無損檢測效率。
[0003] 已有的超聲相控陣的計算延遲法則方法，均采用射線跟蹤法進行計算，或采用瞬 態(tài)聲壓模型的瑞利積分法進行計算。射線跟蹤法是建立在假設聲束是從陣元的中也點發(fā)射 出來的基礎之上的，并假設遠處聲場為球面波分布，但是對于幾何形狀不規(guī)則的陣元或者 陣元尺寸大于波長的陣元，該種方法并不適用，會產生一定的誤差。采用瞬態(tài)聲壓模型的瑞 利積分法進行計算雖然可W獲得較高精度的延遲時間，但是會大大增加計算時間，并不實 用。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，針對超聲相控陣探傷系統(tǒng)，實現更 高精度但又高效率地計算其聚焦延遲法則，提出一種基于簡諧波模型的相控陣超聲探傷系 統(tǒng)聚焦延遲法則計算方法。
[0005] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0006] 本發(fā)明所述的相控陣超聲探傷系統(tǒng)聚焦延遲法則計算方法，它包括W下步驟：
[0007] 1)創(chuàng)建虛擬陣元
[0008] 設相控陣超聲探頭陣列共有M個陣元，M為大于等于2的整數；其中第m個陣元的 參數化坐標變量辦Sm，其中m = 1，2，…，M，陣元m的幾何中也為f巧m)，陣元m的局 部坐標系（X' y' Z' )m與全局坐標系巧Z的旋轉關系矩陣為哀m二哀巧m)，陣元m的表面尺 寸形狀描述函數為=去口m);設Q= 1，2，…，M-1，重復執(zhí)行如下步驟：
[0009] 在第q個陣元和第q+1個陣元之間創(chuàng)建K (q)個虛擬陣元，K (q)為大于等于2的整 數，所創(chuàng)建的K(q)個虛擬陣元中，第k個虛擬陣元的編號為W?；?k，其中k= 1，2,…， 1((山，第胖。似個虛擬陣元的參數化變量為Swg快）=卻+ (^+1-卻）^^，幾何中也為 fWq陽=局部坐t不系為(X'y'Z')Wq腳，所述的局部坐柄系（X'y'Z')Wg腳與全局 坐標系巧Z的旋轉關系矩陣為Rwg(fc) = R(^Swg(fc))，第Swg(fc)個虛擬陣元的表面尺寸形狀描 述函數為馬Vq(Zc) = 的)；所述的參數化變量為直角坐標、角度坐標或球坐 標系中的一種或幾種的組合，該參數化變量具有線性運算性質；所述的表面尺寸形狀描述 函數為矩形、圓環(huán)形、梯形、平行四邊形或圓柱面形，該表面尺寸形狀描述函數具有可W確 定所述表面尺寸形狀的大小和位置的性質；
[0010] 。計算聚焦點處相位序列(Wg(fc)，aw,,w)
[0011] 聚焦點的坐標為苗，設q = 1，2，…，M-1，重復執(zhí)行如下步驟：
[0012] 對第q個陣元和第q+1個陣元之間所創(chuàng)建的虛擬陣元，采用簡諧波模型計算第 Wq(k)個虛擬陣元（20)在聚焦點處聲壓值的復數表達式P(Wq(/〇) = OVg腳+ ibwgOc)，其 中，awg腳為實數部分，(材為虛數部分，/'=^戶了，通過awg(fc) = atan2(6,a)計算得到，其 中atan2化，a)式為

【權利要求】
1. 一種相控陣超聲探傷系統(tǒng)聚焦延遲法則計算方法，其特征在于：它包括以下步驟： 1) 創(chuàng)建虛擬陣元 設相控陣超聲探頭陣列共有M個陣元（10)，M為大于等于2的整數；其中第m個陣元的 參數化坐標變量為^m，其中m= 1，2，…，!^，陣元m的幾何中心為Frn =F(Sm)，陣元m的局 部坐標系（X'y'z'）m與全局坐標系xyz的旋轉關系矩陣為互m = ，陣元m的表面尺 寸形狀描述函數為Jm=Z(Sm);設q= 1，2，"·，Μ_1，重復執(zhí)行如下步驟： 在第q個陣元和第q+Ι個陣元之間創(chuàng)建K(q)個虛擬陣元（20)，K(q)為大于 等于2的整數，所創(chuàng)建的K(q)個虛擬陣元（20)中，第k個虛擬陣元（20)的編號 為Wq(k) =k，其中k= 1，2，…，K(q)，第Wq(k)個虛擬陣元（20)的參數化變量為 &㈨=A+ &+1 - 幾何中心為&⑻=㈨)，局部坐標系為 〇yz')W(?(fc)，所述的局部坐標系（xyz')W(?(fc)與全局坐標系xyz的旋轉關系矩 陣為Ew9(Zc) 第5%(/〇個虛擬陣元（20)的表面尺寸形狀描述函數為 iwqCfc：) =?Pwg(K));所述的參數化變量為直角坐標、角度坐標或球坐標系中的 一種或幾種的組合，該參數化變量具有線性運算性質；所述的表面尺寸形狀描述函數為矩 形、圓環(huán)形、梯形、平行四邊形或圓柱面形，該表面尺寸形狀描述函數具有可以確定所述表 面尺寸形狀的大小和位置的性質； 2) 計算聚焦點處相位序列 設聚焦點的坐標為$/，設q= 1，2，…，M-ι,重復執(zhí)行如下步驟： 對第q個陣元和第q+Ι個陣元之間所創(chuàng)建的虛擬陣元（20)，采用簡諧波模型計算第Wq(k)個虛擬陣元（20)在聚焦點處聲壓值的復數表達式P(VVP)=心,(/<) +其 中，cHW為實數部分，為虛數部分，/=0,通過~#) =atan2〇，a)計算得到，其 中atan2 (b,a)式為 3) 計算校正相位a/
設循環(huán)累加計數器為Dq = 0,對于第q個陣元和第q+Ι個陣元，其中q= 1，2，···，Μ_1， 執(zhí)行如下步驟： 對步驟2)中計算得到的序列設Wq(k) = 1，2，…，K(q)_l，循環(huán)執(zhí)行如 下步驟： 若aWq(fc) > ：Κι且aWq(fc+1) <y2,則Dq =DJiaaWq(Z^i) < }^^aWq(fc) >K4的則Dtl = Dq-1，所述的Y1為大于O且小于π的實數，所述的Y2為小于〇且大于-π的實數，所述 的Y3為小于O且大于-η的實數，所述的Y4為大于O且小于η的實數，其中N為大于等 于零的整數； 對第q個陣元，其中q= 2,3，…，Μ，計算其校正相位aq' =aq+2Ji·Dq，其中?Dq= =ι〇n，Dq 為相位偏差量，α/ =ai; 4) 計算延遲相位Δα^ 對步驟3)得到的校正相位a^，其中q=l，2，···，M，計算其相位延遲Δaq =maxia^' 丨-α^'，其中maxia^ }表示校正相位Ctq'的最大值，其中q=l，2，…，Μ; 5) 計算延遲時間At, 對步驟4)得到的相位延遲Λaq，計算第q個陣元的時間延遲法則為：At, =Λa/ω，其中ω為所述簡諧波模型的角頻率。
2. 根據權利要求1所述的相控陣超聲探傷系統(tǒng)聚焦延遲法則計算方法，其特征在于， 相控陣超聲探頭陣列為一維線性陣元、一維凸型陣元、一維凹形陣元、一維柱形陣列陣元、 一維圓臺形陣列陣元、圓環(huán)形陣列陣元或二維平面陣列陣元。
3. 根據權利要求1所述的相控陣超聲探傷系統(tǒng)聚焦延遲法則計算方法，其特征在于， 所述的簡諧波模型為瑞利積分法、瑞利-索末菲爾德積分法、角譜法、多元高斯疊加法、非 近軸近似多元高斯疊加法、離散點源法、彈性動力學有限積分法和有限元法中的一種或多 種的組合。
【文檔編號】G01N29/44GK104237391SQ201410536042
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權日:2014年10月11日
【發(fā)明者】鄒誠, 孫振國, 蔡棟, 張文增, 陳強 申請人:清華大學