扫频多通道超声导波装置的声波方向控制方法

1.本发明涉及一种扫频多通道超声导波装置的声波方向控制的优化方法，本发明属于无损检测与评估技术领域。


背景技术：

2.随着工业化水平的不断发展，定期对工业结构进行检测和健康监测，保证其安全运营，具有重要意义。因此，无损检测技术的应用越来越广泛，特别是超声导波检测技术，具有检测效率高、成本低的技术优势，适用于大型工业结构的缺陷检测和健康监测。
3.电磁超声导波检测方法通过改变换能器的结构和激励电流的相位关系，更易于实现对导波的类型、模式和传播方向的控制。但是，现有的电磁超声导波换能器，线圈一般采用曲折线圈结构，每种结构对应一个中心频率，实际检测时需要改变线圈的接线方式，无法实现连续扫频缺陷检测和远程在线监测。公开号为107121500a的发明专利提出了一种基于扫频多通道电磁超声导波装置的导波方向控制方法，可对任意频率下的超声导波方向进行控制，在某些频率下信号失真情况较为严重，且信号抑制侧会存留少许信号。


技术实现要素：

4.针对现有基于扫频多通道电磁超声导波装置的导波方向控制方法在某些频率下会导致叠加信号畸变的情况的问题，本发明提供一种扫频多通道超声导波装置的声波方向控制方法。
5.本发明的一种扫频多通道超声导波装置的声波方向控制方法，所述方法包括：
6.s1、将扫频多通道超声导波装置的换能器安装在被测试件上，换能器的发射线圈沿超声导波传播方向以任意间距并排分布，发射线圈数量为n，沿着声波传播的方向将发射线圈编号t1，t2，
…
，tn；以发射线圈t1的几何中心为原点，沿发射线圈分布方向建立坐标轴：x轴，声波传播方向为正方向，各发射线圈几何中心对应坐标x1，x2，
…
，xn为x轴上的坐标点，其中x1＝0，xi为第i个发射线圈到第1个发射线圈的间距，i＝1,2,
…
n；
7.s2、将x1，x2，
…
，x
n-1
的激励电流幅值均设定为i
x
，将xn的激励电流幅值设定为(n-1)i
x
；
8.s3、使在超声导波信号被抑制侧的任意一点x任意时刻t0，各信号同时到达点x且叠加后振幅为零，计算出各发射线圈的激励电流初始相位；所述超声导波信号被抑制侧为x＜0的位置；
9.s4、根据各发射线圈的激励电流幅值及激励电流初始相位，计算超声导波信号非抑制侧任意一点的幅值，根据导波信号幅值确定连续扫频的频率范围；
10.s5、根据在连续扫频的频率范围中选择的频率对应的激励电流幅值及各发射线圈的激励电流初始相位，利用扫频多通道超声导波装置对各发射线圈发出激励电流，其中，将x1，x2，
…
，x
n-1
的激励电流幅值均为i，将xn的激励电流幅值为(n-1)i，实现超声导波信号方向控制。
11.作为优选，所述s3包括：
12.使在超声导波信号被抑制侧的任意一点x任意时刻t0，第1个发射线圈至第n-1个发射线圈在声波信号被抑制侧在点x产生的声波信号相位为第n号线圈在该点产生的声波信号相位为波信号相位为为任意值。
13.本发明的有益效果，本发明对现有的方向控制方法进行优化，针对已有方案在某些频率下会导致叠加信号畸变的情况进行有效改善，同时改进激励方式为延迟激励很好地抑制了导波抑制侧的信号泄露，受距离和发射线圈的衰减影响也大大减小。在不改变线圈接线方式的情况下，使用多通道电磁超声导波换能器激励和接收单向传播的超声导波，可对被测对象进行扫频缺陷检测和远程在线监测。
附图说明
14.图1为扫频多通道超声导波装置；
15.图2为发射线圈分布示意图；
16.图3为本发明的流程示意图；
17.图4为导波传播方向侧幅频关系曲线优化效果示意图，(a)表示采用公开号为107121500a的方法获得的n＝2的传播方向侧信号幅频关系曲线，(b)表示公开号为107121500a的方法获得的n＝4的传播方向侧信号幅频关系曲线，(c)表示本发明方法后n＝3的传播方向侧信号幅频关系曲线，(d)表示本发明方法后n＝4的传播方向侧信号幅频关系曲线
18.图5为对波形畸变现象的优化效果示意图，(a)表示理想正弦信号，(b)表示理想正弦信号经汉宁窗调制信号，(c)表示优化前未调制400khz叠加信号，(d)表示优化前经汉宁窗调制400khz叠加信号，(e)表示优化后未调制400khz叠加信号，(f)表示优化后经汉宁窗调制400khz叠加信号；
19.图6为未加延迟激励导波抑制侧残留信号示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
23.本实施方式的扫频多通道超声导波装置包括多通道超声导波发射接收装置1、铁钴合金带2、和发射线圈阵列4，铁钴合金带2通过施加压力或粘结紧贴被测试件3表面，发射线圈阵列4位于铁钴合金带2表面，发射线圈阵列4中每个发射线圈一端与多通道超声导波发射接收装置1的一路发射通道连接，另一路接地，铁钴合金带2和发射线圈阵列4组成换能器。在检测缺陷时，为了使用更好的控制方案激励单向传播的超声导波，需要调节多通道超声导波发射接收装置(1)的各通道激励电流的幅值以及各发射线圈激励电流的激励延时和
初始相位。发射线圈阵列4中每个发射线圈均为单根导线或由单根导线紧密绕制螺旋状线圈，线圈宽度远小于工作频率下超声导波波长。
24.本实施方式提供一种扫频多通道超声导波装置的声波方向控制方法，包括：
25.步骤一、将扫频多通道超声导波装置的换能器安装在被测试件上，如图2所示。发射线圈沿某一方向以任意间距并排分布，发射通道数为n，沿着声波传播的方向将发射线圈编号t1，t2，
…
，tn。以发射线圈t1的几何中心为原点，沿发射线圈分布方向建立坐标轴，声波传播方向为正方向，各发射线圈几何中心对应坐标为x1，x2，
···
xn，其中x1＝0，xi为第i个线圈到1号线圈的间距。各发射线圈激励电流信号可表示为线圈到1号线圈的间距。各发射线圈激励电流信号可表示为其中i＝1,2，
···
n。对于任意位置x《0，在t0时刻在该点各个发射线圈ti产生的声波信号为其中，c为声波的波速，可通过数值方法求解管道中导波的特征方程或使用导波频散曲线绘制软件获得；u
ix
表示第i个发射线圈产生的超声导波传播至x处时的振幅，与传播距离和声波在波导中传播的衰减率有关。
26.步骤二、在计算抑制侧x处各发射线圈产生的声波信号时，由于各发射线圈间的距离非常小，忽略了声波在两个发射线圈间传播时的衰减对计算结果的影响，将发射线圈ti在x处产生的声波信号的振幅近似为u
x
。调整激励源的幅值大小，使得发射线圈的信号幅值满足
[0027][0028]
由于在计算激励电流初始相位过程中，u
x
不影响计算结果，也无需确定u
x
的具体表达式或者数值。此外，由于各发射线圈间的距离非常小，忽略声波在两个发射线圈间传播时的衰减对计算结果的影响，但需要保证换能器所使用的磁致伸缩材料在近似线性工作区。
[0029]
本实施方式在步骤二中将x1，x2，
…
，x
n-1
的激励电流幅值均设定为i
x
，将xn的激励电流幅值设定为(n-1)i
x
；
[0030]
步骤三、使在超声导波信号被抑制侧的任意一点x任意时刻t0，各信号同时到达点x且叠加后振幅为零，计算出各发射线圈的激励电流初始相位；所述超声导波信号被抑制侧为x＜0的位置；
[0031]
本步骤中，不同工作频率下，各发射线圈激励电流激励延时和初始相位确定过程如图3所示，使第1至第n号发射线圈激励的导波同时到达抑制侧任意一点，使第1至第n-1号发射线圈在声波信号抑制侧某点产生的声波信号相位为，第n号线圈在该点产生的声波信号相位为。根据上述关系可求得各发射线圈激励电流的激励延时和初始相位。
[0032]
步骤四、根据各发射线圈的激励电流幅值及激励电流初始相位，计算超声导波信号非抑制侧任意一点的幅值，根据导波信号幅值确定连续扫频的频率范围；
[0033]
本步骤中，利用求得的初始相位计算非抑制侧声波信号的合位移振幅，并绘制非抑制侧信号合位移振幅与工作频率的关系曲线，根据预期的导波信号幅值确定连续扫频的频率范围。
[0034]
步骤五、根据在连续扫频的频率范围中选择的频率对应的幅值u及各发射线圈的激励电流初始相位，利用扫频多通道超声导波装置对各发射线圈发出激励电流，其中，将
x1，x2，
…
，x
n-1
的激励电流幅值均为i，将xn的激励电流幅值为(n-1)i，实现超声导波信号方向控制。
[0035]
本步骤中根据确定连续扫频的频率范围中，选择需要的频率，再找出该频率对应的幅值，利用扫频多通道超声导波装置对各发射线圈发出激励电流，该激励电流的幅值、初始相位按照确定的进行设置。
[0036]
本实施方式的步骤三中，对于超声导波信号被抑制侧的任意一点x，在任意时刻t0发射线圈ti产生的声波信号为其中j＝1,2,
…
n-1；tn产生的声波信号为生的声波信号为表示第1个发射线圈至第n-1个发射线圈的激励电流初始相位，表示第n个发射线圈的激励电流初始相位；c表示被测试件中导波的波速。
[0037]
初始相位确定的具体方法为：
[0038][0039]
通过求解该方程组，可获得激励电流的初始相位。
[0040]
本实施方式可以在由预期的导波信号幅值确定的可用频宽相同的情况下减少使用的发射线圈个数，从而能有效降低成本，发射线圈的使用数量也不再受限制，并且针对已有方案在某些频率下会导致叠加信号畸变的情况进行有效改善，同时改进激励方式为延迟激励很好地抑制了导波抑制侧的信号泄露。使用此方法激励和接收任意频率的单向传播的超声导波，可更好地对被测对象进行扫频缺陷检测和远程在线监测。
[0041]
为了更好地描述本方案在扫频范围扩大方面的优化效果，现给出阵元宽度为5mm、阵元间距为10mm时，优化前n＝2和4的传播方向侧信号幅频关系曲线与优化后n＝3和4的传播方向侧信号幅频关系曲线，分别如图4(a)～(d)所示。
[0042]
记每个线圈激励的导波信号理论最大值为1，由图4易得出，令预期导波信号幅值为理论最大值的70％，优化前n＝2传播方向侧信号的可用频率范围约为50khz～120khz，最大幅值约为1.8；优化前n＝4传播方向侧信号的可用频率范围约为100khz，最大幅值约为2.8；优化后n＝3传播方向侧信号的可用频率范围约为20khz～120khz，190khz～220khz，最大幅值约为2.8(接近理论最大值)；优化后n＝4传播方向侧信号的可用频率范围约为20khz～140khz，180khz～230khz，最大幅值约为3.8(接近理论最大值)。优选实施例中，本实施方式步骤五中，利用扫频多通道超声导波装置发出的激励电流经过汉宁窗后再输入至各发射线圈。
[0043]
为了更好地描述本优化方案在波形形状改善方面的效果，现给出理想波形图、优化前波形图和优化后波形图。可以很好地描述优化前方案在某些特定频率下会发生波形畸变的情况。如图5所示，取频率f为400khz，线圈宽度为5mm，线圈间距10mm，超声波波速为3200m/s，衰减系数取0.9，脉冲个数取16个。其中，(a)和(b)分别为理想情况下不加汉宁窗调制与加入汉宁窗调制的波形示意图；(c)和(d)分别为优化前不加汉宁窗调制与加入汉宁窗调制的波形示意图；(e)和(f)分别为优化后不加汉宁窗调制与加入汉宁窗调制的波形示
意图。
[0044]
由图5易得出，优化前的波形在某些特定频率下的畸变十分严重，加入汉宁窗对其进行调制后的畸变仍十分严重，这将严重影响检测结果分析；而优化后的方案在此频率下的波形与理想情况更加接近，虽有少许拖尾，但在加入汉宁窗进行调制后，其波形与理想情况基本相同。由此可知，优化后的方案可很好地解决部分频率下波形畸变的问题。优选实施例中，本实施方式还包括：加激励延时，延时ti＝xi/c；步骤五中，根据连续扫频的频率范围、频率对应的幅值及各发射线圈的激励电流初始相位、延时，利用扫频多通道超声导波装置对各发射线圈发出激励电流，实现超声导波信号方向控制。
[0045]
为了更好地描述本优化方案声波抑制侧抑制声波的效果，现给出导波抑制侧未加激励延时的波形图(优化前)。如图6所示，未加激励延时会使得导波仍会向导波抑制侧传播，因此不能完全达到方向控制的目的。而优化后加入延迟激励，使得在导波抑制侧的信号可用完全抵消。