声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法及系统

1.本发明属于超声波无损检测技术领域，具体涉及一种声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，适用于不同曲率凸面/凹面几何特征的金属零件超声检测。


背景技术：

2.超声相控阵采用多阵元聚焦成像具有更好的缺陷表征能力和更高的检测精度，在航空航天、石油化工、风电核能和轨道交通等领域应用日益广泛。特别是对于航空机匣异型环件、石油管道、风电轴承的滚道等曲面构件的无损检测，超声相控阵更具优势。目前针对复杂曲面构件，一般采用超声相控阵柔性探头或者曲面阵列探头，此类探头采用接触式检测，存在耦合条件不稳定，检测效率低等问题。水浸超声相控阵检测具有耦合效果好，可适用于曲率变化的复杂表面并可以实现快速自动化扫查，在工业中广泛应用。
3.全聚焦成像算法由于成像分辨率高，信噪比高，成为超声无损检测领域的研究热点。该算法通过采集全矩阵信号，利用全矩阵数据对成像区域内各像素点位置进行信号叠加，其数据量大，计算过程更加复杂，因此全聚焦加速算法和实时成像是目前研究的重点。另外，全聚焦曲面检测存在声场复杂，以及曲面交界面造成的严重信号噪声干扰，检测灵敏度低，这是曲面全聚焦成像检测迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，通过该方法可以实现具有不同曲率凸面/凹面截面几何特征的金属零件超声全聚焦高分辨率快速成像，解决曲面全聚焦成像噪声严重的问题，利用阵元声场仿真确定有效成像区域，在提高成像质量的同时，提高成像速率。
5.本发明为达上述目的所采用的技术方案是：
6.提供一种声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，包括以下步骤：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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；
11.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；
12.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。
13.接上述技术方案，曲面全聚焦的检测参数的确定过程如下：
14.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；
15.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：
16.a.各阵元在凹面内的纵波发射盲区小于待测区域的1/4；
17.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；
18.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。
19.接上述技术方案，阵元在双介质曲面中的声场仿真方法如下：
20.根据声学理论，得到双介质平面线源模型声压计算公式：
[0021][0022]
其中，v0(ω)为阵元沿其宽度方向的空间平均分布速度，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：
[0023][0024]
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：
[0025][0026]
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。
[0027]
接上述技术方案，声场阈值分割的曲面全聚焦成像优化方法如下：
[0028]
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；
[0029]
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。
[0030]
本发明还提供了一种水浸全聚焦检测系统，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上述声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法。
[0031]
本发明所达到的有益效果：本发明所提出的声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，通过合理设计曲面全聚焦检测参数，可减小阵元在曲面待测区域的盲区和提高待测区域声场能量分布。本发明通过对阵元曲面声场进行阈值分割，利用声场仿真阈值可确定阵元在曲面内部的有效计算区域，减少了无效区域的聚焦点参与运算，从而避免了冗余数据运算量，在保证缺陷成像质量的同时，有效提高全聚焦成像算法效率和成像信噪比。
附图说明
[0032]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0033]
图1是本发明的水浸超声全聚焦检测系统示意图；
[0034]
图2是本发明的全聚焦阵元在曲面内的检测盲区；
[0035]
图3是本发明的阵元发射声波在双介质曲面中的辐射路径；
[0036]
图4是本发明的具体实施例中航空发动机进气机匣环锻件尺寸图；
[0037]
图5是本发明的具体实施例中曲面全聚焦成像原始结果图；
[0038]
图6是本发明的具体实施例中不同阵元曲面声场仿真图；
[0039]
图7是本发明的具体实施例中不同阵元曲面声场阈值分割图；
[0040]
图8是本发明的具体实施例中曲面全聚焦成像优化结果图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042]
实施例1：
[0043]
如图1所示，本发明实施例的水浸全聚焦检测系统包括水箱、待测曲面零件、线性超声相控阵探头、超声相控阵检测仪和计算机，其中计算机中安装了超声检测软件。超声检测软件主要执行声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法。
[0044]
本发明实施例的声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法主要包括如下步骤：
[0045]
步骤(1)：根据待测曲面零件材料和曲面曲率，确定探头频率f、阵元数量n、阵元宽度d、阵元间隔p和水层高度h等检测参数；
[0046]
步骤(2)：将待测曲面零件浸入水中，按照所述检测参数放置超声相控阵探头，分别对凸面和凹面位置进行检测，采集全矩阵数据，对于n个阵元的线性超声相控阵探头，依次激发n个阵元，总共可获得n
×
n组数据,其中信号s
ij
为第i个阵元发射，第j个阵元接收的
信号；
[0047]
步骤(3)：根据待测曲面零件的截面几何形状，将检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仿真；
[0048]
步骤(4)：根据各阵元声场强度的最大值的一定比例(如1/8～1/2，本发明优选1/4)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；
[0049]
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结果；
[0050]
步骤(6)：根据步骤(5)所获得的零件全聚焦优化图像，分析待测曲面零件凸面和凹面待测区域缺陷尺寸和位置，完成曲面零件的检测与成像。
[0051]
上述超声相控阵全聚焦算法是指将全矩阵数据的所有发射
‑
接收阵元组合在该聚焦点的声压幅值进行叠加，为现有技术，在这里不再详述。
[0052]
作为本发明的优选方案，步骤(1)中,全聚焦曲面探头参数和检测参数设计方法如下：
[0053]
相控阵探头参数选择需根据待测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；对于检测精度要高的，需选择的阵元间隔p更小。
[0054]
本发明采用完全水浸式全聚焦检测方法，利用纵波信号计算聚焦点幅值，由于超声波在曲面界面有不同的入射角，当入射角小于第一临界角时，超声波会产生折射纵波和横波，当入射角大于第一临界角时，超声波只产生折射横波。为保证全聚焦曲面检测的精度，减小无效阵元的横波干扰，相控阵探头各阵元在曲面界面需产生折射纵波，保证有足够能量纵波注入曲面零件。
[0055]
因此，曲面全聚焦检测的相控阵探头参数和检测参数需满足以下条件：
[0056]
a.为保证各阵元在待测区域内的能够获得有效检测信号，各阵元在凹面内的纵波发射盲区需小于待测区域的1/4。
[0057]
如图2所示，各阵元在凹面内的纵波发射盲区计算方法为：假设第i个阵元m
i
(x
1i
,y
1i
)在工件界面的入射角为α
i
，第i个阵元发射的超声波在界面交点为q
i
(x
2i
,y
2i
)，假设凹面圆弧方程为：凹面圆心坐标为o
a
(0,h
‑
r)，直线q
i
o
a
斜率k
1i
为：
[0058][0059]
第i个阵元中心与界面交点q
i
所在直线方程斜率由两点坐标可求出：
[0060][0061]
故第i个阵元在曲面介质的入射角为：
[0062][0063]
所述超声波从耦合剂入射到凹面的第一临界角为当第i个阵元的入射角α
i
＝α1，代入上述等式可得界面交点q
i
(x
2i
,y
2i
)坐标，由此可求得该阵元在凹面内部的检测盲区为图2中q
i
点右侧区域，要求该区域小于待测区域的1/4。
[0064]
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需小于半扩散角，阵元阵列方向的半扩散角为：
[0065][0066]
其中λ为超声波波长，d为阵元宽度。当第i个阵元在曲面界面的入射角为第一临界角时，阵元的声束扩散角为：
[0067][0068]
当阵元的声束扩散角大于半扩散角γ0声波的能量大大减弱，因此要求γ
i
<γ0。
[0069]
c.由于凸面检测不存在发射盲区，因此只要求凸面检测所用探头阵列宽度(n
‑
1)*p大于待测区域宽度范围。
[0070]
作为本发明的优选方案，步骤(3)中,曲面阵元声场仿真方法如下：
[0071]
现有文献资料中，给出了超声换能器在平面介质中的声场仿真方法，但尚未给出曲面介质的声场计算方法。本发明根据双介质平面线源活塞积分模型和交界面射线理论，推导了线性阵元曲面声场的计算方法。如图3所示，根据声学理论，可得双介质平面线源模型声压计算公式：
[0072][0073]
其中，v0(ω)为阵元沿其宽度方向的空间分布平均速度，即：(ω)为阵元沿其宽度方向的空间分布平均速度，即：
‑
e<x<e，e是阵元宽度，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
的声压可视为虚拟声源m
i
′
沿直线传播至f
i
点，虚拟声源到入射点的距离为：
[0074][0075]
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q
i
点的切线斜率为y
′
＝f
′
(x
2i
),其中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：
[0076][0077]
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定律可求得折射角
代入公式(7)可求得距离l
1i
′
，再代入公式(6)可求得线源模型在曲面中的声压计算值。
[0078]
作为本发明的优选方案，所述步骤(4)中,利用阵元声场阈值分割对曲面内部的有效成像区域确定方法如下：
[0079]
通过曲面全聚焦声场仿真计算，可确定各阵元在曲面内部的声压分布和声波能量集中区域。通过设置合理阈值，可筛选各阵元在曲面内部能量较强的有效区域进行全聚焦成像运算，在保证成像质量的同时，可避免各阵元无效区域的杂波干扰，提高全聚焦成像运算效率。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作为阈值即
[0080][0081]
将各阵元声场区域按阈值分割，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。传统的全聚焦成像方法是将所有发射
‑
接收阵元组合在成像区域内的聚焦点依次进行声压幅值的叠加，即某聚焦点的叠加幅值为：
[0082][0083]
式中，t
ij
(x,y)为阵元m
i
(x
1i
,0)发射超声波到达聚焦点f(x,y)，再由阵元m
j
(x
1j
,0)接受到超声波的传播时间。由此可得，有效区域优化后的全聚焦成像算法为：
[0084][0085]
式中，c
i
(x,y)为有效区域系数矩阵，由声场仿真结果和阈值筛选生成，其中在阈值范围内的聚焦点系数定义为1，在阈值范围外的无效区域系数定义为0。
[0086]
实施例2：
[0087]
如图4所示，本实施例的目标为航空发动机进气机匣环锻件曲面区域检测：凸面区域r＝15mm，加工了直径1.2mm的横通孔缺陷；凹面区域r＝20mm，分别加工了直径0.5mm、1.0mm和1.5mm横通孔缺陷，材料为钛合金tc2，纵波声速为6163m/s，密度4.55g/cm3。
[0088]
本发明实施例的航空发动机机匣环锻件超声全聚焦检测和成像优化包括以下步骤：
[0089]
步骤(1)：本发明采用一个线性相控阵探头水浸法检测，探头频率10mhz，探头阵元数量为n＝64，阵元间隔p＝0.3mm，凸面中心距离探头水层高度h＝10mm，凹面中心距离探头水层高度为h＝10mm；
[0090]
步骤(2)：将待测曲面零件浸入水中，按照步骤(1)检测参数放置超声相控阵探头，分别对凸面和凹面位置进行全矩阵数据采集，按传统全聚焦成像算法得到原始的全聚焦成像结果如图5所示；
[0091]
步骤(3)：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仿真，仿真结
果如图6所示；
[0092]
步骤(4)：通过计算中心阵元的声场强度，其最大声压值为p
max
＝0.395，以最大声压的1/4作为阈值，即thresold
i
＝0.098，如图7所示，对凸面和凹面待测区域进行有效区域阈值分割；
[0093]
步骤(5)：各阵元对有效区域内的聚焦点进行幅值叠加计算，得到有效区域优化全聚焦成像结果，如图8所示。
[0094]
步骤(6)：分析全聚焦成像优化结果，可检测所有缺陷，缺陷图像信噪比大幅度提高，通过计算各缺陷图像信噪比可知，凸面缺陷相对原始成像结果信噪比由40.05db提高到48.43db；凹面0.5mm缺陷相比原始成像结果信噪比由10.1db提高到22.9db，凹面1.0mm缺陷成像信噪比由26.41db提高到40.78db，凹面1.5mm缺陷成像信噪比由19.12db提高到34.16db。
[0095]
通过对比全聚焦成像原始结果和有效区域成像优化结果，可以看出优化后的图像噪声斑点明显减小，缺陷幅值几乎不变。
[0096]
综上，本发明根据待测曲面零件曲面几何特征，设计了探头参数和最佳检测参数；在双介质平面声场仿真的基础上，给出了双介质曲面超声换能器声场的仿真计算方法；通过阵元在双介质曲面内部的声场仿真结果，利用声场仿真的阈值分割各阵元的有效成像区域，利用各阵元有效区域进行全聚焦成像，阵元无效区域聚焦点的冗余计算，提高全聚焦成像效率，由于减小了冗余区域杂波信号的干扰，有效提高了成像信噪比和成像质量。本发明对于复杂零件的水浸超声全聚焦高灵敏度检测和快速成像具有重要的工业应用价值。
[0097]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。