基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

焊缝超声相控阵检测数据深度学习降噪方法

超声相控阵检测技术在焊缝检测中具有广泛的应用.超声相控阵检测技术检测信号中常混入噪声导致检测成像时难以分辨真实的缺陷特征.这些噪声主要为无关的反射信号和局部相关的结构噪声,传统的超声图像降噪方法难以有效滤除这些噪声,且存在计算效率低、参数优化复杂等问题.该文提出了一种基于深度学习的焊缝超声相控阵检测技术检测S扫图像的降...     

车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统研究*

针对火车车轮检测中常规超声波探伤存在的检测灵敏度低、声束灵活性差、信噪比低等问题,研究了超声相控阵在火车车轮轮辋检测中的应用。本文介绍了超声相控阵检测技术的原理,并从超声相控阵换能器、硬件系统和软件系统三个方面阐述了火车车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统的研究过程。最后通过人工模拟缺陷的相控阵检测实验,测试了该检测系统的性能,验证了相控阵检测设备具有灵敏度高、声束可控性好和可靠性高等优点。     

相控阵超声缺陷检测数据压缩感知

为了解决超声相控阵信号采集、存储和传输中数据量大的问题,研究了压缩感知在相控阵无损检测信号和图像压缩重构中应用的可行性。首先使用5种贪婪算法对相控阵仿真信号进行压缩重构,根据百分比均方误差选取最优算法并考虑了噪声对精度的影响,结果表明压缩感知可以用低于奈奎斯特极限的测量点数准确重构原始图像;其次用人工缺陷回波信号进行实验验证,通过稀疏度计算选择适用相控阵信号的最优稀疏基,并通过5种传感矩阵的优化选择进一步提高了重构精度。实验结果尽管达不到仿真中的理想效果,但是能以少量测量值准确恢复图像,并能保证缺陷的识别,说明压缩感知算法可以有效提高相控阵缺陷检测效率。此外,在保持测量点数相同的情况下,仿真和实验都研究了不同采样率对重构精度的影响,当测量点数超过一定值时,证实了压缩感知实际与采样率无关。     

超声相控阵距离幅度曲线计算方法

超声相控阵偏转聚焦声场能量分布不均匀,造成不同位置的缺陷回波幅度差异,针对该缺陷量化问题,提出超声相控阵系统距离幅度曲线理论计算方法。在非近轴近似声场模型的基础上,结合缺陷散射模型来建立相控阵系统测量模型,再利用该方法来预测不同位置横通孔缺陷的回波信号,进而获得信号幅度随位置的变化曲线。分析对比了不同偏转聚焦声束理论计算结果与实验测量结果,两者幅度在焦点附近具有较好的一致性,偏差在5%以内,验证了超声测量模型计算方法的有效性。     

各向异性焊缝中超声相控阵瞬态声场仿真及缺陷定位方法

针对多层各向异性奥氏体不锈钢焊缝中超声相控阵瞬态声场的仿真问题,提出应用高斯声束等效点源模型计算宽带离散化的多个单频稳态声场,通过傅里叶变换将其拓展为瞬态声场,并分析了声场转换过程的主要影响参数。该方法可快速计算焊缝内部超声相控阵聚焦声场的瞬态能量分布和任意一点的时域波形信号。在此基础上针对多层奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的超声相控阵成像检测问题,提出利用上述时域高斯声束法对多通道缺陷散射信号进行时间反转计算,并根据时域声场焦点确定缺陷位置。最后通过实验,验证使用此方法检测实际奥氏体不锈钢焊缝试块内部缺陷的效果。结果表明,提出的方法能够确定缺陷位置,且计算速度快、运算量小,适合作为多层介质内部缺陷实时成像的声场仿真模型。     

基于衍射波的孔类缺陷超声相控阵定量方法研究

针对常规超声检测方法对小孔型缺陷难以准确定量的问题,利用超声相控阵的声束偏转聚焦和成像技术,基于声波在体积缺陷处的衍射特性,提出采用一次反射回波和衍射回波来确定体积缺陷的直径尺寸。以横孔模拟孔型缺陷,利用动态光弹技术对声波入射横孔的传播规律进行研究,并采用超声相控阵对孔径为Φ1-Φ4mm不同埋深以及相同埋深下Φ0.8-Φ4.8mm的等差横孔进行了试验。研究结果表明利用本文提出的定量方法能快速有效的确定孔型缺陷直径尺寸,实际计算值与理论值误差较小,对相控阵的定量问题研究具有一定的参考价值。     

在役枞树型叶根原位相控阵超声检测技术*

本文是利用相控阵超声检测成像技术对枞树型叶根进行全覆盖检测系列文章的第二篇。根据检测工艺制作人工缺陷参考试块对叶根不同区域缺陷的检测覆盖和检测灵敏度进行验证研究,并与CIVA模拟缺陷信号结果进行对比。首先采用文章Ⅰ得出的全覆盖检测工艺进行相控阵超声检测实验,针对叶根检测空间受限设计了夹具对探头进行控制,保证了耦合与检测结果的重复性,实现叶根检测数据与检测位置的对应。检测结果表明：(1)叶根内、外弧缺陷相控阵检测数据成像与Civa仿真缺陷模拟检测结果基本一致,说明利用三维扫描尺寸建模和声学仿真模拟软件可有效解决不同规格枞树型叶根全覆盖检测工艺开发难题;(2)根据相控阵检测数据S视图和A视图,结合叶根截面外形结构图可有效判别叶根各截面第1齿根处的缺陷,实现了叶根相控阵全覆盖检测;(3)按照该相控阵组合检测工艺检测出的缺陷信号信噪比高,定位精准,能有效实现在役叶根原位检测。研究结果对相控阵超声技术在汽轮机叶根在役检测工程应用具有较大的参考价值。     

奥氏体不锈钢窄间隙焊缝侧壁未熔合相控阵超声检测*

针对核电站主管道奥氏体不锈钢窄间隙焊缝侧壁未熔合超声检测困难的问题,该文开展基于电子背散射衍射技术的相控阵超声检测研究,并结合全聚焦方法和相位相干成像方法抑制结构噪声。利用电子背散射衍射技术建立壁厚69.5 mm,且同时包含母材和焊缝的奥氏体不锈钢窄间隙焊缝模型。沿焊缝熔合线设置深度26.5 mm、高度3.0 mm的侧壁未熔合,经过仿真优化确定了中心频率2.25 MHz、32阵元以及45°纵波楔块的相控阵超声检测参数。仿真和实验检测结果显示,侧壁未熔合检测信噪比相差不超过0.6 dB,验证了所建模型的有效性。在此基础上,利用全聚焦方法和相位相干成像方法削弱结构噪声,检测信噪比较相控阵扇扫描图像分别提升2.3 dB和4.7 dB,且侧壁未熔合深度与高度定量误差均不超过6.7%。     

基于分布式超声无损检测方法的零件内部缺陷检测

超声检测广泛应用于工业检测,比如超声相控阵检测法和超声A扫应用于零件内部缺陷检测。然而,这些方法可以检测出缺陷位置却很难精确地检测缺陷尺寸,缺陷定量成了急需解决并且很有意义的问题。本文提出了一种分布式超声无损检测方法,将超声探头均匀布置在检测表面,每一个超声探头可以同时发射和接收超声信号,通过对接收到的信号进行处理来重构缺陷轮廓。基于分布式超声无损检测方法,重构零件的人造缺陷并建立相应的声学仿真模型。通过多项式拟合法和聚类法分别处理实验和仿真所获得的数据并重构缺陷轮廓。实验结果和仿真结果显示重构的椭圆形缺陷和正方形缺陷具有一定的精度。结果表明分布式超声无损检测方法有潜在的应用价值和理论意义。     

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。     

带斜楔相控声束偏转聚焦延时特性研究

带斜楔的相控阵超声检测广泛应用于低碳钢薄壁工件焊缝的检测,研究带斜楔的相控阵超声偏转聚焦检测延时法则和对应的声场将使检测可靠性进一步提高。本文利用费马原理探究了相控阵超声探头辐射声波至楔块中,在楔块-工件平面界面发生模式转换入射到工件中的横波聚焦时各阵元延时的计算方法,数值求解指定焦点时各阵元的延时,并利用计算得到的延时进行声场仿真和实验测量,发现声波能很好的聚焦在目标点,仿真和实验结果吻合。     

相控阵超声接收动态聚焦算法及其物理实现

本文提出一种新的相控阵接收动态聚焦的实现方案,在传统的单接收聚焦点接收的基础上,把各换能器单元接收信号的补偿位置计算出来,在各通道数据叠加前将数据动态补偿,实现各个采样点都接收动态聚焦。在工程上,实际检测深度有一定范围限制,补偿点数其实并不是太大,所以方法具有可实现的条件。并且在计算补偿点时,可以使用楔块折射后的声波传播路径,使在折射的条件下也可成功动态聚焦。本文提供了计算补偿点的方法,最后给出了计算机仿真对比和物理实现方案,仿真结果可以看出成像效果与传统单点聚焦相控阵对比有了显著提高。提出的动态聚焦的方法很大地改善了成像质量,方法具有实用价值。     

An ultrasonic multi-wave focusing and imaging method for linear phased arrays

To overcome the inherent limits of traditional single wave imaging for nondestructive testing,the multi-wave focusing and imaging method is thoroughly studied.This method makes the compressional waves and shear waves focused in both emission and reception processes,which strengthens the focusing energy and improves the signal-to-noise ratio of received signals.A numerical model is developed to study the characteristics of a multi-wave focusing field.It is shown that the element width approaching 0.8 wavelengths of shear waves can keep a balance between the radiation energy of two waves,which can achieve a desirable multi-wave focusing performance.And an experiment using different imaging methods for a linear phased array is performed.It can be concluded that due to the combination of the propagation and reflection characteristics of two waves,the multi-wave focusing and imaging method can significantly improve the imaging distinguishability of defects and expand the available sweeping range to a sector of-650 to 65°.