[发明专利]相控阵超声探头在多层介质中探伤时声场分布的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声声场分布的计算方法，尤其是涉及一种相控阵超声探头在多层介质中探伤时声场分布的计算方法。

背景技术

相控阵超声探头是由一组相对独立的晶片组成，每个独立的晶片都能发射超声波波束。按照不同的规则激发所有晶片或是部分晶片，使得不同激发时间的各晶片所发射的超声波波束叠加形成不同的波阵面，从而可实现声束偏转、聚焦及扫描等效果的控制。相对于常规超声波检测，相控阵探伤的优势是：（1）探头在不移动或者小范围移动的情况下，得到大的声束覆盖范围，可用于解决复杂空间结构对检测空间限制的问题；（2）可实现高速电子扫描，对试件进行高速，全方位检测，可以大幅度提高超声检测效率；（3）可实现动态聚焦，提高检测灵敏度，从而不需要大尺寸的聚焦探头实现超声波声束的聚焦。

晶片阵列的激励和接受时间延迟法则是相控阵检测工艺设计的关键。现有的相控阵仪器内置算法一般是基于晶片阵列在半无限大空间的发射声线和声程计算，在参数设置中仅需要输入焦距和偏转角度，未考虑结构和材质特殊性的情况。然而，被检工件可能是具有堆焊层的多层结构，甚至呈现不对称、变截面、变曲率以及变厚度空间分布特性，这些导致超声检测过程中超声波声束在其中发生不可预知的扭曲偏折，这种情况的延迟法则不能用常规算法获取，而且声场分布的不确定性也增加缺陷回波信号误判和漏检的可能性。因此，相控阵超声探头在多层复杂介质中声场分布计算在检测工艺设计和缺陷回波分析都显得十分必要。

在理论声学领域，通常采用数值模拟方法来计算复杂情况下的声学传感器发射声场及传播声场，如有限元法、有限差分法等。但是数值法的计算量较大，其算法无法植入便携式仪器，同时在工程检测现场应用可能无法兼顾检测效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提出一种相控阵超声探头在多层介质中探伤时声场分布的计算方法，进行多层复杂结构相控阵超声检测的工艺设计和缺陷回波分析，并为在相控阵超声检测仪器上植入多层结构检测的晶片延迟法则算法提供可能性，从而在保证检测能力的前提下，提高检测效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种相控阵超声探头在多层介质中探伤时声场分布的计算方法，包括以下步骤：

S1用相控阵晶片延迟时间t_n、点源扩散衰减系数DF和声束在界面上的投射系数Tr来修正瑞利积分式，得到相控阵声场传播的表达式为

φ(r,t)=Σn=0N∫∫TDF·Tr·vn(rT,t-Δt-tn)2πdS(rT)]]>

式中：φ(r,t)表示介质中点r在时刻t的速度势；r_T是探头表面的点源；v_n为探头表面源点在时刻t的振动速度；|r-r_T|表示从点源到计算点r处的距离，|r-r_T|/c是指声波从点源传播到计算点处的时间；T表示探头，dS(r_T)表示探头点源r_T的面积；