[发明专利]旋转声场作用下非规则缺陷散射声场的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于工业超声无损检测技术领域，涉及一种旋转声场作用下非规则缺陷散射声场的计算方法。

背景技术

管材、轴类及棒材等作为在国民经济和国防建设相关领域具有广泛应用的圆柱类零部件或原材料，一直以来对无损检测技术具有强烈的需求。而超声无损检测技术由于在安全性、适用性、自动化能力以及特征参量丰富性等方面具有其它方法难以媲美的优势，已成为工业无损检测领域中应用最为广泛的检测技术。通过超声换能器阵列旋转、待检对象直线运动的全程螺旋式扫描检测，产生全局的旋转超声场，在声束空间覆盖的完备性、信息携带的完整性以及各类缺陷的敏感性等方面都具有明显的技术优势，并可极大地抑制振动而提高检测效率，是一种高性能的技术手段。

超声无损检测实质上就是实现对缺陷与检测声场作用过程的监控及作用结果的表征，在追求作用过程声束完备覆盖和对不同缺陷敏感表征的基础上，实现作用结果信息的完整携带和高保真解读。因此，超声无损检测技术最基本的理论基础在于明确缺陷散射体与检测声场的作用机理，实现对不同入射声场作用下各类缺陷散射体散射场的计算。基于旋转声场的无损检测过程中，入射声场的特性随着运动在不断地发生变化，缺陷相对于声场的空间位置与姿态不断变化，如果采用传统散射声场计算方法，势必需要根据入射声场特性的变化不断重复散射计算模型设定、网格划分和初边条件确定等步骤，带来运算量大和计算过程复杂的问题，加之实际应用中多是非规则缺陷，传统方法的计算效率将更加难以满足应用需求。另外，在以求解弹性波传播控制方程为目标的散射声场分析方法中，缺陷散射过程被视作是将入射检测声场映射为散射声场的算子，在声学上该过程可等效为一种具有高维自由度的分布参数系统，由于引入了旋转声场，将会进一步增加该分布参数系统的自由度。从检测技术全局角度考察，这种高维的分布参数系统势必会大幅降低整体技术后续过程的效率，包括旋转检测声场优化、反射回波信号分析以及缺陷特性定量反演等步骤的运算效率。

因此，有必要发展一种高计算效率的非规则缺陷旋转散射声场计算理论，实现对不同入射声场作用下各类缺陷散射体散射场的计算；并且对其进行降维处理，利用有限维自由度系统逼近原始散射模型，提高全局检测技术处理的效率。

发明内容

为了明确非规则缺陷与任意旋转检测声场的作用机理，实现对不同入射声场作用下各类缺陷散射体散射场的高效计算，本发明提出一种任意旋转声场作用下非规则缺陷散射声场的计算方法。考虑到非规则缺陷散射体几何边界的复杂性，采用多分辨率几何建模由粗及精分层刻画进行缺陷图形化描述的策略，而对于缺陷散射声场的计算，利用基尔霍夫近似与T矩阵离散数值算法混合的求解模式，并针对裂纹和分层等高度非球形缺陷计算T矩阵时难以收敛的情况，将离散源法融入T矩阵算法，解决收敛性问题。为降低原始散射模型的自由度，采用本征正交分解算法POD建立缺陷散射的缩减自由度模型。

本发明采用的技术方案是：

缺陷散射体与旋转检测声场的相互作用实际上是一个弹性动力学边值问题。因此，可根据待检对象材料、声学特性及其空间分布情况，采用弹性动力学理论建立控制方程，并在确定缺陷边界条件的基础上，应用相应的算法实现在任意旋转检测声场作用下非规则缺陷散射声场的计算，达到对非规则缺陷散射体与任意旋转检测声场作用结果定量描述的目的。

本发明方法的具体步骤包括：

步骤一：将缺陷散射声场划分缺陷包围盒内近场和包围盒外远场两部分。

步骤二：缺陷包围盒外的缺陷散射远场用基尔霍夫近似方法计算。

步骤三：在缺陷包围盒内部采用T矩阵法求解缺陷散射声场，并将离散源法融入T矩阵法，解决高度非球形缺陷散射场计算的收敛性问题。

步骤四：利用本征正交分解算法POD建立缩减自由度模型。

步骤五：利用Dirichlet边界条件，得到缺陷的全局散射声场。

进一步说，步骤一中的划分是根据缺陷散射体的几何尺寸、空间位置、姿态指向以及材料特性，用适合形状的包围盒将缺陷包围住，将散射声场划分为近场和远场。

进一步说，步骤二中基尔霍夫近似方法计算过程中忽略沿缺陷表面传播的波，将散射场近似为缺陷上每个点的切平面的反射声场的叠加，体积型散射体的散射远场为