[发明专利]一种用于微裂纹检测的非线性超声相控阵成像方法

说明书

技术领域

本发明属无损检测领域，具体涉及一种非线性超声相控阵成像方法，该方法用于非线性源(如疲劳裂纹)的检测与识别。

背景技术

结构在长期服役过程中受到疲劳载荷、冲击及腐蚀、高温等环境因素的作用会逐渐老化，表现为出现不同程度的损伤。其中，疲劳裂纹是一种不稳定性缺陷，对结构的潜在危害性最大。在外界因素的作用下，疲劳裂纹可能发生迅速扩展使结构发生突然断裂。因此，采取有效的手段实现结构疲劳裂纹的早期检测、定位，对于确保重大基础设施的正常运行和人们生命财产安全至关重要。

非线性超声技术对材料微观组织结构、机械损伤以及组织病理的敏感性高，特别适合于结构中疲劳裂纹的检测。但目前的非线性超声测量结果或局限于空间平均值，或通过繁琐的成像实现隐式的局部化，缺乏有效的非线性超声成像手段。同时，这些隐式的非线性成像方法需要利用光学测量方法获得检测点信息，其检测范围因而仅局限于表面测量，使这些技术的应用受到了很大限制。

与之相反，线性超声成像因相控阵技术而变得极为容易。全矩阵成像是近年来广泛应用的一种阵列成像方法。与相控阵成像中阵元的并行激励不同，在全矩阵成像中，利用全矩阵数据采集模式，对阵元进行顺序激励，并在后处理中对全矩阵数据施加虚拟时延，以等价地仿效施加物理时延下的并行激励。将顺序激励并通过后处理实现的虚拟聚焦和阵元并行激励实现的真实聚焦分别称为顺序聚焦和并行聚焦。利用上述两种相控阵激励方式，将非线性与相控阵技术相结合，考虑两种激励模式下聚焦点处的非线性响应的差别表征聚焦点处是否存在疲劳裂纹，从而实现疲劳裂纹的空间定位。

本文创新点在于提出了一种基于并行激励、顺序激励两种相控阵激励方式下扩散声场能量差的非线性阵列成像方法，综合考虑超声波与微缺陷相互作用的多种非线性效应，能够较精确地实现微缺陷定位检测。

发明内容

本发明的目的在于发展一种基于两种相控阵聚焦方式下扩散声场能量差的非线性阵列成像方法，通过该方法可以较精确地确定微缺陷的位置。基于不同相控阵聚焦方式下扩散声场能量差的非线性成像方法利用顺序聚焦与并行聚焦方式中阵列成像区域中聚焦点的相对能量差表示该点的非线性效应，存在非线性源(微缺陷)时聚焦点的相对能量差较大，因而可以判断非线性源的有无。

本发明提出的基于两种相控阵聚焦方式下扩散声场能量差的非线性成像方法，其基本原理如下：

两种聚焦检测模式中超声波的线性传播特性相同，但其非线性传播特性不同。并行聚焦时，结构中聚焦位置处的绝对声压要高于顺序聚焦时任意单独激励下的绝对声压。因此，在并行聚焦检测时，若聚焦点处存在损伤等非线性源，其非线性效应将会导致更多的能量从基波频率向其它频率转移。因此，顺序聚焦和并行聚焦两种检测成像方法在聚焦点处激励的线性响应及成像结果完全相同，但两种方法在聚焦点处激发的非线性响应及激励带宽内(基波)的能量损失有很大的差别。

一般说来，介质的非线性响应不仅包含高次谐波，也包含分谐波以及激励带宽内频率分量的和频、差频的组合，而这些非线性效应的共性是有能量从激励带宽的转移。因此，利用激励带宽内(基波)的能量损失作为非线性表征指标，考虑到了疲劳裂纹可能产生的多种非线性效应，可望大大提高对疲劳裂纹的检测能力。

基于相控阵聚焦原理的微裂纹定位方法的关键是需要获得两种聚焦检测模式中聚焦点处激励带宽内(基波)的能量损失。由于超声测量系统无法直接获得聚焦点处的超声场，因此，需要对聚焦声场的传播及分布特性进行研究，以找到一种可用于聚焦点处基波声能损失计算的有效途径。

首先，分析两种检测模式下声能损失差异的时间、空间分布特点。在两种检测模式下，波的线性传播特性对声能的干涉作用是相同的，且仪器非线性和阵列与试件界面接触非线性对声能传输的影响也相同。同时，在非聚焦处，由于各阵元发射的超声波没有发生相互干涉作用，其非线性相互作用造成的激励带宽内(基波)的能量损失也是相同的。因此，激励频带内(基波)的能量差别仅仅是由于聚焦点处聚焦时刻的幅值差异造成的。因此，可以利用聚焦时刻以后任意瞬时两种聚焦检测方法得到的系统总声能的差值来表征聚焦点处的相对非线性能量损失。为此，可以通过对后续的扩散声场分析来实现。