[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

摘要

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：S1修正瑞利积分式得到相控阵声场传播的表达式；S2建立任意多层介质中的路径快速算法；S3计算晶片延迟、激发延迟时间：S3-1构建探头晶片、楔块和工件三维坐标系；S3-2对激励信号进行傅里叶变化；S3-3构成路径矩阵；S3-4计算点源延迟时间、扩散衰减以及在穿过每个截面处的反射和透射；S3-5计算目标点信号所产生的声场振幅和相位变换，进行逆变换即可得到每个点源激励信号传播至目标计算点出的声场；S3-6叠加得到目标点出声场值；S3-7划分单元依次计算得到该目标区域的声场分布。本发明可高效地辅助多层复杂结构相控阵检测的工艺设计和缺陷评定。

主权项

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tn、点源扩散衰减系数DF和声束在界面上的投射系数Tr修正瑞利积分式，得到相控阵声场传播的表达式： φ ( r , t ) = Σ n = 0 N ∫ ∫ T DF · Tr · v n ( r T , t - Δt - t n ) 2 π dS ( r T ) ; 式中：φ(r,t)表示介质中点r在时刻t的速度势；rT是探头表面的点源；vn为探头表面源点在时刻t的振动速度；|r‑rT|表示从点源到计算点r处的距离，|r‑rT|/c是指声波从点源传播到计算点处的时间；T表示探头，dS(rT)表示探头点源rT的面积；S2建立任意多层介质中的路径快速算法：设空间中存在一系列的声束传播介质M0，M1，...，MK+1，介质间的界面则依次为F0，F1，...，FK，A、B分别为点源和目标计算点、分处于介质M0和MK+1中，路径快速算法包括以下子步骤：S2‑1在F0界面上取初始点位置O0，0；S2‑2根据A点及初始点O0，0，计算其声束初始路径：A→O0，0→O0，1→...→O0，k；S2‑3根据B点与O0，k点的声束路径，得出Fk面上新的路径节点O1，k，由新路径节点O1，k及原初始路径节点O0，k‑2得出新路径节点O1，k‑1，依次类推得出新的路径节点B→O1，k→...→O1,1→O1,0；S2‑4比较两组路径节点间的位置差，若位置差小于控制误差ε，则停止计算；否则，利用A点与O1，1点求解新节点O2,0，如此类推得出新节点组A→O2,0→O2,1→...→O2,k；S2‑5比较新的两组路径节点间的位置差，若位置差小于控制误差ε，则停止计算；否则返回步骤S2‑3；S3根据声束传播路径来计算晶片延迟，复杂结构晶片激发延迟时间，设激发晶片数为N，并将晶片编号为n（n＝0，1，2,…,N‑1），晶片0为左起第一个晶片，根据两点间路径的算法可以得出任意激发晶片与焦点间的声束路径，从而得出各晶片到达所设焦点出的时间序列t0，t1，...，tn，将该时间序列同时减去其中的最小值即可得探头的延迟法则；声场计算包括以下子步骤：S3‑1构建探头晶片、楔块和工件的三维坐标系，将探头离散成一系列小单元，每个小单元的尺寸小于该工件介质中的超声波波长；S3‑2对晶片的激励信号进行傅里叶变化，得到频域信号，原始信号被分解为一系列单频波信号的叠加；S3‑3依据所建路径快速算法计算每个点源到目前计算点的传播路径，并构成路径矩阵；S3‑4依据所建路径矩阵计算每个点源的延迟时间、扩散衰减以及在穿过每个截面处的反射和透射；S3‑5计算目标点每个单频信号所产生的声场振幅和相位变换，进行逆变换得到每个点源激励信号传播至目标计算点出的声场；S3‑6根据离散单元的面积和点源声场的加权叠加，得到目标点处声场值；S3‑7将计算区域进行划分单元，依次计算空间中感兴趣的点，即可得到该目标区域的声场分布。