[发明专利]一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法

摘要

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法。本发明方法基于超声反射原理，通过选用超声反射镜阵列线性扫面阵列换能器构建了一种快速超声扫描可视化成像方法，实现了复合材料结构筋条区不同部位的快速超声扫描可视化成像检测，通过选择不同扫查方式和入射方向及阵列换能器，实现不同复合材料结构筋条区的超声可视化成像检测。实际检测效果表明，明显提高了超声对复合材料结构筋条区不同部位检测的可视化程度和缺陷检出率及检测效率，可检测出复合材料结构筋条区不同部位中Ф3mm的分层，可视化成像质量非常清晰，取得了很好的实际检测效果。

主权项

1.一种检测复合材料结构筋条区的超声可视化成像方法，其中，所采用的装置由用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器(1)、超声阵列单元(2)、信号处理单元(3)和成像单元(4)组成，在超声阵列单元(2)激励超声阵列换能器(1)发射超声波信号，此超声波信号通过耦合介质传播到被检测复合材料结构筋条区内部，并在被检测复合材料结构筋条区内部形成反射超声波信号，此超声波信号被超声阵列换能器(1)接收，并经超声阵列单元(2)预处理后，由信号处理单元(3)进行数字化，再由成像单元(4)按照所建立的显示模型进行成像，其特征是，(1)检测部位将被检测复合材料结构筋条区(5)分为以下几个检测部位：1)筋条区(5)的右侧底边部位(5A)；2)筋条区(5)的左侧底边部位(5B)；3)筋条区(5)的立边部位(5C)；(2)入射方向选择选择从筋条区(5)的右侧底边和左侧底边及立边方向作为入射方向进行超声可视化成像检测：a)入射方向①：适用于筋条区(5)的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮(5D)区部位的超声可视化成像检测；b)入射方向②：适用于筋条区(5)的左侧底边部(5B)及对应的蒙皮(5D)区部位的超声可视化成像检测；c)入射方向③：适用于筋条区(5)的立边部位(5C)的超声可视化成像检测；(3)超声阵列换能器(1)的选择1)类型选择选择用于复合材料结构筋条区检测的超声阵列换能器(1)，对被检测复合材料结构筋条区(5)的左侧底边部位(5B)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的立边部位(5C)进行检测，用于复合材料结构筋条区(5)的超声阵列换能器(1)主要包括超声反射镜(1C)、超声透射镜(1D)、压电晶元阵列(1E)、匹配层(1F)、阻尼块(1G)、外壳(1H)、连接座(1J)，其中，外壳(1H)为一长方体，在此长方体内部为贯通内长方孔，在此长方体下端前后外侧有用于锁紧超声反射镜(1C)的小凸台及贯通孔，压电晶元阵列(1E)由N个压电晶元组成，N为压电晶元阵列(1E)的压电晶元数，压电晶元阵列(1E)的大小与匹配层(1F)的大小匹配，匹配层(1F)和阻尼块(1G)的大小与外壳(1H)贯通内长方孔匹配，按照阻尼块(1G)+压电晶元阵列(1E)+匹配层(1F)的组合关系封装在外壳(1H)的内部，超声透射镜(1D)为一矩形45°透声斜契，相对于45°斜切面的一端平面与匹配层(1F)保持声学耦合，利用螺母穿过外壳(1H)中的固定用的贯通孔与超声透射镜(1D)中两个配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，相对于超声透射镜(1D)中的45°斜切面的另一端平面，即入射面(1K)与被检测复合材料结构筋条区(5)中的右侧底边部位(5A)或左侧底边部位(5B)或立边部位(5C)表面之间保持接触或非接触声学耦合，超声反射镜(1C)为一矩形45°反声斜契，此矩形45°反声斜契中的45°斜切面与超声透射镜(1D)中45°的斜切面方向、大小位置匹配，并彼此保持声学耦合，利用螺母穿过超声透射镜(1D)中的固定用的贯通孔与超声反射镜(1C)中配套的固定用的螺纹孔锁紧固定，2)阵列声源的构成根据被检测复合材料结构筋条区(5)检测部位的几何特征，选择超声阵列换能器(1)，构成阵列声源这里，i＝1,2,...,N，S_i为第i个晶元w_i对应的声束作用面积，通过对筋条区(5)的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的左侧底边部位(5B)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的立边部位(5C)进行声波覆盖入射，从而在被检测复合材料结构筋条区(5)区内部形成入射超声波阵列声束，且N由式(1)确定和选择：这里，w_i——为单个压电晶元的宽度，对于筋条区(5)的底边部位(5A、5B)的超声检测，H_j取筋条区(5)的右侧底边部位(5A)的宽度H₁和筋条区(5)的左侧底边部位(5B)的宽度H₂的最大值，即H_j＝max{H₁,H₂}，且不大于80mm，对于筋条区(5)的立边部位(5C)的检测，H_j取筋条区(5)的立边部位(5C)的高度H₃的最大值，且不大于80mm，实际检测时，使每一个压电晶元对应一个声束进行扫描，或通过电子延时合成的方法，将N个压电晶元进行组合，合成阵列扫描声束，对复合材料结构筋条区(5)的左侧底边部位(5B)、右侧底边部位(5A)和立边部位(5C)进行覆盖扫查检测；3)频率选择根据被检测复合材料筋条区(5)的检测要求和材料工艺及其结构厚度，选择超声阵列换能器(1)的频率f；(4)扫查方法选择与超声阵列换能器(1)中的晶元的线性排列方向垂直的方向，即复合材料筋条区(5)的长度方向，作为扫查方向，步进方向与扫查方向垂直，通过手动或者自动扫查机构移动超声阵列换能器(1)对被检测复合材料结构筋条区(5)的左侧底边部位(5B)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的右侧底边部位(5A)及对应的蒙皮(5D)区部位、筋条区(5)的立边部位(5C)进行扫查检测，(5)成像方法通过信号处理单元(3)将来自超声阵列换能器(1)和超声阵列单元(2)的超声信号进行数字化处理，按照式(2)转换为数字成像信号P_i(x_i,y_i,c_i)，在显示单元(4)中进行成像显示，这里，u_i(A_i,t_i)与单值线性对应，为超声阵列换能器(1)中第i个入射声束S_i传播路径上接收到的反射超声波信号，其幅值为A_i，传播时间为t_i，同时u_i(A_i,t_i)与被检测复合材料结构筋条区(5)中的被检测部位的位置坐标Q_i(x_i,y_i)单值对应，i对应S_i在被检测复合材料结构筋条区(5)当前扫查区的位置点，x_i表示S_i在被检测复合材料结构筋条区(5)的x方向，即筋条底边部位(5A、5B)和筋条立边部位(5C)宽度方向的位置坐标，检出缺陷在筋条区(5)中的宽度方向的位置w_i通过x_i由式(4)确定，y_i表示S_i在筋条底边部位(5A、5B)和筋条立边部位(5C)厚度方向传播时间t的坐标，检出缺陷的深度位置h_i通过y_i由式(5)确定，且，υ——为复合材料结构筋条区(5)中的声速，c_i——为图像显示中(x_i,y_i)点所对应的颜色值，且其中K_c为颜色值或灰度转换系数，与成像单元(4)对应的灰度或者彩色分辨率有关，u₀为对应成像单元(4)的灰度或彩色级差的最大值，x_i＝k_xw_i   (4)y_i＝k_yh_i   (5)这里，k_x——为x方向的坐标转换系数，k_y——为y方向的坐标转换系数，将超声阵列换能器(1)在每个扫描位置的检测信号按照式(2)进行映射和成像显示，实现对每个扫描位置的检测结果的超声可视化成像；(6)缺陷判别根据超声阵列换能器(1)接收到的来自每个入射声束S_i传播路径上的反射超声波信号u_i(A_i,t_i)中的幅值A_i及其在成像单元(4)中显示的对应的图像的颜色或灰度进行缺陷的判别，利用成像单元(4)中的成像坐标确定检出缺陷的长度和深度，从而进行缺陷的定量分析。