扩散场重建格林函数检测钢轨近表面缺陷*

利用超声相控阵全矩阵捕获功能获取后期时间的扩散场信息,实现钢轨近表面缺陷成像。对扩散场信号进行互相关,重建阵元之间的格林函数,获取阵元之间未延时的响应,恢复被噪声湮没的早期缺陷信息,将波数成像方法用于近表面缺陷的快速成像。采用两种超声相控阵探头在钢轨表面采集实验数据,说明格林函数恢复效果与相控阵阵元的个数和激励频率有关。实验结果清晰地显示了距钢轨表面5～10 mm处的缺陷,证实了互相关方法重建格林函数对近表面缺陷检测的有效性。     

纵向带状裂隙形貌的逆时偏移超声成像

传统的工业超声成像方法通常只能确定缺陷的位置与横向尺寸,无法获得缺陷的形貌信息.一些特殊的缺陷,如纵向裂纹,是典型的例子.基于多阵元技术,开展了固体介质缺陷逆时偏移超声成像方法的数值与实验研究.针对铝块平底纵裂纹及内部纵裂纹两种传统方法无法有效成像的缺陷,首先开展了单分量逆时偏移成像方法研究,给出了基于数值仿真的逆时偏移成像结果以及基于多阵元超声成像实验系统实验测试的逆时偏移成像结果.进一步开展了基于多分量位移检测与转换横波分离的逆时偏移成像方法研究,并提出了基于新型多分量激光干涉仪进行检测的思路.数值仿真结果证实了多分量逆时偏移图像重建结果可以克服单分量方式的缺点,得到明显优于单分量检测时的图像.     

利用扩散场信息的超声兰姆波全聚焦成像

利用兰姆波的扩散场信号,实现了距离传感器较近缺陷的全聚焦成像.通过两传感器接收的扩散场全矩阵信号进行互相关,恢复出两传感器之间的格林函数响应,重建新的全矩阵.该重建全矩阵削弱了直接耦合采集响应信号中存在的早期饱和非线性效应信号,恢复了被遮盖的近距离缺陷散射信号.在含缺陷的各向同性铝板中激发兰姆波,重建信号的早期信息与直接俘获信号的后期信息相结合形成混合全矩阵,结合全聚焦成像,优化成像效果.所提方法为薄板类结构中距离传感器较近缺陷的兰姆波无损检测提供了理论指导.     

基于超声相控阵衍射波图像的缺陷测量方法*

工程应用中通常采用超声相控阵的脉冲发射法对缺陷进行扇形扫描,并通过6dB法测量缺陷尺寸。然而,基于反射波幅度的6dB测长方法很难精确地测量缺陷尺寸。本研究提出利用超声相控扇形扫描图中的缺陷衍射波图像测量缺陷尺寸以获得较高的测量精度。首先,分析了扇扫图像中缺陷衍射波特征图像及其影响参数以获得清晰的扇扫缺陷衍射波图像;其次,提出了基于衍射波的缺陷尺寸测量方法,并比较了多种测量方法的测量精度。研究结果显示：基于相控阵扇扫的缺陷衍射波测长精度较之反射波幅度法更高,而反射波法更适用于缺陷取向的测量。本研究为缺陷定量检测提供了一种更为有效的解决方案。     

五轴水浸超声扫查系统研制

为实现超声强衰减材料、多层结构件、重要焊接结构件中缺陷高灵敏度的超声检测和评价，并对自然缺陷形状、性质和大小进行分析和判别，实现对缺陷的精确定性、定量和定位，研制了一套五轴水浸超声扫查成像系统。该系统包括5个部分：超声波发射和接收系统，包括超声探伤仪（USIP12）和水浸聚焦探头：数据采集和图像处理系统，包括工控机和数据采集卡；五轴水浸超声扫查系统装置，包括精密三维扫描工作台、水平转台、探头摆动架、专用夹具、水槽、步进电机驱动卡和驱动电源：软件系统，由文件管理、参数设置、数据和图像处理等控制窗121组成。系统工作时，由运行在工控机上的测控程序向运动控制卡发出运动指令，     

变厚度多边形蜂窝结构的超声C扫描检测方法

为了解决变厚度多边形蜂窝结构超声波检测难和检测效率低的问题,采用了灵敏度补偿和多边形扫查路径规划相结合的超声C扫描方法进行检测。在扫查检测过程中,一是根据构件厚度变化进行灵敏度补偿,消除因厚度变化而引起的超声信号衰减对检测结果的影响;二是根据构件几何形状对此类构件进行多边形扫查路径规划,减少探头的空扫描范围,提高检测效率。试验结果表明:该检测方法能准确、高效地检出变厚度多边形蜂窝结构中的缺陷。     

复杂曲面构件的超声虚拟声源阵列成像*

利用虚拟声源和合成孔径聚焦相结合的复合成像技术解决复杂曲面构件超声检测图像中的缺陷位置失真问题。首先,在水浸检测条件下利用128阵元线性阵列换能器中采集曲面构件内部缺陷的B扫描数据。通过相邻阵元界面回波时间差构建虚拟声源,并将其定义为声波在水-构件双层界面上的入射点。然后,根据实际阵元-虚拟声源-聚焦目标三者之间的声传播路径,通过合成孔径聚焦技术将各路阵元的接收信号反推至虚拟声源处进行图像的延时叠加重建,最终获得复杂曲面构件中缺陷的超声图像。结果表明,与传统B扫图像和合成孔径聚焦图像相比,虚拟源-合成孔径聚焦图像能够准确呈现复杂曲面构件的表面轮廓,精确表征构件内部的缺陷位置。     

阵元固体指向性补偿对超声全聚焦成像的 优化研究*

超声全聚焦成像中,声波的传播受到阵元指向性的影响,位于阵元不同方位的缺陷成像幅度不同。缺陷相对阵列中心偏角越大,回波幅度越低,容易造成漏检。为提高超声全聚焦算法对固体中大偏角缺陷的成像能力,该文引入了矩形阵元固体指向性函数,建立了基于固体指向性补偿的超声全聚焦优化算法,利用指向性系数对不同角度区域的成像进行幅值补偿。实验结果表明,相对于基本超声全聚焦和传统指向性补偿的超声全聚焦算法,该文固体指向性优化算法对大偏角缺陷的成像幅度补偿效果更好,检测灵敏度更高,有效避免了缺陷漏检,扩展了超声全聚焦算法检测范围。     

超声相控阵控制、采集与全并行处理系统设计

针对超声相控阵检测系统工作环境较为恶劣、延时发射电路复杂、多路信号的采集难以单板实现以及多路信号处理实时性差等问题,提出了一种基于CPCI总线和FPGA的超声相控阵控制、采集与全并行处理系统的设计。本设计采用CPCI总线架构,可以在高尘、高冲击负荷等恶劣环境下工作,采用带高速串行LVDS接口的ADS445与XC5VSX95T相组合的方式来实现单板16路信号的高速信号采集和全并行处理,采用XC5VSX95T中的高速计数器来实现2ns的高精度延时发射,还提供了功能强大的主控软件便于用户操作。分析结果表明,多路AD+FPGA的硬件结构特别适合相控阵系统。实测结果表明,本系统可以较好地对钢管的缺陷进行实时检测和A扫与B扫成像。     

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

铝制焊接容器超声导波成像检测

针对中厚板铝制焊接容器的安全评价需要,论文研究了超声导波成像检测技术。通过对铝制焊接容器中不同模态超声导波的频散曲线及波结构分析,选择激励频率为2 MHz的S1模态作为中厚板铝制焊接容器健康监测的导波模态,并研制了适合铝制容器检测的2 MHz/S1模态压电晶片换能器,建立了超声导波成像系统。实验结果表明,该方法仅需经过有限次的扫查,就可以得到容器全壁厚范围内健康信息的超声导波图像,从而清晰地识别容器内的缺陷。该研究为中厚板铝制焊接容器的健康监测提供可行的技术方案。     

激光超声的多模式合成孔径聚焦成像仿真分析*

针对激光超声体波在检测材料内部缺陷时反射信号弱、信噪比较差的问题,提出了一种基于激光超声的多模式合成孔径成像方法。通过耦合激光激发超声方向性、干涉仪探测超声方向性、超声波与缺陷作用后声场分布方向性得到声场灵敏度图,再根据声场灵敏度图和不同模式波的传播特性预测不同位置分布缺陷的最佳成像模式波,从而使用多模组合的合成孔径成像方法对缺陷成像。使用有限元方法对该成像过程进行数值模拟来验证其可行性,成像结果与理论预测一致。采用这一缺陷成像方法可减小盲区,消除伪像,从而提高图像质量。     

非线性合成孔径聚焦超声成像

论文介绍了合成孔径聚焦超声成像系统原理。建立了一个无损检测超声成像系统。同时，为了进一步提高分辨率，设计了基于相关系数的非线性合成孔径聚焦算法。然后利用此算法对试块成像，结果表明，与延时叠加合成孔径算法相比，基于相关性分析的非线性合成孔径算法提高了图像的分辨率，改善了图像质量。     

基于模式分离的兰姆波逆时偏移成像

应用频率域逆时偏移方法实现各向同性和各向异性板中缺陷的兰姆波成像.由于缺陷引起的多模态散射信号会在重建图像中形成伪像,根据基本导波模式振动对称性的差别进行了模式分离预处理.基于多元阵列超声技术,开展了铝板和复合板内缺陷频率域逆时偏移超声成像方法的数值仿真研究.首先,建立有限元模型,采用环形传感器数值采集由缺陷引起的兰姆波散射信号,然后,将采集到的多模式散射信号进行模式分离处理,再将模式分离后的兰姆波散射信号经时间反转后并在相应的接收器处重新激励,在频域中运用格林函数反向传播兰姆波散射信号,获取监测区域的声场信息,与正向传播声场进行互相关,重建缺陷图像.首先对铝板中单缺陷以及复合材料板中相邻的两个相同缺陷进行数值仿真,对比有无模式分离处理的缺陷逆时偏移成像效果,体现出模式分离的重要性.在此基础上,采用逆时偏移方法对复合板材内位置邻近、深度不同的双缺陷进行识别.数值结果表明,模式分离预处理后的缺陷重建图像能够有效去除多模式干扰产生的伪像.文中提出的成像方法对各向同性板和各向异性板内缺陷的检测和成像具有很好的发展潜力,可以准确地探测多个缺陷的形状、尺寸和深度.     

B型套筒角焊缝缺陷相控阵超声检测定量方法

B型套筒修复作为油气管道修复的主要方式之一,在其修复的焊接过程中,该结构的环形角焊缝内部常常出现以气孔、夹渣为代表的孔型缺陷。这类缺陷由于角焊缝特殊的结构,在利用相控阵超声无损检测技术对其检测时,难以对其进行定量分析。通过数值模拟和实验,发现通过相控阵超声扇扫得到缺陷回波信号峰值与孔型缺陷直径呈正相关,为孔型缺陷的定量分析提供了一种可靠的手段。     

焊缝超声相控阵检测数据深度学习降噪方法

超声相控阵检测技术在焊缝检测中具有广泛的应用.超声相控阵检测技术检测信号中常混入噪声导致检测成像时难以分辨真实的缺陷特征.这些噪声主要为无关的反射信号和局部相关的结构噪声,传统的超声图像降噪方法难以有效滤除这些噪声,且存在计算效率低、参数优化复杂等问题.该文提出了一种基于深度学习的焊缝超声相控阵检测技术检测S扫图像的降...     

高分辨率扇形阵列超声激发振动声成像研究

对扇阵换能器的振动声成像进行了研究.在相关振动声成像和扇阵换能器的理论基础上,经过推导修正并得到了精确的速度势函数.进一步计算并仿真了系统点扩散函数（point spread function, PSF）,构造了组织模型,进行了成像仿真.最后分析了影响扇阵换能器系统分辨率的因素.研究结果表明：用扇阵换能器进行振动声成像可以获得很高的图像分辨率及对比度,在高强度聚焦超声（HIFU）治疗的热损伤检测等方面有重要的应用价值.分析指出通过提高换能器工作频率,减小几何焦距,增大口径可以提高系统的分辨率. 关键词： 振动声成像 扇形阵 点扩散函数     

球形薄壁工件超声检测用扫查装置

经过与γ射线探伤比较，决定采用超声波探伤进行球形薄壳件检测。超声波对缺陷的检出能力与缺陷的取向密切相关，为实现对多种取向缺陷的检出，超声束需由多个方向射入工件。为此，要求在检测过程中探头可以进行多种方式运动，要实现这一点，就必须建立适当的扫查装置。     

环形阵列超声断层扫描高分辨率成像方法

介绍了针对环形阵列超声断层扫描的高分辨率全波形反演成像方法,不同于传统的延时叠加和渡越时间断层扫描,该方法充分考虑声传播的透射、反射、散射等特点,通过数据匹配的方法重构目标体声学参数图像。开发了环形超声换能器阵列构建超声断层扫描成像系统,并设计了适合检验成像算法的数值和物理模型,分别使用基于射线理论的回波延时叠加和初至波渡越时间断层扫描、以及基于波动理论的全波形反演方法对目标体进行图像重建,并对比其原理、分辨率、计算量等方面的特点,系统性分析了波动方法相对传统射线方法的优点和不足。结果表明,全波形反演这类充分考虑接收信号多种物理特征的方法可用于较高分辨率的声参数成像,适合与传统方法结合设计有效的超声断层扫描成像系统。     

钢轨缺陷的超声相控阵波数成像算法*

该文应用超声相控阵全矩阵捕获的波数成像算法,检测带有通孔缺陷的钢轨和B型相控阵试块。以实验获取的全矩阵数据为基础,研究了自发自收模式和全矩阵模式的波数成像算法,理论上分析了全聚焦方法和波数算法的计算性能,取得波数成像的结果并与全聚焦方法的成像结果做了对比。实验结果表明:波数成像算法具有更快的计算速度和更高的横向分辨率,且能够更加精准地还原钢轨中缺陷大小和形状,而传统的全聚焦方法计算耗时长,聚焦点分布不均匀,重建较大的缺陷出现了纵向拉长的现象,不能够较好地反映钢轨中的大缺陷。波数成像算法在各向同性材料实时检测中有很大的应用潜能。