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。     

渐进式频率-波数域全聚焦超声成像

为了提高全聚焦超声成像的质量和速度,提出了渐进式频率波数域全聚焦超声成像方法（GTFM-FW）。首先通过逐次激励超声相控阵各阵元并全孔径采集回波,得到全矩阵数据;然后通过傅里叶变换将全矩阵数据中的一组或多组对角线数据变换到频率波数域,对各组对角线数据的变换结果进行对齐并叠加;最后利用Stolt变换和二维逆傅里叶变换得到全聚焦成像结果。为了验证算法的有效性,对仿真点目标以及试块进行了详细成像实验。结果表明:本文方法可以通过改变全矩阵数据的使用量来实现成像分辨率与旁瓣干扰间的折中。并且由于采用频率波数域处理,在成像分辨率优于传统全聚焦成像算法的情况下,运算量大大降低。      

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。     

基于粒子群算法的稀疏阵列超声相控阵全聚焦成像

为降低相控阵超声检测全聚焦算法的成像数据量及阵列稀疏优化的计算时间,研究了一种用于稀疏阵列全聚焦成像的阵列优化算法,并通过实验对其成像效果进行了验证。针对目前超声相控阵检测的全矩阵采集数据量大、全聚焦算法成像时间长的难点,该文通过构建稀疏阵列,在保证成像质量的同时显著降低成像数据量,提高了全聚焦算法的成像效率。通过以主瓣宽度、旁瓣峰值以及主瓣峰值作为约束条件构建适应度函数,采用粒子群算法得到稀疏阵元位置分布并进行阵元权重修正,并将其用于稀疏全聚焦成像。相比全阵元成像,使用粒子群算法所得的稀疏阵列的阵元个数降低了56.25%、65.62%,数据使用量降低了80.86%、88.18%。在阵列优化方面,相比遗传算法减少了84.86%的计算时间。     

奥氏体不锈钢焊缝中的声学仿真模型与全聚焦成像检测

声波在奥氏体不锈钢焊缝中传播时,由于声束弯曲,为超声成像带来了困难。我们基于Ogilvy焊缝模型,建立了奥氏体不锈钢焊缝非均匀各向异性声场仿真模型,采用Dijkstra路径搜索算法对各向异性条件下的声传播路径和声传播时间进行了数值模拟和分析。在此基础上,采用Verasonics超声相控阵成像系统,进行了奥氏体不锈钢焊缝的全聚焦成像实验。结合理论模型计算的声传播路径和相应的传播时间,对采集到的全矩阵回波数据进行了成像检测。结果表明,与均匀介质模型的全聚焦成像结果相比,基于本文模型的焊缝全聚焦成像检测结果具有更高的缺陷定位精度和分辨率,验证了本方法的可行性,为奥氏体不锈钢焊缝成像检测提供了新的思路。     

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。     

各向异性焊缝中超声相控阵瞬态声场仿真及缺陷定位方法

针对多层各向异性奥氏体不锈钢焊缝中超声相控阵瞬态声场的仿真问题,提出应用高斯声束等效点源模型计算宽带离散化的多个单频稳态声场,通过傅里叶变换将其拓展为瞬态声场,并分析了声场转换过程的主要影响参数。该方法可快速计算焊缝内部超声相控阵聚焦声场的瞬态能量分布和任意一点的时域波形信号。在此基础上针对多层奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的超声相控阵成像检测问题,提出利用上述时域高斯声束法对多通道缺陷散射信号进行时间反转计算,并根据时域声场焦点确定缺陷位置。最后通过实验,验证使用此方法检测实际奥氏体不锈钢焊缝试块内部缺陷的效果。结果表明,提出的方法能够确定缺陷位置,且计算速度快、运算量小,适合作为多层介质内部缺陷实时成像的声场仿真模型。      

超声图像中复合材料褶皱形态的Mask-RCNN识别方法

复合材料在制造和使用过程中不可避免地会产生褶皱缺陷,因其形态变化多样,形变程度较小,人工辨认存在一定障碍,容易出现错漏情况.为提高检测效率,提出利用Mask-RCNN(Mask region-based convolutional neural net works)目标检测算法对复合材料超声图像中不同形态的褶皱缺陷进行检测并分类.制备含有不同形态褶皱缺陷的碳纤维复合材料层合板,利用超声相控阵采集全矩阵数据;通过波数成像算法得到复合材料层合板纵切面图像,根据地质层中褶皱的几何学特征,将复合材料层合板中存在的不同褶皱分为三类,进而建立褶皱形态与材料损伤程度之间的关系;提出Mask-RCNN算法用于褶皱缺陷的自动检测并分类,该算法中语义分割的引入可显示褶皱缺陷的位置和形状.实验结果表明:Mask-RCNN对不同形态褶皱识别的准确率分别达到92.1%,90.9%和93.3%,褶皱分类识别准确、有效.为实现复合材料层合板数据采集-成像-缺陷判别一体化、自动化提供了理论支撑.     

碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的超声成像

碳纤维增强复合材料在制造和使用过程中会产生褶皱,褶皱缺陷的存在使得纤维层起伏不平,超声波传播至纤维界面时不同声束方向的声能量存在差异.针对此问题,提出一种基于声束指向性函数校正的全聚焦阵列成像方法:制备了含褶皱缺陷的碳纤维增强复合材料试样,建立超声阵列数据采集实验系统,捕获全矩阵数据;考虑超声发射/接收阵元不同声束方向的声能量差异,提出全聚焦成像方法的校正模型;将校正前后的全聚焦成像结果与试样的实物图和光学显微镜图像进行对比分析.实验结果表明:基于指向性函数校正的全聚焦成像方法能够有效降低背景噪声,恢复出被检试样的褶皱缺陷和铺层结构等细节信息,为碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的精确表征提供了理论指导.     

高斯叠代法研究相控阵非线性声场

相控阵在聚焦超声治疗应用中不可避免地受到非线性影响,提出了采用高斯叠代法计算相控阵的非线性声场。在该方法中,利用预设焦点参数并应用伪逆矩阵算法得到阵元的激励参数;然后将阵元近似拟合成一组高斯声束的叠加,通过高斯声束叠代计算非线性声场。数值计算中以64阵元一维相控阵为研究对象;线性条件下,高斯叠代法结果与菲涅耳积分结果的误差低于0.5%,验证了该方法的可行性;单焦点及双焦点模式的相控阵非线性声场结果表明非线性效应能提高焦点聚焦性能,并且非线性效应与激励声压及激励频率成正比。      

Lamb waves topological imaging combining with Green's function retrieval theory to detect near filed defects in isotropic plates

A method of combining Green's function retrieval theory and ultrasonic array imaging using Lamb waves is presented to solve near filed defects in thin aluminum plates.The defects are close to the ultrasonic phased array and satisfy the near field calculation formula.Near field acoustic information of defects is obscured by the nonlinear effects of initial wave signal in a directly acquired response using the full matrix capture mode.A reconstructed full matrix of inter-element responses is produced from cross-correlation of directly received ultrasonic signals between sensor pairs.This new matrix eliminates the nonlinear interference and restores the near-field defect information.The topological imaging method that was developed in recent ultrasonic inspection is used for displaying the scatterers.The experiments are conducted on both thin aluminum plates containing two and four defects, respectively.The results show that these defects are clearly identified when using a reconstructed full matrix.The spatial resolution is equal to about one wavelength of the selectively excited mode and the identifiable defect is about one fifth of the wavelength.However, in a conventional directly captured image,the images of defects overlap together and cannot be distinguished.The proposed method reduces the background noise and allows for effective topological imaging of near field defects.     

基于虚拟源技术的双层固体结构超声成像

本文提出虚拟源与合成孔径技术相结合的成像方法来实现对双层结构的内部缺陷成像。通过相控阵探头延时聚焦的方法在界面形成虚拟声源,并对有机玻璃/钢双层结构中的聚焦声场进行了仿真,结果显示聚焦声束穿过界面后形成扩散球面波,适合采用合成孔径聚焦技术成像。实验中采用128阵元探头对含有横穿孔缺陷的有机玻璃/钢样品进行测量和波形采集,应用自适应滤波方法抑制界面回波,最后对波形使用合成孔径聚焦成像,得到的图像比B扫描成像具有较高的信噪比和横向分辨率,并且分辨率不随深度变化。     

扩散场扇扫重建格林函数实现近表盲区缺陷检测

2020年5月12日定稿摘要针对结构近表盲区缺陷检测难题,发展了一种扩散声场扇扫重建格林函数的超声检测方法。在对扩散场扇扫重建格林函数理论分析的基础上,通过5 MHz超声相控阵探头对铝块近表盲区缺陷进行了检测实验并对影响成像结果的延时时间、时间窗宽和扫查方式进行了分析。结果显示,该方法可以有效检测铝块近表1.5~3 mm的盲区缺陷;扇形扫查方式的有效扩散时间较全矩阵捕获方式延长0.5 ms以上;在有效扩散时间内,随着延时接收时间和时间窗宽的增加,成像质量得到提高。本研究工作为超声检测近表盲区缺陷提供了一种有效可行的新方法。      

用于裂纹方向识别的超声散射系数分析方法研究

本文主要利用超声相控阵技术进行了裂纹方向识别研究。首先,对线性超声相控阵探头采集的全矩阵数据进行了全聚焦成像,确定缺陷的位置。然后将线性阵列划分为若干子阵列,研究了缺陷位置处子阵列的散射系数分布,从中提取出缺陷的方向信息。在此基础上,研究了子阵列参数选择(子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数)及探头位置对裂纹方向识别的影响。通过对散射系数分布图中提取的3个特征指标,角度测量误差、角度分辨率及相对脊带宽度,进行主成分分析,评价了子阵列参数设置(如子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数)对裂纹方向识别的影响,优化出最佳的检测位置及子阵列参数设置。仿真和检测实验结果表明,当相邻子阵列间隔晶片数为1,包含晶片数为11个时,可以利用超声散射系数分布进行裂纹方向的准确测量,测量误差小于2%。      

Theoretical calculation on distance amplitude curve of ultrasonic phased array

Ultrasonic phased array technology has been gradually applied to industrial nondestructive testing in recent years. The sound field of the focusing and steering beam radiating from the phased array is a nonuniform distribution in the spatial position so that the echo signals of same size defects will be changed according to defect positions. To analyze these defects quantitatively, a model-based method for the distance amplitude correction is proposed for the phased array system. Based on a non-paraxial multi-Gaussian beam model and flaw scattering models, an ultrasonic measurement model for the phased array system is proposed to calculate the echo signals from side-drilled holes at different positions. Furthermore, these model-based distance amplitude curves are compared with the traditional experimental results for different focusing and steering beams. The two methods have a good agreement.     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。