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一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法
【專利摘要】一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，所述方法包含采用數(shù)值模擬計(jì)算超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場，分析其聲場特性；設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M楔塊中的脈沖超聲傳播方式，模擬不同邊界條件下楔塊中產(chǎn)生的脈沖聲場的回波成像；采用B模式成像獲得超聲相控陣換能器在楔塊中的實(shí)際物理聲場驗(yàn)證模擬仿真實(shí)驗(yàn)中結(jié)果。本發(fā)明采用時(shí)域有限差分方法計(jì)算得到超聲相控陣楔塊中精確的脈沖聲場，通過數(shù)值計(jì)算和物理實(shí)驗(yàn)相驗(yàn)證的方法實(shí)現(xiàn)了一種超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場準(zhǔn)確的測量。
【專利說明】一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及應(yīng)用于超聲相控陣脈沖聲場的測量方法，特別涉及一種應(yīng)用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]超聲相控陣檢測具有檢測范圍廣、深度大、速度快、安全無污染等特點(diǎn)，在焊縫、復(fù)合材料、鋼軌和車軸等檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于檢測靈活性較好且探測角度大，橫波檢測廣泛應(yīng)用于超聲相控陣檢測系統(tǒng)中。目前，超聲橫波檢測利用縱波通過楔塊傾斜入射到被測物界面上折射產(chǎn)生橫波進(jìn)行檢測被測物體。由于利用橫波進(jìn)行檢測時(shí)，所接收到的信號(hào)中包含由楔塊邊界反射產(chǎn)生的回波，此回波與缺陷回波相互混合，影響被測物內(nèi)部的檢測；超聲相控陣檢測系統(tǒng)自檢過程是將超聲陣列換能器前端接上楔塊，但不與被測物接觸，依次驅(qū)動(dòng)各陣元獨(dú)立發(fā)出脈沖超聲并接收，利用各陣元所接收的回波進(jìn)行成像，以此檢測系統(tǒng)各陣元和通道是否工作正常以及楔塊設(shè)計(jì)是否符合要求。但在實(shí)際中自檢圖像中有許多未知紋理，為了解釋自檢圖像中產(chǎn)生的回波，并且定量分析這些回波對于超聲相控陣檢測過程的影響，需要對楔塊中的脈沖聲場進(jìn)行精確的測量。然而，聲波在復(fù)雜邊界固體介質(zhì)中的傳播規(guī)律非常復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用問題很少能有嚴(yán)密的解析解，為了得到聲波在介質(zhì)中的傳播及與界面的相互作用產(chǎn)生的脈沖聲場，本發(fā)明提出采用數(shù)值模擬方法計(jì)算得到超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，在較難獲得聲波在復(fù)雜邊界固體中傳播規(guī)律嚴(yán)密解析解的情況下，本發(fā)明提出一種采用數(shù)值模擬法和物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合精確測量得到超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場方法，采用時(shí)域有限差分法對超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并設(shè)計(jì)模擬仿真實(shí)驗(yàn)獲得不同接觸界面下的脈沖聲場，并采用實(shí)際的B模式成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用數(shù)值模擬方法測量得到超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場的正確性。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法:
步驟一、通過時(shí)域有限差分方法模擬計(jì)算超聲相控楔塊中的脈沖聲場，得到超聲相控楔塊中聲波方程的有限差分模型；
步驟二、通過有限差分模型構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停抡鎸?shí)驗(yàn)仿真模擬超聲脈沖在楔塊中的傳播，并分析在一定實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的聲場特性及回波B模式成像結(jié)果；
步驟三、在相同的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，通過B模式成像產(chǎn)生超聲相控陣楔塊中實(shí)際的物理聲場，將仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到的B模式成像結(jié)果與實(shí)際的物理聲場B模式圖像對比，得到一致脈沖聲場，數(shù)值模擬的超聲相控陣在楔塊中的脈沖聲場，即為超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量結(jié)果。
[0006]所述的仿真模擬模型由被測物體、超聲楔塊和超聲換能器和吸聲材料組成，將被測物體、超聲楔塊和超聲換能器及吸聲材料置于水中，超聲楔塊的界面2放置于被測物體上，楔塊的界面I同超聲換能器相接觸，楔塊的界面3同采用完全匹配層的吸聲材料相接觸。
[0007]所述的步驟一時(shí)域有限差分方法模擬結(jié)果得到不同時(shí)刻聲場中各點(diǎn)的正應(yīng)力分布圖，模擬產(chǎn)生不同時(shí)刻在不同的界面反射得到的不同橫波和縱波，即不同時(shí)刻超聲楔塊中的脈沖聲場。
[0008]所述的仿真實(shí)驗(yàn)為2種，模擬了無吸聲界面和全吸聲界面2種邊界情況以便于分析不同的吸聲材料對脈沖聲場測量的影響。
[0009]所述的超聲換能器的各個(gè)陣元分別發(fā)射和接收，將32路回波數(shù)據(jù)進(jìn)行B模式成像，得到不同邊界情況下回波波形。
[0010]發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用時(shí)域有限差分法(FDTD)獲得了超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的有限差分模型，便于分析描述脈沖聲場特性，通過物理實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，此發(fā)明可以穩(wěn)定、精確地測量超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明脈沖聲場測量原理圖；
圖2為本發(fā)明超聲相控陣楔塊仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br> 圖3為本發(fā)明不同時(shí)刻相控陣楔塊中的脈沖聲場；
圖4為本發(fā)明不同吸聲邊界的仿真模型；
圖5為本發(fā)明不同吸聲邊界仿真回波B模式成像；
圖6為本發(fā)明實(shí)際實(shí)驗(yàn)中不同吸聲邊界楔塊的相控陣回波圖像；
圖中:1、超聲相控?fù)Q能器，2、陣元，3、界面1，4、界面2，5、界面3，6.、聚苯乙烯楔塊，7、吸聲材料，8、被測物，9、水，10、折射縱波P，11、折射橫波S，12、反射縱波PP1，13、反射橫波PSl, 14.反射縱波PP2，15、反射橫波PS2，16、反射橫波SS1，17、發(fā)射縱波SP2，18.、反射橫波SS2，19、反射橫波PS2S，20、反射橫波PS1S，21、散射縱波PP3，22、散射橫波PS3。

【具體實(shí)施方式】
[0012]一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，所述方法步驟包括如下:
1.建立固體中聲場的有限差分模型。超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場主要存在于固體中，因此采用二維模型模擬固體中聲場傳播，得到彈性力學(xué)方程，并用差分方程形式，將彈性力學(xué)方程作相應(yīng)變換得到固體中聲波方程的有限差分模型(FDTD)。
[0013]2.設(shè)計(jì)合理的超聲橫波檢測仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M在超聲相控陣楔塊中脈沖超聲傳播。為了減少采用FDTD對楔塊仿真時(shí)極長的耗時(shí)，模擬將設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)裝置放置于水中，設(shè)定仿真模型的相關(guān)參數(shù)。設(shè)計(jì)的仿真方法可以穩(wěn)定、精確的模擬相控陣楔塊中脈沖聲場特性。
[0014]3.對單陣元工作情況時(shí)超聲脈沖在楔塊中的傳播進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同時(shí)刻聲場中各點(diǎn)正應(yīng)力的分布圖。模擬產(chǎn)生不同時(shí)刻超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場。
[0015]4.設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證并分析吸聲材料對脈沖聲場在楔塊中傳播的影響。實(shí)際的吸聲界面較為復(fù)雜較難進(jìn)行建模模擬，因此模擬實(shí)驗(yàn)中采用無吸聲界面和全吸聲界面2種邊界情況分析不同吸聲邊界對脈沖聲場傳播的影響。
[0016]5.獲得2組模擬實(shí)驗(yàn)中回波的B模式圖像。實(shí)驗(yàn)中相控陣換能器各個(gè)陣元分別發(fā)射和接收，將32路回波進(jìn)行B模式成像，得到仿真實(shí)驗(yàn)中不同邊界條件時(shí)楔塊中脈沖聲波的回波圖像。
[0017]6.采用32通道相控陣檢測系統(tǒng)進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用的楔塊包含有不同的吸聲材料，32通道的相控陣系統(tǒng)各個(gè)陣元分別發(fā)射和接收，得到實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的回波圖像。
[0018]7.通過對B模式成像中的信號(hào)分布，分析楔塊中的脈沖場對應(yīng)的各種形式的回波，包括各種形式的縱、橫波以及多次轉(zhuǎn)換波。分析吸收材料對于楔塊中脈沖場的影響。
[0019]8.將仿真得到的回波圖像同實(shí)驗(yàn)得到的回波圖像進(jìn)行對比，驗(yàn)證所采用的數(shù)值模擬方法精確的描述了超聲相控陣楔塊中的脈沖聲場。
[0020]本發(fā)明提出聲波在復(fù)雜邊界固體介質(zhì)中傳播時(shí)，聲場測量無法獲得嚴(yán)密解析解情況下，采用FDTD數(shù)值計(jì)算方法得到超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的聲波方程表達(dá)式，并采用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲脈沖在楔塊中的傳播，最后通過B模式成像實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生實(shí)際物理聲場，通過對比分析驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)的正確性。各個(gè)步驟【具體實(shí)施方式】如下:
1.獲得固體聲場中的有限差分模型。采用二維簡化模型定量分析固體中的聲場傳播。彈性力學(xué)方程為:

【權(quán)利要求】
1.一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于: 步驟一、通過時(shí)域有限差分方法模擬計(jì)算超聲相控楔塊中的脈沖聲場，得到超聲相控楔塊中聲波方程的有限差分模型； 步驟二、通過有限差分模型構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停抡鎸?shí)驗(yàn)仿真模擬超聲脈沖在楔塊中的傳播，并分析在一定實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的聲場特性及回波B模式成像結(jié)果； 步驟三、在相同的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，通過B模式成像產(chǎn)生超聲相控陣楔塊中實(shí)際的物理聲場，將仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到的B模式成像結(jié)果與實(shí)際的物理聲場B模式圖像對比，得到一致脈沖聲場，數(shù)值模擬的超聲相控陣在楔塊中的脈沖聲場，即為超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于:所述的仿真模擬模型由被測物體、超聲楔塊和超聲換能器和吸聲材料組成，將被測物體、超聲楔塊和超聲換能器及吸聲材料置于水中，超聲楔塊的界面2放置于被測物體上，楔塊的界面I同超聲換能器相接觸，楔塊的界面3同采用完全匹配層的吸聲材料相接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于:所述的步驟一時(shí)域有限差分方法模擬結(jié)果得到不同時(shí)刻聲場中各點(diǎn)的正應(yīng)力分布圖，模擬產(chǎn)生不同時(shí)刻在不同的界面反射得到的不同橫波和縱波，即不同時(shí)刻超聲楔塊中的脈沖聲場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于:所述的仿真實(shí)驗(yàn)為2種，模擬了無吸聲界面和全吸聲界面2種邊界情況以便于分析不同的吸聲材料對脈沖聲場測量的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于超聲相控陣楔塊中脈沖聲場的測量方法，其特征在于:所述的超聲換能器的各個(gè)陣元分別發(fā)射和接收，將32路回波數(shù)據(jù)進(jìn)行B模式成像，得到不同邊界情況下回波波形。
【文檔編號(hào)】G01N29/30GK104198592SQ201410352561
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】李慧娟, 吳文燾, 喻飛, 孟麗, 李新忠, 丁孝全 申請人:河南科技大學(xué), 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所