一种用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法与流程

1.本发明涉及一种超声相控阵的聚焦方法，尤其涉及一种用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法。


背景技术：

2.超声相控阵检测技术的思想来源于现代相控阵雷达技术，它能够运用多通道的电子束来控制超声波束进行合成，从而实现合成波束不同的聚焦或偏转形态。超声相控阵的探头由大量压电陶瓷晶片构成，各个晶片彼此独立且均能够独自完成超声波的发射和接收。它们彼此间按照一定的形态进行排列，共同形成相控阵超声波的发射与接收阵列。超声相控阵检测技术的理论基础是惠更斯
•
菲涅耳原理。根椐该原理的阐述，相干波能够在介质中发生干涉现象，从而形成稳定的声场。因此，通过对相控阵换能器中各个晶片产生超声波的时间进行控制，便能够实现超声波形成稳定的超声场，准确的控制各晶片的激励脉冲时间(即遵循一定的聚焦算法延时去激发各个晶片)，便能让超声场实现聚焦或偏转等特性。
3.目前，在对普通单层板的相控阵超声探伤中，系统可通过晶片与聚焦点位置，方便的计算出对各晶片的脉冲激励延时时间，以实现超声波阵面的精准聚焦。但在实际探伤中，为了保护价格昂贵的相控阵探头以及改变探头声场的有效覆盖范围，通常都会为相控阵探头安装楔块。加装楔块后，由于超声在楔块与工件间发生了折射，这时的激励脉冲时间计算公式复杂，直接求解难度大、效率低。系统可通过二分法逼近求得入射点，再由入射点求取各个晶片的延时时间。再如，如公开号为106383171，名称为一种钢板焊缝裂纹缺陷的横波全聚焦超声成像检测方法的中国专利中公开的计算方法，其方法复杂，效率较低。
4.此外，针对由多层板材平行堆叠并压合形成的多层复合板，由于各层的材料不尽相同，超声波会在各层中依次折射，延时时间的计算难度也成指数级上升，例如从单层板到k层板，常规的二分法时间复杂度上界由直接上升到了，从而大大降低了探伤的效率。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种简单且聚焦效率高的用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法。
6.本发明的用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法，包括将前端具有楔块的超声相控阵探头附于多层复合板表面的步骤，用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法，还包括以下步骤；s1，在多层复合板过指定聚焦点的截面内，以平行于多层复合板表面的方向为横坐标方向，以垂直于所述横坐标的方向为纵坐标方向；s2，截面内，在楔块与多层复合板的交界线上选取入射点r1，入射点r1的横坐标r
1x
范围为，并且，其中，入射点r1为超声束在多层复合板表面的入射点，e
x
为晶片所在点e的横坐标，f
x
为指定聚焦点f的横坐标；s3，取入射点r1的坐标为（r
1x
，r
1y
），其中r
1x
=(r
min
r
max
)/2，r
1y
等于多层复合板表面所在纵坐标值；s4，根据晶片e的坐标值及步骤s3中入射点r1的坐标值，计算该晶片所发超声束在多层复合板表面的入射角；s5，由步骤s4中获取的入射角及折射定律计算超声束在第一层板内的折射角；s6，由步骤s3中超声束在多层复合板表面的入射点r1、步骤s5中获取的折射角及折射定律，依次计算超声束在第二层板至第n层板表面的入射点位置及超声束在第二层板至第n层板内的折射角，其中，第n层板为指定聚焦点所在的板层；s7，由步骤s6中获取的超声束在第n层板表面的入射点rn、折射角及指定聚焦点f与第n层板表面的距离hf，计算理论聚焦点f’的坐标；s8，比较指定聚焦点f与理论聚焦点f’在横坐标方向的差距δ，其中，δ=f
x-，为理论聚焦点f’的横坐标；如果δ》0，重新指定步骤s2中入射点r1的横坐标范围；如果δ《0，重新指定步骤s2中入射点r1的横坐标范围；如果δ=0，重新指定步骤s2中入射点r1的横坐标范围；如果abs()达到指定精度范围，则以步骤s3中选取的入射点r1的坐标，为超声束在多层复合板表面的实际入射点坐标，并计算超声束从晶片位置到指定聚焦点的传输时间；如果abs()未达到指定精度范围，则以入射点r1重新指定的横坐标范围重复步骤s3至s8，直至abs()达到指定精度范围；其中abs为绝对值函数；s9，根据步骤s2至s8的计算方法，计算超声相控阵中所有晶片发出的超声束，从晶片位置至指定聚焦点的传输时间；s10，由超声相控阵各晶片的传输时间，获取各晶片脉冲激励信号之间的相对延时
时间；s11，由步骤s10中获取的相对延迟时间对超声相控阵各晶片进行延时激励，以实现聚焦。
7.进一步，本发明的用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法，步骤s6中，依次计算超声束在第二层板至第n层板表面的入射点位置及超声束在第二层至第n层板内的折射角的方法，包括以下步骤；获取入射点的步骤s61，由入射点rn、折射角及多层复合板第n层板的层高hn，计算超声束在多层复合板第n 1层板表面的入射点r
n 1
；获取折射角的步骤s62，由超声束在第n 1层板表面的入射角及折射定律计算超声束在第n 1层板内的折射角；其中=，其中n=1，2
……
n，n为指定聚焦点f所在的第n层板。
8.该用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法的优点在于，其通过设定超声束位于多层复合板表面的入射点r1，并通过简单的三角函数运算获取理论聚焦点与指定聚焦点之间的差距，据此重新指定入射点r1的横坐标范围。再由此横坐标范围是否达到指定精度的方式，实现了实际入射点r1的获取。然后再通过实际入射点r1的坐标推算得到晶片的传输时间，及各晶片激励信号间的相对延时时间，以实现对各晶片的延时激励，进而将超声束聚焦于理论聚焦点的目的。相较于现有的计算方法，通过该方法对超声相控阵发出的超声束进行聚焦，其计算量得到大大简化，聚焦的效率也更高。
9.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，并依照说明书的内容予以具体实施，以下以本发明的实施例对其进行详细说明。
附图说明
10.图1是超声束在多层复合板内的传播示意图；图2是晶片到指定焦点传输时间的计算流程图；图3是相对激励时间的计算流程图。
具体实施方式
11.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
12.参见图1至3，本实施例的用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法，包括将前端具有楔块的超声相控阵探头附于多层复合板表面的步骤，用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法，还包括以下步骤；s1，在多层复合板过指定聚焦点的截面内，以平行于多层复合板表面的方向为横坐标方向，以垂直于所述横坐标的方向为纵坐标方向；本实施例中，超声相控阵的探头内，多个晶体以线阵排列于上述截面，由各晶体发
出的超声束在上述截面内传输，并经楔块及多层复合板折射后到达指定深度的聚焦点处。
13.其中，横坐标方向可直接选取于多层复合板的表面，此时，多层复合板表面的纵坐标为0；坐标原点可设置于楔块底角与多层复合板的交接点处。
14.s2，截面内，在楔块与多层复合板的交界线上选取入射点r1，入射点r1的横坐标r
1x
范围为，并且，其中，入射点r1为超声束在多层复合板表面的入射点，e
x
为晶片所在点e的横坐标，f
x
为指定聚焦点f的横坐标；由斯奈尔折射定律可知，所有入射点横坐标的位置都应在晶片e与聚焦点之间的某一位置处，因此此处设置入射点r1的横坐标r
1x
范围。
15.其中，晶片e的坐标由超声相控阵晶片的安装位置及楔块自身的属性决定，其具体数值可根据产品说明、测量或计算获取并存储于系统的内存中。
16.指定聚焦点f的坐标为探测时系统指定，其所处的板材层数可通过多层复合板各层板材的厚度推算得到，此处不再赘述。
17.s3，取入射点r1的坐标为（r
1x
，r
1y
），其中r
1x
=(r
min
r
max
)/2，r
1y
等于多层复合板表面所在纵坐标值；此处，将r
1x
设置为(r
min
r
max
)/2，即在入射点r1横坐标范围内选取其中点为入射点r1的坐标。
18.横坐标设于多层复合板的表面时，r
1y
=0；s4，根据晶片e的坐标值及步骤s3中入射点r1的坐标值，计算该晶片所发超声束在多层复合板表面的入射角；具体的，由反正切函数可知，=arctan( | r
1x-e
x |
ꢀ÷ꢀ
|r
1y
ꢀ‑ey
| )。
19.s5，由步骤s4中获取的入射角及折射定律，计算超声束在第一层板内的折射角；具体的，折射角=arcsin(sin
÷
n)，其中n为第一层板的相对折射率，其由板材的具体种类确定。
20.s6，由步骤s3中超声束在多层复合板表面的入射点r1、步骤s5中获取的折射角及折射定律，依次计算超声束在第二层板至第n层板表面的入射点位置及超声束在第二层板至第n层板内的折射角，其中，第n层板为指定聚焦点所在的板层；s7，由步骤s6中获取的超声束在第n层板表面的入射点rn、折射角及指定聚焦点f与第n层板表面的距离hf，计算理论聚焦点f’的坐标；具体的，设理论聚焦点f’的坐标为（），则
=r
nx
hf×ꢀ
tan，=r
ny
hf；s8，比较指定聚焦点f与理论聚焦点f’在横坐标方向的差距δ，其中，δ=f
x-，为理论聚焦点f’的横坐标；如果δ》0，重新指定步骤s2中入射点r1的横坐标范围；此处，δ》0意味着f
x
》，即计算得到的理论聚焦点位于指定聚焦点的左侧，则实际的入射点r1横坐标必然位于设定的入射点r1横坐标与指定聚焦点f的横坐标之间，因此设置下一轮计算时设定的入射点r1的横坐标范围。
21.如果δ《0，重新指定步骤s2中入射点r1的横坐标范围；类似的，此时实际的入射点r1横坐标必然位于晶片e的横坐标与设定的入射点r1横坐标之间，因此下一轮计算时设定的入射点r1的横坐标范围。
22.如果δ=0，重新指定步骤s2中入射点r1的横坐标范围；此时，实际入射点与设定的如设定r1重合，因此设定的入射点r1的横坐标范围，此时abs()=0。
23.如果abs()达到指定精度范围，则以步骤s3中选取的入射点r1的坐标，为超声束在多层复合板表面的实际入射点坐标，并计算超声束从晶片位置到指定聚焦点的传输时间；该传输时间的具体值可通过超声束在楔块或某层复合板材内传输的距离，除去其在该介质中传输的速度获取，传播速度的值由介质种类确定，传输的距离可通过三角定理计算得到，此处不再赘述。
24.如果abs()未达到指定精度范围，则以入射点r1重新指定的横坐标范围重复步骤s3至s8，直至abs()达到指定精度范围；其中abs为绝对值函数；上述指定精度范围可根据探伤对精度的要求进行人为设定，通常探伤精度小于0.001mm即可，具体实施时，系统可通过具体的要求进行人为调整。
25.s9，根据步骤s2至s8的计算方法，计算超声相控阵中所有晶片发出的超声束，从晶
片位置至指定聚焦点的传输时间；s10，由超声相控阵各晶片的传输时间，获取各晶片脉冲激励信号之间的相对延时时间；该相对延时时间的计算，以各晶片发出的超声束能够稳定干涉，以形成相应形状的波阵面并聚焦于指定聚焦点f为准，其具体计算过程为本领域常规技术，具体可参考哈尔滨工业大学出版的“超声相控阵扇形扫描检测成像技术研究”等相关文献，此处不再赘述。
26.s11，由步骤s10中获取的相对延迟时间对超声相控阵各晶片进行延时激励，以实现聚焦。
27.本发明的用于多层复合板的超声相控阵快速聚焦方法，通过设定超声束位于多层复合板表面的入射点r1，并通过简单的三角函数运算获取理论聚焦点与指定聚焦点之间的差距，据此重新指定入射点r1的横坐标范围。再由此横坐标范围是否达到指定精度的方式，实现实际入射点r1的获取。然后再通过实际入射点r1的坐标推算得到晶片的传输时间，及各晶片激励信号间的相对延时时间，以实现对各晶片的延时激励，进而将超声束聚焦于理论聚焦点的目的。相较于现有的计算方法，通过该方法对超声相控阵发出的超声束进行聚焦，其计算量得到大大简化，聚焦的效率也更高。
28.优选的，步骤s6中，依次计算超声束在第二层板至第n层板表面的入射点位置及超声束在第二层至第n层板内的折射角的方法，包括以下步骤；获取入射点的步骤s61，由入射点rn、折射角及多层复合板第n层板的层高hn，计算超声束在多层复合板第n 1层板表面的入射点r
n 1
；获取折射角的步骤s62，由超声束在第n 1层板表面的入射角及折射定律计算超声束在第n 1层板内的折射角；其中=，其中n=1，2
……
n，n为指定聚焦点f所在的第n层板；超声束在第二层板至第n层板的入射点位置及折射角的计算方法类似，此处以第二层板为例。
29.由入射点r1、折射角及第一层板的层高h1计算超声束在多层复合板第二层板表面的入射点r2的方法如下：r
2x
=r
1x
h1ꢀ×ꢀ
tan,r
2y
=r
1y
h1;由超声束在第二层板表面的入射角及折射定律计算超声束在第二层板内的折射角，由于多层复合板的各层板材的上下表面平行，因此=；2=arcsin(sin
÷
n2)，其中n2为第二层板的相对折射率。
30.第三层板至第n层板的计算方法与其上类似，此处不再赘述。
31.以上所述仅是本发明优选的实施方式，用于辅助本领域技术人员实现相应的技术方案，而并不用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附权利要求限定。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明的技术方案基础上，可做出若干与其等同的改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。同时，应当理解，虽然本说明书按照上述实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。