一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法

1.本发明涉及了高端装备制造领域的一种材料内部缺陷无损检测方法，尤其是涉及了一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法。


背景技术：

2.复合材料凭借其优越的力学性能、抗腐蚀性、耐疲劳性以及可设计性等特点，已经被应用于航空航天、轨道交通、建筑以及新能源等高端装备领域作为主承载结构，发挥着重要的作用，相应地也对其制造质量提出了更高的要求。因此，对复合材料在制造及服役阶段产生的如分层、裂纹、褶皱等缺陷进行高精度无损检测具有重要的意义。常见的无损检测方法有涡流、红外热成像、x射线、电子计算机断层扫描(ct)和超声等，其中超声具有穿透深度大、检测分辨率好、设备便携、安全且成本低等特点，已经被广泛用于管道焊缝、铁轨等各向同性构件的检测。基于超声相控阵探头（phasedarrayprobe）采集的全矩阵捕获（fullmatrixcapture,fmc）数据，结合全聚焦算法（totalfocusmethod,tfm）对材料内部缺陷反射或透射信号进行聚焦，对内部缺陷进行成像。结合图像便可以得到缺陷大小、形状、位置等信息，从而对材料质量进行评价。
3.目前的全聚焦算法针对各向同性构件具有较好的成像信噪比与缺陷分辨率，但针对各向异性材料，如碳纤维树脂基增强复合材料（carbonfiber-reinforcedpolymer，以下指cfrp材料）、玻璃纤维树脂基增强复合材料（glassfiber-reinforcedpolymer，以下指gfrp材料）等，由于内部声速各向异性分布产生的波形畸变，导致聚焦位置偏移无法正确对缺陷进行成像。因此，针对各向异性材料往往需要根据材料内部声速分布对全聚焦延时计算进行才能提高成像质量。
4.复合材料内部声速分布的直接获得主要通过均质化方法实现，将整块复合材料考虑成均匀各向异性，通过背板反射法（backwallreflectionmethod，brm），利用单探头或线阵探头获得不同角度的反射底面回波，计算对应传播路径的群速度分布曲线。但因为复合材料内部树脂带来的高衰减影响，较大角度的底面反射回波能量弱，无法精确得到较大角度的声速分布。此外均质化的方法忽略了不同铺层的层间折射与反射，会造成一定误差。且针对不同铺层顺序的复合材料，需要重新采集底面回波计算群速度分布。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法。本发明方法过程简单，可靠性高，且无需更换检测探头和采集方式，能够实现对任意铺层顺序的复合材料内部缺陷的全聚焦成像，具有良好的前景。
6.本发明采用的技术方案为：s1、使用超声相控阵采集设备对复合材料的单向板沿单侧平行纤维方向进行仅一次相控阵全矩阵数据采集，得到一组全矩阵数据；s2、根据s1仅一次采集获得的全矩阵数据，提取不同传播角度下其中的a扫信号的
准纵波与准横波的回波渡越时间进而计算获得各个弹性常数；s3、建立弹性常数与任意传播角度下准纵波的群速度分布之间的关系，利用得到弹性常数计算获得不同铺层内准纵波的群速度分布；s4、针对任意铺层顺序的复合材料的层合板处理得到准纵波的群速度分布，利用准纵波的群速度分布作为传播声速分布进行自适应校正延时，对复合材料进行全聚焦成像，目的是完成对复合材料内部可能产生的缺陷进行成像检测。
7.本发明的传播角度是指群速度的传播方向。
8.具体实施中，所述s1中，提供与待检测复合材料相同的材料与工艺制成的固定厚度的单向板，将超声相控阵采集设备的相控阵探头平行于材料纤维方向地置于材料一侧，对材料进行一次相控阵超声采集获得全矩阵数据。
9.所述步骤s2中，提取的回波渡越时间包括全矩阵数据中传播角度为90
°
的a扫信号中准纵波与准横波的回波渡越时间、传播角度为0
°
的a扫信号中准纵波的回波渡越时间以及传播角度为0
°
到90
°
之间的准纵波的回波渡越时间。
10.所述步骤s2中，根据提取的回波渡越时间计算弹性常数c
11
、c
22
、c
55
和c
13
的具体过程为：s21、利用提取的传播角度为90
°
的a扫信号的准纵波、准横波的回波渡越时间，按照以下公式分别计算得到弹性常数c
22
和c
55
，公式如下：c
22
=ρ(2d/t
qp
(90
°
))2c
55
=ρ(2d/t
qsv
(90
°
))2其中，ρ为复合材料单向板密度，d为复合材料单向板厚度，t
qp
(90
°
)与t
qsv
(90
°
)分别为传播角度为90
°
的第一次准纵波和第一次准横波的回波渡越时间；c
22
、c
55
分别表示复合材料刚度矩阵中第二行与第二列对应位置的弹性常数和第五行与第五列对应位置的弹性常数；刚度矩阵指的是用于表征各向异性线弹性体弹性特征的一个6
×
6的矩阵，是一个常规参数。
11.s22、利用提取的传播角度为非90
°
的a扫回波信号，提取沿纤维方向(即传播角度0
°
)传播的准纵波的回波渡越时间，计算弹性常数c
11
：c
11
=ρ(l/t
qp
(0
°
))2其中，l为超声相控阵采集设备的相控阵探头中发射阵元与接收阵元之间水平距离，t
qp
(0
°
)为准纵波表面波渡越时间；c
11
表示刚度矩阵中第一行与第一列对应位置的弹性常数；s23、利用传播角度为非90
°
的a扫回波信号，提取第一次准纵波的回波渡越时间，结合三个弹性常数c
11
、c
22
与c
55
，按照以下通过全局优化算法求解得到剩余弹性常数c
13
：f(c
13
)=min∑(vg(c
11
,c
22
,c
55
,c
13
)-2d/(sin(θ)t
qp
(θ)))
2vg
(c
11
,c
22
,c
55
,c
13
)=sqrt((v
gx
)2 (v
gz
)2)v
gx
=(k
x
/ρw)[-(c
11
c
55
)ρw2 2c
11c55kx2
(c
11c22-c
132-2c
13c55
)k
z2
]/[(c
22
c
55
)k
z2
(c
11
c
55
)k
x2-2ρw2]v
gz
=(kz/ρw)[-(c
22
c
55
)ρw2 2c
22c55kx2
(c
11c22-c
132-2c
13c55
)k
x2
]/[(c
22
c
55
)k
z2
(c
11
c
55
)k
x2-2ρw2]其中，f()为优化目标函数，min表示取最小值，vg(c
11
,c
22
,c
55
,c
13
)是和弹性常数
其中，w为角速度，k
x
、ky、kz为传播角度投影在三个方向上的波矢大小，e1、e2、e3为三个方向上的单位矢量；s34、根据不同铺层的传播角度设定不同的三个方向，进而重复按照上述步骤s31～s33处理获得各个铺层内的准纵波的群速度，从而获得不同铺层内准纵波的群速度分布。
[0018]
所述步骤s4中，确定待检测复合材料内的铺层，利用步骤s3得到对应铺层内准纵波的群速度分布，直接以各层铺层内准纵波的群速度作为不同铺层内部不同传播角度的传播声速，即针对各层铺层以当前铺层内部的铺层角度作为传播角度由步骤s3处理得到对应的准纵波的群速度作为当前铺层的传播声速；依据实际待检测复合材料内的铺层顺序，考虑层间折射，根据不同铺层内的传播声速，计算得到超声相控阵采集设备的相控阵探头中由第i阵元发射、第j阵元接收、成像区域对应点(x,y)的整条声传播路径自适应校正后的延时t
ij
(x,y)，从而完成所有延时校正。
[0019]
对应点是成像区域中的其中一点（x，y），全聚焦算法中依次会对成像区域中每一个点进行延时累加计算。
[0020]
具体实施中的延时计算是在整条声传播路径中将每一层内的路径除以路径对应的传播声速得到时间累加而获得。
[0021]
所述步骤s4中，根据延时按照以下公式进行处理获得校正后的全聚焦成像：i(x,y)=∑
i=1
∑
j=1
amp[h
ij
(t
ij
(x,y))]其中，i(x,y)为复合材料的成像区域中某一像素点的值，t
ij
(x,y)代表由第i阵元发射、第j阵元接收、对应点(x,y)的整条声传播路径自适应校正后的延时，h
ij
()是希尔伯特变换，amp[]是a扫信号对应t
ij
(x,y)延时位置的幅值大小。
[0022]
本发明中，群矩阵数据指相控阵单阵元发射，所有阵元接收，所有阵元依次发射接收完毕所储存的a扫信号组。其中，a扫信号可以分为两类：第一类为单阵元自身发射与接收，传播角度为90
°
；第二类为单阵元自身发射其余阵元接收，传播角度为0
°
至90
°
，不包括90
°
。
[0023]
本发明是采用超声相控阵对复合材料单侧进行一次全矩阵数据采集，获得全矩阵数据。利用全矩阵数据中不同传播角度的a扫信号，进而利用不同传播角度a扫信号计算得到四个弹性常数；基于方程对不同铺层内波的传播进行建模，依据得到的四个弹性常数计算不同铺层内准纵波群速度分布；针对实际检测不同铺层顺序复合材料层合板，利用群速度分布结合实际检测复合材料层合板的任意铺层顺序，利用准纵波群速度分布自适应校正延时，校正延时以进行正确地全聚焦缺陷成像，而对检测区域进行全聚焦成像以表征缺陷。
[0024]
本发明通过预先采集全矩阵数据计算所需四个弹性常数，针对实际检测不同铺层顺序复合材料层合板，自适应校正全聚焦成像所需延时，简化了任意铺层复合材料层合板的声速分布曲线计算过程，满足复合材料层合板内部缺陷自动化无损检测需求。
[0025]
本发明的有益效果是：本发明能够通过仅一次相控阵超声群矩阵数据采集得到所需的四个弹性常数，仅需四个弹性常数便可计算不同铺层下的完整准纵波群速度分布，能够针对任意铺层顺序复合材料层合板进行自适应延时校正计算，从而对内部缺陷进行精确的全聚焦成像，无需多次采集数据获得声速分布曲线，测试过程简单高效、成像结果信噪比好成像质量高。
vg(c
11
,c
22
,c
55
,c
13
)=sqrt((v
gx
)2 (v
gz
)2)。
[0034]vgx
=(k
x
/ρw)[-(c
11
c
55
)ρw2 2c
11c55kx2
(c
11c22-c
132-2c
13c55
)k
z2
]/[(c
22
c
55
)k
z2
(c
11
c
55
)k
x2-2ρw2]v
gz
=(kz/ρw)[-(c
22
c
55
)ρw2 2c
22c55kx2
(c
11c22-c
132-2c
13c55
)k
x2
]/[(c
22
c
55
)k
z2
(c
11
c
55
)k
x2-2ρw2]其中，vg(c
13
)是理论计算得到与弹性常数c
13
相关的群速度，θ是波传播角度，t
qp
(θ)是对应传播角度下的第一次准纵波到达时间。
[0035]
（3）不同铺层波的传播建模如图1所示，相速度v
p
与群速度vg在非对称平面入射时呈γ角偏转，相速度传播方向可以用传播角θ和xy平面上与x轴所夹极化角φ表示，群速度传播方向可以用射线角θ和x轴所夹极化角φ表示。三个方向传播的波矢量大小可以表示为：k
x
=ksinθcosφky=ksinθsinφkz=kcosθ其中，k为沿任意方向传播波矢量的大小。
[0036]
通过对方程进行求解，便可以得到角速度与波矢相关的函数：
[0037]
其中g为克里斯托弗尔矩阵。
[0038]
针对准纵波，求解给出了准纵波相关的角速度与波矢函数用于求解准纵波群速度：g(w,ki)=(ρw2)
2-a(ρw2) b=0其中，a=(c
22
c
55
)(k
y2
k
z2
) (c
11
c
55
)k
x2
b=c
22c55
(k
y2
k
z2
)2 c
11c55kx4
(c
11c22-c
132-2c
13c55
)(k
y2
k
z2
)k
x2
据此便可以求解任意三维方向上准纵波群速度大小与方向。
[0039]
在三维方向上群速度矢量可以表示为：vg=δw/δk
x
×
e1 δw/δky×
e2 δw/δkz×
e3其中w为角速度，k
x
、ky、kz为三个方向上的波矢大小，e1、e2、e3为三个方向上的单位矢量。
[0040]
具体实施中，将g(w,ki)带入以下公式，对准纵波的群速度表达式做进一步处理，将对角速度求波矢分量偏微分，修改对g(w,ki)求波矢分量偏微分，再除以对g(w,ki)求角速度偏微分：vg=[δg(w,ki)/δw]-1
[δg(w,ki)/δk
x
×
e1 δg(w,ki)/δky×
e2 δg(w,ki)/δkz×
e3]据此，将g(w,ki)带入公式后，便可以求解任意三维方向上准纵波的群速度大小与方向。
[0041]
（4）不同铺层内准纵波群速度分布根据步骤2中得到4个独立弹性常数c
11
、c
22
、c
55
和c
13
对不同铺层内准纵波的群速度
分布进行计算，如0
°
、
±
45
°
、60
°
、90
°
等铺层内群速度分布。
[0042]
（5）校正复合材料层合板延时全聚焦算法需要对成像区域离散，对每个点使用全矩阵数据，根据接收延时进行聚焦计算。不同成像位置的点对应不同的波的传播角度，在各向异性情况下，不同传播角度对应不同传播速度。利用步骤4得到不同铺层内群速度分布，便可对非均质各向异性复合材料层合板延时进行校正。首先确定铺层以选择使用群速度分布，其次针对铺层内部不同传播角度根据对应的群速度分布选择传播声速，最终计算得到第i阵元发射，第j阵元接收，对应(x,y)点的整条声传播路径延时t
ij
(x,y)，完成校正。
[0043]
（6）全聚焦成像校正后的全聚焦成像公式如下：i(x,y)=∑
i=1
∑
j=1
amp[h
ij
(t
ij
(x,y))]其中i(x,y)为成像区域中某一像素点的值，t
ij
(x,y)代表第i阵元发射，第j阵元接收，对应(x,y)点的整条声传播路径延时，h
ij
()是希尔伯特变换,amp[]是a扫信号对应t
ij
(x,y)延时位置的幅值大小。
[0044]
本发明测试过程简单高效、成像结果信噪比好成像质量高，能够完成对声速各向异性自适应校正，实现对任意铺层顺序复合材料的内部缺陷全聚焦成像，无需多次采集获得声速分布曲线；且通过一次相控阵采集得到全矩阵数据可以计算得到准纵波相关的4个独立弹性常数，利用弹性常数能够计算任意铺层内准纵波群速度分布；且使用基于全矩阵采集的相控阵超声检测方式，将复合材料的弹性常数表征与内部缺陷无损检测过程完美结合，无需更换检测探头和数据采集方式，无需多次采集数据，实现任意铺层顺序复合材料层合板内部缺陷损伤全聚焦成像，有助于实现对复合材料的自动化无损检测与评价。
[0045]
下面通过本技术对具有不同铺层顺序的cfrp复合材料层合板进行弹性常数测量与内部伤损检测，以验证本技术方法准确性与可靠性：实验所使用cfrp复合材料样品（威海光威复合材料股份有限公司，威海，中国）由碳纤维/环氧树脂预浸料（ccf300/133/eh503r3/33%）通过热压工艺制作，总厚度为12mm，材料铺层顺序为[-45/0/45/90]
10s
，材料密度测得为1593kg/m3。在距离材料底部4mm深处每隔10mm钻一个直径为3mm的平底孔，用以模拟分层缺陷，检验本技术方法准确性与可靠性。
[0046]
实验使用型号为5l64-38.4x10-a12-p-2.5-om相控阵探头（奥林巴斯株式会社，东京，日本），中心频率为5mhz，共包含64阵元，阵元间距为0.6mm。
[0047]
使用64/64oem-pa便携式相控阵采集仪（aos，美国）控制相控阵阵元对依次进行超声信号的发射与采集，采样频率为50mhz，数据长度为60μs。通过对一块15mm相同材料与工艺制作的cfrp复合材料单向板沿纤维方向进行一次完整相控阵采集，获得全矩阵数据。
[0048]
基于步骤2所述方法，利用不同传播角度的a扫回波信号，提取准纵波和准横波回波渡越时间，直接计算得到弹性常数c
11
、c
22
和c
55
。利用已经得到的弹性常数和不同传播角度的第一次准纵波回波渡越时间，借助全局优化算法计算得到c
13
。利用复合材料单向板获得的弹性常数如图4所示。
[0049]
利用步骤3所述方法，利用得到四个独立弹性常数计算0
°
、
±
45
°
和90
°
铺层内准纵
波声速分布，如图5所示。结合声速分布，对复合材料层合板成像区域点进行延时校正。
[0050]
使用相控阵采集仪和同样的相控阵探头，对待检测cfrp样品进行全矩阵数据采集。使用校正后的延时数据，用采集得到全矩阵数据对成像区域内所有点进行全聚焦成像，得到材料内部缺陷成像结果。
[0051]
为了进一步证明本技术方法对缺陷成像的准确性与可靠性，将本技术方法成像结果与不加校正的全聚焦算法（各向同性全聚焦算法）成像结果进行对比。缺陷的成像分辨率主要通过采用阵列性能指示器(arrayperformanceindicator,api)来进行无量纲度量，公式如下：api=a-6db
/λ2其中a-6db
指缺陷附近成像区域中像素幅值与该区域中最大像素点幅值之比大于-6db的像素点对应的面积，λ是相控阵中心频率对应的波长。api值越小则代表缺陷成像的分辨率越好。缺陷的成像信噪比通过以下公式衡量：snr=20log
10
(i(x,y)/(σ(y))其中i(x,y)是缺陷成像区域的最大幅值，σ(y)是与缺陷同一深度横向距离较远处小区域内像素点均方根幅值。将二者对比便可得到缺陷区域信噪比，越高则代表图像抗噪声能力越强，图像质量越高。
[0052]
本技术方法对cfrp复合材料样品的三个平底孔缺陷成像的api与信噪比结果与各向同性全聚焦算法对比如图6所示。本技术方法在api上小于各向同性全聚焦算法0.23-0.45，在信噪比上高于各向同性全聚焦算法20.1-22.3db。证明了本技术方法可以对任意铺层顺序复合材料层合板进行校正的全聚焦成像，且能够提高较好的缺陷分辨率和信噪比。
[0053]
由此实施可见，本发明利用从复合材料单向板得到的所需4个弹性常数，表征不同铺层内准纵波群速度分布，自适应校正延时进行全聚焦成像，简化了任意铺层复合材料层合板的声速分布曲线计算过程，满足复合材料层合板内部缺陷自动化无损检测需求。