圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法

摘要

本发明公开了一种圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法，其特征在于：包括直射检测时各阵元延时计算方法和经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法。本发明提出的延时计算方法计算的延时可以形成较好的检测声束，能有效检测外径较小的轴或管状工件，包括小径管对接焊缝中的横向缺陷，也可以用于该类工件中其它缺陷的补充检测，辅助缺陷定性。

主权项

圆柱形曲面工件相控聚焦超声检测的延时计算方法，其特征在于：包括直射检测时各阵元延时计算方法和经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法；所述直射检测时各阵元延时计算方法过程为：A1)构建缺陷检测模型，沿探头中心作横切面；A2)定义横切面与管轴相交的点为原点O，建立极坐标系；A3)楔块斜面的后端点B所在的位置为B(R_B,θ_B)；楔块下表面的后端点A所在的位置为A(R_out,0)，R_out为管外径；A4)计算各阵元中心所在的位置；定义第i个阵元中心I所在的位置为I(R_i,θ_i)；$R_i=\sqrt{R_{out}^2+{\mathrm{AI}}^2-2R_{out}·AI·{\mathrm{cos\theta }}_B}$${\mathrm{sin\theta }}_i=\frac{AI}{R_i}{\mathrm{sin\theta }}_B$其中，AI为A点到第i个阵元中心I之间的距离，BI为B点到第i个阵元中心I之间的距离；${\mathrm{AI}}^2={\mathrm{BI}}^2+H_0^2+2BI·H_0·{\mathrm{sin\alpha }}_0$H₀为A点到B点之间的距离，α₀为楔块的倾斜角；BI＝p×(i‑1)+s₀s₀为B点到离其最近阵元中心的距离，p为阵元间距，即相邻阵元中心间的距离，p＝g+e，其中g为阵元间隙尺寸，e为阵元宽度；A5)根据Snell定律，得到入射点位置的方程；定义第i个阵元激发的声波的入射点D所在的位置为D(R_out，θ_D)；声聚焦点P所在的位置为P(R_P，θ_P)；关于θ_D的方程为，$\begin{array}{c}{c}_s{R}_{i}sin({\theta }_D-{\theta }_i)\sqrt{R_P^2+R_{out}^2-2R_P{R}_{out}cos({\theta }_P-{\theta }_D)}\\ =c_w{R}_P\sin ({\theta }_P-{\theta }_D)\sqrt{R_i^2+R_{out}^2-2R_i{R}_{out}\cos ({\theta }_D-{\theta }_i)}\end{array}$其中，c_w为楔块材料声速，c_s为管材料声速；A6)获取入射点位置的取值范围；用直线连接I与P，直线与圆弧相交的点为E，E所在的位置为E(R_out，θ_E)，θ_D的取值范围在θ_i和θ_E之间；A7)根据入射点位置的取值范围和方程，采用二分法数值计算，获取入射点位置值；A8)根据入射点位置值获取阵元的延时；第i个阵元的延时Δt_i为，Δt_i＝max(t)‑t_i+t₀其中，为第i个阵元中心I，发射声波传到P点所用的声时；$DI=\sqrt{R_i^2+R_0^2-2R_i{R}_{0}cos({\theta }_D-{\theta }_i)};$$DP=\sqrt{R_P^2+R_{out}^2-2R_P{R}_{out}cos({\theta }_P-{\theta }_D)};$max(t)为t_i中的最大值；t₀为延时设置中的初始延时，为一固定常数；经圆柱内壁反射后聚焦检测时各阵元延时计算方法：B1)构建缺陷检测模型，沿探头中心作横切面；B2)定义横切面与管轴相交的点为原点O，建立极坐标系；B3)楔块斜面的后端点B所在的位置为B(R_B，θ_B)；楔块下表面的后端点A所在的位置为A(R_out，0)，R_out等于管外径；B4)计算各阵元中心所在的位置；定义第i个阵元中心I所在的位置为I(R_i，θ_i)；$R_i=\sqrt{R_{out}^2+{\mathrm{AI}}^2-2R_{out}·AI·{\mathrm{cos\theta }}_B}$${\mathrm{sin\theta }}_i=\frac{AI}{R_i}{\mathrm{sin\theta }}_B$其中，AI为A点到第i个阵元中心I之间的距离，BI为B点到第i个阵元中心I之间的距离；${\mathrm{AI}}^2={\mathrm{BI}}^2+H_0^2+2BI·H_0·{\mathrm{sin\alpha }}_0$H₀为A点到B点之间的距离，α₀为楔块的倾斜角；BI＝p×(i‑1)+s₀s₀为B点到离其最近阵元中心的距离，p为阵元间距，即相邻阵元中心间的距离，p＝g+e，其中g为阵元间隙尺寸，e为阵元宽度；B5)根据Snell定律和正余弦定理，得到入射点位置的方程；定义第i个阵元激发的声波的入射点H所在的位置为H(R_out，θ_H)；声聚焦点P′所在的位置为P′(R_P′，θ_P′)；管内壁反射点F所在的位置为F(R_in，θ_F)，R_in为管内径；关于θ_H的方程为，$\begin{array}{c}{\left[c_s{R}_i\sin ({\theta }_H-{\theta }_i)\right]}^2(R_{in}^2+R_{out}^2-2\cos ({\theta }_F-{\theta }_H\left)R_{in}{R}_{out}\right)\\ ={\left[c_w{R}_{in}({\theta }_F-{\theta }_H)\right]}^2(R_i^2+R_{out}^2-2\cos ({\theta }_H-{\theta }_i\left)R_i{R}_{out}\right)\end{array};$$\begin{array}{c}{\left[R_{P^{\prime }}\sin ({\theta }_{P^{\prime }}-{\theta }_F)\right]}^2(R_{in}^2+R_{out}^2-2\cos ({\theta }_F-{\theta }_H\left)R_{in}{R}_{out}\right)\\ ={\left[R_{out}\sin ({\theta }_F-{\theta }_H)\right]}^2(R_{P^{\prime }}^2+R_{in}^2-2\cos ({\theta }_{p^{\prime }}-{\theta }_F\left)R_{P^{\prime }}{R}_{in}\right)\end{array};$B6)获取入射点位置的取值范围；用直线连接I与P′，直线与圆弧相交的点为K，K所在的位置为K(R_out，θ_K)，θ_H的取值范围在θ_i和θ_K之间；B7)根据入射点位置的取值范围和方程，采用二分法数值计算，获取入射点位置值；B8)根据入射点位置值获取阵元的延时；第i个阵元的延时Δt_i′为，Δt_i′＝max(t)′‑t_i′+t₀其中，为第i个阵元中心I，发射声波传到P′点所用的声时；$HI=\sqrt{R_i^2+R_{out}^2-2R_i{R}_{out}cos({\theta }_H-{\theta }_i)};$$FH=\sqrt{R_{in}^2+R_{out}^2-2cos({\theta }_F-{\theta }_H)R_{in}{R}_{out}};$${\mathrm{FP}}^{\prime }=\sqrt{R_{P^{\prime }}^2+R_{in}^2-2cos({\theta }_{P^{\prime }}-{\theta }_F)R_{P^{\prime }}{R}_{in}};$max(t)′为t_i′中的最大值。