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一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法
【专利摘要】一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法，所述方法包含采用数值模拟计算超声相控阵楔块中的脉冲声场，分析其声场特性；设计仿真实验模拟楔块中的脉冲超声传播方式，模拟不同边界条件下楔块中产生的脉冲声场的回波成像；采用B模式成像获得超声相控阵换能器在楔块中的实际物理声场验证模拟仿真实验中结果。本发明采用时域有限差分方法计算得到超声相控阵楔块中精确的脉冲声场，通过数值计算和物理实验相验证的方法实现了一种超声相控阵楔块中的脉冲声场准确的测量。
【专利说明】一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及应用于超声相控阵脉冲声场的测量方法，特别涉及一种应用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法。
[0002]

【背景技术】
[0003]超声相控阵检测具有检测范围广、深度大、速度快、安全无污染等特点，在焊缝、复合材料、钢轨和车轴等检测领域得到了广泛应用。由于检测灵活性较好且探测角度大，横波检测广泛应用于超声相控阵检测系统中。目前，超声横波检测利用纵波通过楔块倾斜入射到被测物界面上折射产生横波进行检测被测物体。由于利用横波进行检测时，所接收到的信号中包含由楔块边界反射产生的回波，此回波与缺陷回波相互混合，影响被测物内部的检测；超声相控阵检测系统自检过程是将超声阵列换能器前端接上楔块，但不与被测物接触，依次驱动各阵元独立发出脉冲超声并接收，利用各阵元所接收的回波进行成像，以此检测系统各阵元和通道是否工作正常以及楔块设计是否符合要求。但在实际中自检图像中有许多未知纹理，为了解释自检图像中产生的回波，并且定量分析这些回波对于超声相控阵检测过程的影响，需要对楔块中的脉冲声场进行精确的测量。然而，声波在复杂边界固体介质中的传播规律非常复杂，导致实际应用问题很少能有严密的解析解，为了得到声波在介质中的传播及与界面的相互作用产生的脉冲声场，本发明提出采用数值模拟方法计算得到超声相控阵楔块中的脉冲声场。


【发明内容】

[0004]本发明的目的在于，在较难获得声波在复杂边界固体中传播规律严密解析解的情况下，本发明提出一种采用数值模拟法和物理实验验证相结合精确测量得到超声相控阵楔块中的脉冲声场方法，采用时域有限差分法对超声相控阵楔块中的脉冲声场进行数值计算并设计模拟仿真实验获得不同接触界面下的脉冲声场，并采用实际的B模式成像实验验证采用数值模拟方法测量得到超声相控阵楔块中的脉冲声场的正确性。
[0005]为实现上述发明目的，本发明提出了一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法:
步骤一、通过时域有限差分方法模拟计算超声相控楔块中的脉冲声场，得到超声相控楔块中声波方程的有限差分模型；
步骤二、通过有限差分模型构建仿真实验模型，仿真实验仿真模拟超声脉冲在楔块中的传播，并分析在一定实验状态下超声相控阵楔块中脉冲声场的声场特性及回波B模式成像结果；
步骤三、在相同的实验状态下，通过B模式成像产生超声相控阵楔块中实际的物理声场，将仿真实验模拟得到的B模式成像结果与实际的物理声场B模式图像对比，得到一致脉冲声场，数值模拟的超声相控阵在楔块中的脉冲声场，即为超声相控阵楔块中脉冲声场的测量结果。
[0006]所述的仿真模拟模型由被测物体、超声楔块和超声换能器和吸声材料组成，将被测物体、超声楔块和超声换能器及吸声材料置于水中，超声楔块的界面2放置于被测物体上，楔块的界面I同超声换能器相接触，楔块的界面3同采用完全匹配层的吸声材料相接触。
[0007]所述的步骤一时域有限差分方法模拟结果得到不同时刻声场中各点的正应力分布图，模拟产生不同时刻在不同的界面反射得到的不同横波和纵波，即不同时刻超声楔块中的脉冲声场。
[0008]所述的仿真实验为2种，模拟了无吸声界面和全吸声界面2种边界情况以便于分析不同的吸声材料对脉冲声场测量的影响。
[0009]所述的超声换能器的各个阵元分别发射和接收，将32路回波数据进行B模式成像，得到不同边界情况下回波波形。
[0010]发明的优点在于采用时域有限差分法(FDTD)获得了超声相控阵楔块中脉冲声场的有限差分模型，便于分析描述脉冲声场特性，通过物理实验方法验证数值计算结果的正确性，此发明可以稳定、精确地测量超声相控阵楔块中的脉冲声场。

【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1为本发明脉冲声场测量原理图；
图2为本发明超声相控阵楔块仿真实验模型；
图3为本发明不同时刻相控阵楔块中的脉冲声场；
图4为本发明不同吸声边界的仿真模型；
图5为本发明不同吸声边界仿真回波B模式成像；
图6为本发明实际实验中不同吸声边界楔块的相控阵回波图像；
图中:1、超声相控换能器，2、阵元，3、界面1，4、界面2，5、界面3，6.、聚苯乙烯楔块，7、吸声材料，8、被测物，9、水，10、折射纵波P，11、折射横波S，12、反射纵波PP1，13、反射横波PSl, 14.反射纵波PP2，15、反射横波PS2，16、反射横波SS1，17、发射纵波SP2，18.、反射横波SS2，19、反射横波PS2S，20、反射横波PS1S，21、散射纵波PP3，22、散射横波PS3。

【具体实施方式】
[0012]一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法，所述方法步骤包括如下:
1.建立固体中声场的有限差分模型。超声相控阵楔块中的脉冲声场主要存在于固体中，因此采用二维模型模拟固体中声场传播，得到弹性力学方程，并用差分方程形式，将弹性力学方程作相应变换得到固体中声波方程的有限差分模型(FDTD)。
[0013]2.设计合理的超声横波检测仿真实验模拟在超声相控阵楔块中脉冲超声传播。为了减少采用FDTD对楔块仿真时极长的耗时，模拟将设计的仿真实验装置放置于水中，设定仿真模型的相关参数。设计的仿真方法可以稳定、精确的模拟相控阵楔块中脉冲声场特性。
[0014]3.对单阵元工作情况时超声脉冲在楔块中的传播进行数值模拟，得到不同时刻声场中各点正应力的分布图。模拟产生不同时刻超声相控阵楔块中的脉冲声场。
[0015]4.设计不同的实验，验证并分析吸声材料对脉冲声场在楔块中传播的影响。实际的吸声界面较为复杂较难进行建模模拟，因此模拟实验中采用无吸声界面和全吸声界面2种边界情况分析不同吸声边界对脉冲声场传播的影响。
[0016]5.获得2组模拟实验中回波的B模式图像。实验中相控阵换能器各个阵元分别发射和接收，将32路回波进行B模式成像，得到仿真实验中不同边界条件时楔块中脉冲声波的回波图像。
[0017]6.采用32通道相控阵检测系统进行2组实验。实验中采用的楔块包含有不同的吸声材料，32通道的相控阵系统各个阵元分别发射和接收，得到实际实验中的回波图像。
[0018]7.通过对B模式成像中的信号分布，分析楔块中的脉冲场对应的各种形式的回波，包括各种形式的纵、横波以及多次转换波。分析吸收材料对于楔块中脉冲场的影响。
[0019]8.将仿真得到的回波图像同实验得到的回波图像进行对比，验证所采用的数值模拟方法精确的描述了超声相控阵楔块中的脉冲声场。
[0020]本发明提出声波在复杂边界固体介质中传播时，声场测量无法获得严密解析解情况下，采用FDTD数值计算方法得到超声相控阵楔块中脉冲声场的声波方程表达式，并采用仿真实验验证了超声脉冲在楔块中的传播，最后通过B模式成像实验产生实际物理声场，通过对比分析验证仿真实验的正确性。各个步骤【具体实施方式】如下:
1.获得固体声场中的有限差分模型。采用二维简化模型定量分析固体中的声场传播。弹性力学方程为:

【权利要求】
1.一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法，其特征在于: 步骤一、通过时域有限差分方法模拟计算超声相控楔块中的脉冲声场，得到超声相控楔块中声波方程的有限差分模型； 步骤二、通过有限差分模型构建仿真实验模型，仿真实验仿真模拟超声脉冲在楔块中的传播，并分析在一定实验状态下超声相控阵楔块中脉冲声场的声场特性及回波B模式成像结果； 步骤三、在相同的实验状态下，通过B模式成像产生超声相控阵楔块中实际的物理声场，将仿真实验模拟得到的B模式成像结果与实际的物理声场B模式图像对比，得到一致脉冲声场，数值模拟的超声相控阵在楔块中的脉冲声场，即为超声相控阵楔块中脉冲声场的测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法，其特征在于:所述的仿真模拟模型由被测物体、超声楔块和超声换能器和吸声材料组成，将被测物体、超声楔块和超声换能器及吸声材料置于水中，超声楔块的界面2放置于被测物体上，楔块的界面I同超声换能器相接触，楔块的界面3同采用完全匹配层的吸声材料相接触。
3.根据权利要求1所述的一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法，其特征在于:所述的步骤一时域有限差分方法模拟结果得到不同时刻声场中各点的正应力分布图，模拟产生不同时刻在不同的界面反射得到的不同横波和纵波，即不同时刻超声楔块中的脉冲声场。
4.根据权利要求1所述的一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法，其特征在于:所述的仿真实验为2种，模拟了无吸声界面和全吸声界面2种边界情况以便于分析不同的吸声材料对脉冲声场测量的影响。
5.根据权利要求2所述的一种用于超声相控阵楔块中脉冲声场的测量方法，其特征在于:所述的超声换能器的各个阵元分别发射和接收，将32路回波数据进行B模式成像，得到不同边界情况下回波波形。
【文档编号】G01N29/30GK104198592SQ201410352561
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】李慧娟, 吴文焘, 喻飞, 孟丽, 李新忠, 丁孝全 申请人:河南科技大学, 中国科学院声学研究所