基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统及其声速测量方法

摘要

基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统及其声速测量方法，属于高端装备检测领域。该方法包括以下步骤：设计倾角相同的一发一收楔块，搭建相控阵超声临界折射纵波检测系统；预估待测材料纵波声速范围，计算优化相控阵超声延迟法则，建立纵波声速与临界折射纵波幅值的关系；读取接收信号到达时间并插值处理，计算待测材料纵波声速；确定最优延迟法则，激励和接收临界折射纵波。本发明通过搭建相控阵超声一发一收检测系统，利用单一角度楔块即可实现多种材料或声速变化条件下临界折射纵波检测，不依赖厚度信息，可有效解决板状结构平面内声速测量难题，显著提高检测效率和可靠性，降低检测成本，对发展高端装备检测与表征技术具有重要意义。

权利要求

1.基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统，其特征是：设计倾角相同的一发一收超声楔块，搭建相控阵超声临界折射纵波检测系统：(1)单角度一发一收超声楔块设计估计待测材料纵波声速vm范围，选定楔块材质，要求楔块纵波声速vw满足vw＜vm；基于Snell定律计算临界折射纵波对应的第一临界角αI范围，公式如下：选取αI范围内某一角度作为楔块倾角θw；根据选定楔块材质的声衰减系数，确定楔块第一阵元中心高度；根据相控阵超声探头尺寸确定楔块尺寸，两楔块中间设有吸声层，以保证发射、接收超声信号之间互不干扰，将楔块整体放置于待测材料表面，借助耦合剂保证两者之间耦合稳定；

(2)搭建相控阵超声临界折射纵波检测系统用所述楔块搭建相控阵超声临界折射纵波一发一收检测系统，具体包括：M2M MultiX++相控阵超声主机、计算机和一对线性阵列相控阵超声探头；使用计算机对检测系统进行控制，记录临界折射纵波信号。

2.根据权利要求1所述的基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统的声速测量方法，其特征在于：计算优化相控阵超声延迟法则，读取接收信号到达时间并进行插值处理，计算材料纵波声速；包括以下几个步骤：(1)初步计算相控阵超声延迟法则根据所述楔块声衰减系数，初步选定孔径阵元数n，并给定纵波声速vm值，利用公式(1)计算对应第一临界角αI，根据所述楔块角度、利用公式(2)计算相控阵超声入射偏转角度θ：θ＝αI‑θw    (2)

进而计算相控阵超声发射探头的延迟法则，计算方法如公式(3)：其中，i为孔径内任一阵元序号，I为孔径起始阵元序号，J为孔径终止阵元序号，I≤i≤J≤n(i、I、J、n均为正整数)，ti为第i个阵元的延迟时间，P为阵元间距；

(2)优化计算延迟法则

选取所述待测材料纵波声速范围的5％‑10％中某一数值为步进，在所述相控阵超声检测系统中由低到高、依次设置待测材料纵波声速vm，按所述计算发射探头延迟法则，接收探头无延时，激励和接收临界折射纵波；调节仪器增益并固定某一数值，保证接收信号中最高幅值不低于满屏的80％、不超满屏；建立材料纵波声速vm与临界折射纵波幅值A的关系曲线，拟合并确定最高A值对应的vm值；

设定不同孔径阵元数n并按所述计算发射探头延迟法则，接收探头无延时，激励、接收临界折射纵波，得到发射探头孔径阵元数n与临界折射纵波幅值A的关系曲线；根据接收信号质量选择孔径阵元数，调节仪器增益，确定优化的延迟法则，保证接收信号幅值不低于满屏的50％，信噪比不低于12dB；

(3)接收信号到达时间读取与插值处理基于所述优化计算延迟法则，激励接收临界折射纵波，在计算机中记录A扫描和B扫描信号，采样频率不低于50MHz；对每个阵元对应A扫信号进行线性插值处理，保证采样频率不低于500MHz；

(4)计算待测材料纵波声速

由接收信号到达时间读取与插值处理计算接收探头所用孔径内两阵元之间的延迟时间tij，利用公式(4)计算步骤(5)B扫描中临界折射纵波与相控阵超声阵元平面之间的夹角Δθ：

根据所求Δθ计算待测材料纵波声速vm，计算方法如公式(5)：(5)计算最优延迟法则

基于计算待测材料纵波声速vm，进一步重复初步计算相控阵超声延迟法则，计算得到最优延迟法则，从而在待测材料实现基于单角度楔块的临界折射纵波高质量激励和接收，检测缺陷和评价损伤。

说明书

基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统及其声速测

量方法

技术领域

[0001] 基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统及其声速测量方法，属于高端装备检测领域。

背景技术

[0002] 板状结构广泛应用于航空航天、航海、汽车等关键领域高端装备。受现有工艺水平的限制，板状结构在制造和服役过程中不可避免地产生一些缺陷和损伤，如经热压固化制
备的碳纤维增强树脂基复合材料板中容易产生分层，经轧制成型的钛合金板中容易产生折
叠等，严重降低高端装备零部件的承载性能和可靠性，威胁安全运行。因此，若能够对板状
结构中缺陷和损伤进行有效检测与评价，便可提前预警灾难，对确保高端装备的承载性能
和服役可靠性意义重大。

[0003] 临界折射纵波是以第一临界角入射、平行于材料表面且沿近表面传播的纵波，广泛应用于残余应力测量、表面/近表面缺陷检测等，对于高端装备板状结构的检测具有重要
价值。现有研究表明：临界折射纵波的有效激励较为困难，对超声入射角度要求苛刻。目前，
主要解决思路为：根据被测材料纵波声速设计倾角为第一临界角的楔块，从而实现临界折
射纵波的激励和接收。这种方法对于不同材料需要设计不同倾角的楔块，对于声速各向异
性或声速随时间变化的情况，多个楔块不仅适应性差、增加检测成本，且更换楔块过程中容
易改变耦合状态，给定量检测与表征带来了诸多不便，不能满足高端装备制造与服役的迫
切需求。

[0004] 基于相控阵超声激励临界折射纵波的方法为这一难题提供了解决思路。通过设计合适的延时法则控制声波的偏转，继而实现超声波以第一临界角入射至材料内部，单个楔
块即可满足多种材料、声速变化的情况，不依赖于试样厚度信息，可有效解决板状结构平面
内声速测量难题，显著提高检测效率和可靠性，降低检测成本，对发展高端装备高质量检测
与表征技术具有重要意义。

发明内容

[0005] 本发明提出基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统及其声速测量方法。通过搭建相控阵超声一发一收检测系统，利用单一角度楔块即可实现多种材料或声速变化
条件下临界折射纵波检测，精准计算材料纵波声速。

[0006] 本发明采用的技术方案是：

[0007] 基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统，设计倾角相同的一发一收超声楔块，搭建相控阵超声临界折射纵波检测系统：

[0008] (1)单角度一发一收超声楔块设计

[0009] 估计待测材料纵波声速vm范围，选定楔块材质，要求楔块纵波声速vw满足vw＜vm；基于Snell定律计算临界折射纵波对应的第一临界角αI范围，公式如下：

[0010]选取αI范围内某一角度作为楔块倾角θw；根据选定楔块材质的声衰减系数，确定楔
块第一阵元中心高度；根据相控阵超声探头尺寸确定楔块尺寸，两楔块中间设有吸声层，以
保证发射、接收超声信号之间互不干扰，将楔块整体放置于待测材料表面，借助耦合剂保证
两者之间耦合稳定；

[0011] (2)搭建相控阵超声临界折射纵波检测系统

[0012] 用所述楔块搭建相控阵超声临界折射纵波一发一收检测系统，具体包括：M2M MultiX++相控阵超声主机、计算机和一对线性阵列相控阵超声探头；使用计算机对检测系
统进行控制，记录临界折射纵波信号。

[0013] 所述的基于单角度楔块的临界折射纵波多材料声速测量方法：计算优化相控阵超声延迟法则，读取接收信号到达时间并进行插值处理，计算材料纵波声速；包括以下几个步
骤：

[0014] (1)初步计算相控阵超声延迟法则

[0015] 根据所述楔块声衰减系数，初步选定孔径阵元数n，并给定纵波声速vm值，利用公式(1)计算对应第一临界角αI，根据所述楔块角度、利用公式(2)计算相控阵超声入射偏转
角度θ：

[0016] θ＝αI‑θw    (2)

[0017] 进而计算相控阵超声发射探头的延迟法则，计算方法如公式(3)：

[0018]

[0019] 其中，i为孔径内任一阵元序号，I为孔径起始阵元序号，J为孔径终止阵元序号，I≤i≤J≤n(i、I、J、n均为正整数)，ti为第i个阵元的延迟时间，P为阵元间距；

[0020] (2)优化计算延迟法则

[0021] 选取所述待测材料纵波声速范围的5％‑10％中某一数值为步进，在所述相控阵超声检测系统中由低到高、依次设置待测材料纵波声速vm，按所述计算发射探头延迟法则，接
收探头无延时，激励和接收临界折射纵波；调节仪器增益并固定某一数值，保证接收信号中
最高幅值不低于满屏的80％、不超满屏；建立材料纵波声速vm与临界折射纵波幅值A的关系
曲线，拟合并确定最高A值对应的vm值；

[0022] 设定不同孔径阵元数n并按所述计算发射探头延迟法则，接收探头无延时，激励、接收临界折射纵波，得到发射探头孔径阵元数n与临界折射纵波幅值A的关系曲线；根据接
收信号质量选择孔径阵元数，调节仪器增益，确定优化的延迟法则，保证接收信号幅值不低
于满屏的50％，信噪比不低于12dB；

[0023] (3)接收信号到达时间读取与插值处理

[0024] 基于所述优化计算延迟法则，激励接收临界折射纵波，在计算机中记录A扫描和B扫描信号，采样频率不低于50MHz；对每个阵元对应A扫信号进行线性插值处理，保证采样频
率不低于500MHz；

[0025] (4)计算待测材料纵波声速

[0026] 由接收信号到达时间读取与插值处理计算接收探头所用孔径内两阵元之间的延迟时间tij，利用公式(4)计算步骤(5)B扫描中临界折射纵波与相控阵超声阵元平面之间的
夹角Δθ：

[0027]

[0028] 根据所求Δθ计算待测材料纵波声速vm，计算方法如公式(5)：

[0029]

[0030] (5)计算最优延迟法则

[0031] 基于计算待测材料纵波声速vm，进一步重复初步计算相控阵超声延迟法则，计算得到最优延迟法则，从而在待测材料实现基于单角度楔块的临界折射纵波高质量激励和接
收，检测缺陷和评价损伤。

[0032] 本发明的有益效果是：这种基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统及其声速测量方法：设计了倾角相同的一发一收楔块，搭建相控阵超声临界折射纵波检测系统；
预估待测材料纵波声速范围，计算优化相控阵超声延迟法则，建立纵波声速与临界折射纵
波幅值的关系；读取接收信号到达时间并插值处理，计算待测材料纵波声速；确定最优延迟
法则，激励和接收临界折射纵波。本发明通过搭建相控阵超声一发一收检测系统，利用单一
角度楔块即可实现多种材料或声速变化条件下临界折射纵波检测，不依赖于试样厚度信
息，可有效解决板状结构平面内声速测量难题，显著提高检测效率和可靠性，降低检测成
本，对发展高端装备检测与表征技术具有重要意义。

附图说明

[0033] 图1是相控阵超声临界折射纵波检测楔块示意图。

[0034] 图2是相控阵超声临界折射纵波检测系统示意图。

[0035] 图3是相控阵超声发射探头孔径阵元数为6、不同纵波声速设置值下延迟时间。

[0036] 图4是相控阵超声纵波声速设置值和临界折射纵波幅值关系曲线图。

[0037] 图5是相控阵超声发射探头孔径阵元数为32、纵波声速设置值为5000m/s时延迟时间。

[0038] 图6是相控阵超声发射探头孔径阵元数和临界折射纵波幅值关系曲线图。

[0039] 图7是相控阵超声接收探头读取的临界折射纵波A扫描信号。

[0040] 图8是相控阵超声接收探头读取的临界折射纵波B扫描信号。

[0041] 图9是相控阵超声发射探头孔径阵元数为24、纵波声速为5866m/s时延迟时间图。

具体实施方式

[0042] 步骤1单角度一发一收超声楔块设计

[0043] 以CSK‑IA标准试块(碳钢)为测试对象，估计其纵波声速vm范围为4000m/s‑10000m/s。根据vw＜vm的要求，选定纵波声速为2730m/s的有机玻璃作为楔块所用材料。根据
公式(1)计算临界折射纵波对应的第一临界角αI范围，结果是15.4°‑43.0°。

[0044]

[0045] 选取20°作为楔块倾角θw。利用脉冲反射法测得有机玻璃声衰减系数为0.20dB/mm，确定楔块第一阵元中心高度为4mm。根据所选相控阵超声探头尺寸确定楔块长度为
56mm，宽度37mm，最高点高度12mm。楔块为一体式，中间设有吸声层，如图1所示，以保证发
射、接收超声信号之间互不干扰，将楔块整体放置于CSK‑IA标准试块表面，超声波入射面平
行于试块厚度方向，借助机油保证两者之间耦合稳定；

[0046] 步骤2搭建相控阵超声激励临界折射纵波检测系统

[0047] 基于步骤1中设计的楔块，搭建相控阵超声临界折射纵波一发一收检测系统，如图2所示，具体包括：M2M MultiX++相控阵超声主机、计算机和一对线性阵列相控阵超声探头；
使用计算机对检测系统进行控制，记录临界折射纵波信号。

[0048] 步骤3初步计算相控阵超声延迟法则

[0049] 根据步骤1中楔块声衰减系数，初步选定孔径阵元数n为6。由步骤1可知，声速值为4000m/s对应的第一临界角αI为43.0°。根据公式(2)计算相控阵超声入射偏转角度θ：

[0050] θ＝αI‑θw＝43.0°‑20°＝23.0°    (2)

[0051] 进而计算相控阵超声发射探头的延迟法则，以第6个阵元的延迟时间t6为例，计算方法如公式(3)，得到延迟时间为430ns。

[0052]

[0053] 同理，可计算其他阵元延迟时间，如图3所示。

[0054] 步骤4优化计算延迟法则

[0055] 根据步骤1中估计声速范围，以500m/s为步进，在步骤2所示的相控阵超声检测系统操作流程中由低到高、依次设置待测材料的纵波声速vm为4000m/s，4500m/s，5000m/s，
5500m/s，6000m/s，6500m/s，7000m/s，7500m/s，8000m/s，8500m/s，9000m/s，9500m/s，
10000m/s。按步骤(3)计算发射探头延迟法则，如图3，接收探头无延时，激励和接收临界折
射纵波。调节仪器增益为67dB，此时接收信号中最高幅值为满屏的93％。建立材料纵波声速
vm与临界折射纵波幅值A的关系曲线，如图4，并确定最高A值对应声速为6000m/s。

[0056] 设定发射探头孔径阵元数n分别为12、18、24、32，选定6000m/s作为公式(1)中的vm，并按步骤3计算发射探头延迟法则。以孔径阵元数32时为例，延迟时间如图5，接收探头
无延时，激励、接收临界折射纵波。得到发射探头孔径阵元数n与临界折射纵波幅值A的关系
曲线，如图6。选择孔径阵元数为24，调节仪器增益为53dB，此时接收信号幅值为83％，信噪
比为41dB，满足接收信号幅值不低于满屏的50％、信噪比不低于12dB的要求。

[0057] 步骤5接收信号到达时间读取和插值处理

[0058] 基于步骤4中优化后的延迟法则，激励、接收临界折射纵波，在计算机中记录A扫描和B扫描信号，采样频率为100MHz，如图7所示为接收探头阵元1和32对应的A扫描信号，图8
所示为接收探头B扫描信号。对每个接收阵元对应的A扫描信号进行插值处理，信号相邻两
点时间间隔1ns。

[0059] 步骤6计算待测材料声速

[0060] 选定步骤5中接收阵元1和32对应的A扫描信号，并读取临界折射纵波最大幅值处的对应时间，如图7，分别是11926ns、11009ns，作差得到这两个阵元之间的延迟时间t1‑32
＝‑917ns，根据公式(4)计算B扫描信号中临界折射纵波与相控阵超声阵元平面之间的夹角
Δθ为‑7.73°，如图8所示：

[0061]

[0062] 根据公式(5)，计算待测材料纵波声速为5866m/s，此值就是待测材料的实际纵波声速。

[0063]

[0064] 步骤7优化延迟法则

[0065] 将步骤6计算的实际纵波声速设为延迟法则计算原理中公式(1)中的vm，在步骤2相控阵超声临界折射纵波检测系统中设定材料纵波声速为5866m/s，并将孔径阵元数设为
24，重复步骤3，计算得到最优延迟法则如图9，调节增益为53dB，对应临界折射纵波信号幅
值为满屏的80％，信噪比38dB，从而在待测材料实现临界折射纵波的高质量激励和接收，为
缺陷检测和损伤评价奠定基础。