本發明涉及小直徑棒材相控陣超聲縱波成像無損檢測領域，更具體地涉及一種基于費馬原理采用相控陣超聲線型陣列進行棒材超聲縱波成像檢測的方法。

背景技術：

小直徑棒材是航空航天關鍵零部件、重要連接結構螺栓、風洞天平、高壓接頭、閥門、等零部件的重要原材料，對其通常采用直接接觸法和水浸法進行超聲縱波無損檢測。普通直探頭直接接觸法對小直徑棒材進行縱波檢測示意圖，如圖1所示。由于小直徑棒材曲率半徑較小，若用普通直探頭以直接接觸法周面徑向入射縱波檢測時，耦合差，近表面分辨率有限，棒材往往完全處在近場區內，并且表面變型波也會產生很強的干擾，信噪比低，甚至始波占寬能達到棒材半徑以上。若探頭位置稍有偏差就會造成聲束在棒材中偏轉和散射，信噪比降低，甚至導致無法接收到回波信號。由于以上種種原因使用普通直探頭直接接觸法對小直徑棒材進行縱波檢測難度極大。而水浸超聲法雖然克服了直探頭直接接觸法耦合差、檢測盲區大、雜波多、信噪比低等缺點，但水浸超聲往往需要較大的水箱及自動控制系統操探頭和工件(滾動棒材進行B掃成像)，如圖2所示，不利于現場檢測，對所檢測棒材長度尺寸的限制也較大，而且長時間水浸棒材會不程度的受到腐蝕。

技術實現要素：

本發明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優點。

本發明還有一個目的是提供一種基于費馬原理的棒材超聲線型陣列成像檢測方法，其能夠快捷地獲得棒材高分辨率的直觀成像，提高檢測效率。

為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種基于費馬原理的棒材超聲線型陣列成像檢測方法，包括以下步驟：

1)利用相控陣線型陣列和用于線型陣列耦合棒材的楔塊；所述線型陣列的陣元數量為n、陣元寬度為e、陣元間距為d；并根據實際超聲時域參數，設置頻率為f的超聲脈沖信號；

2)建立小直徑棒材的二維周向截面模型，并在模型中設置所述楔塊和圓形孔缺陷的直徑、位置；

3)依次激發1～n陣元，獲得n個A掃描信號，每個A掃描信號時域數據形成一個txt文件，共獲得n個txt文件；讀取這n個txt文件形成n列數據矩陣A；

4)依據1～n陣元與所述圓孔形缺陷的相對位置，根據費馬原理計算1～n陣元激發的超聲波到達缺陷位置的最短傳播時間，并計算各陣元相對延遲時間，1～n陣元時間延遲形成n行延遲時間矩陣B；

5)將矩陣A中1～n列數據根據矩陣B中1～n行延遲時間數據分別做延遲處理，形成延遲后的數據矩陣C；

6)將矩陣C中從第1列數據開始的每i列數據，即1～i、2～i+1、3～i+2……49～i+48列數據進行疊加，形成n-i+1組具有偏轉聚焦效果的A掃描時域信號；

7)將n-i+1組A掃描時域信號，進行Hilbert變換，并根據聲束傳播的最短傳播時間產生的傳播路徑依次進行排列，形成棒材的B掃描圖像，圖像中各成像點的幅值極大值位置即為各成像點位置。

優選的是，在所述步驟2)中利用時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)超聲模擬軟件WAVE建立所述棒材的二維周向截面模型。

優選的是，所述步驟1)中，所述楔塊為Rexolite的聚苯乙烯材料，所述楔塊的密度例如為1050kg/m³，聲速例如為2326m/s。

優選的是，所述線型陣列的陣元信號源為超聲高斯正弦脈沖信號。

優選的是，所述步驟3)中利用電子掃查方式依次激發1～n陣元，用MATLAB軟件讀取n個陣元產生的n個A描信號txt文件形成n列數據矩陣A。

優選的是，所述步驟4)各陣元相對延遲時間中，1和n陣元時間延遲最小，中間陣元時間延遲最大。

優選的是，線型陣列各子陣元發射的超聲波到缺陷的最短傳播時間T_i利用公式(1)(2)(3)計算獲得：

其中，

d為陣元間距

c₁、c₂為介質1、2中的聲速。

本發明至少包括以下有益效果：本發明所述基于費馬原理適用于棒材的超聲線型陣列成像檢測方法可根據線型陣列n個子陣元與缺陷的相對位置，依據費馬原理計算各個子陣元發射的聲波傳播到缺陷的最短時間，根據各個子陣元的超聲時域信號傳播時間設置各陣元的相對延遲時間，將n個時域信號做延遲處理，并依次將每i組A掃描信號進行疊加形成具有偏轉聚焦效果的n-i+1組A掃描信號，最后將n-i+1組A掃描信號根據傳播路徑進行排列，形成棒材的B掃描圖像。該方法解決了小直徑棒材超聲直接接觸法信噪比低、雜波多、耦合不好的缺點，以及水浸法縱波檢測需要自動控制系統操控探頭、滾動棒材、不利于現場實施的缺點。本發明利用安裝在探頭上線型陣列以及楔塊，利用楔塊接觸棒材，不僅可實現聲束直射到缺陷，克服直探頭直接接觸耦合差的問題，又能快速實現B掃描成像，而不需要機械和自動設備，方便快捷地獲得棒材高分辨率的直觀成像，提高檢測效率，具有良好的推廣和應用前景。

本發明的其它優點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為現有技術中小直徑棒材普通直探頭直接接觸法檢測示意圖示出正常接觸；

圖2為現有技術中小直徑棒材普通直探頭直接接觸法檢測示意圖示出偏離接觸；

圖3為現有技術中小直徑棒材的水浸超聲檢測裝置示意圖；

圖4為本發明其中一個實施例所述基于費馬原理的棒材超聲線型陣列成像檢測方法的示意圖；

圖5是費馬原理的延遲時間計算原理圖；

圖6是本發明其中一個實施例在WAVE軟件中設置的檢測模型示意圖；

圖7是本發明其中一個實施例所述基于費馬原理的棒材超聲線型陣列成像檢測方法的棒材位置-幅值三維成像；

圖8示出了本發明其中一個實施例所述基于費馬原理的棒材超聲線型陣列成像檢測方法的棒材B掃描圖像。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不排除一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

費馬原理即聲波在任意介質中從一點傳播到另一點時，沿所需時間最短的路徑傳播。依據此原理，如圖5所示，并根據公式(1)(2)(3)，未知量僅為x_b，因此可計算線型陣列各子陣元發射的超聲波到缺陷的最短傳播時間T_i，并可分別計算各陣元延遲時間。根據各子陣元延遲時間分別將各子陣元的A掃描信號做延遲處理，并將以每i個A掃描信號進行疊加，形成n-i+1個具有偏轉聚焦效果的A掃描信號。對此n-i+1個A掃描信號進行Hilbert變換，將射頻信號轉變為包絡信號。將n-i+1組包絡信號根據聲束的傳播路徑依次進行排列，形成棒材的B掃描圖像，圖像中各成像點的幅值極大值位置即為各成像點位置。

其中，

d為陣元間距

c₁、c₂為介質1、2中的聲速。

如圖4所示，本發明提供一種基于費馬原理的棒材超聲線型陣列成像檢測方法，包括以下步驟：

(1)利用相控陣線型陣列和用于線型陣列耦合棒材的楔塊；根據實際相控陣線型陣列參數，設置陣元數量為n、陣元寬度為e、陣元間距為d的線型陣列，并根據實際超聲時域參數，設置頻率為f的高斯正弦脈沖信號；

(2)在時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)超聲模擬軟件WAVE中建立小直徑棒材的二維周向截面模型，并在模型中設置圓形孔缺陷的直徑、位置，并設置用于線型陣列耦合棒材的楔塊；

(3)按電子掃查方式依次激發1～n陣元，獲得n個A掃描信號，每個A掃描信號時域數據形成一個txt文件，共獲得n個txt文件；

(4)在MATLAB軟件里讀取這n個txt文件形成n列數據矩陣A；

(5)依據1～n陣元與缺陷的相對位置，根據費馬原理計算1～n陣元激發的超聲波到達缺陷位置的最短傳播時間，并計算各陣元相對延遲時間，1和n陣元時間延遲最小(等于0)，中間陣元時間延遲最大，1～n陣元時間延遲形成n行延遲時間矩陣B；

(6)將矩陣A中1～n列數據根據矩陣B中1～n行延遲時間數據分別做延遲處理，形成延遲后的數據矩陣C；

(7)將矩陣C中從第1列數據開始的每i列數據，即1～i、2～i+1、3～i+2……49～i+48列數據進行疊加，形成n-i+1組具有偏轉聚焦效果的A掃描時域信號；

(8)將n-i+1組A掃描時域信號，進行Hilbert變換，并根據聲束傳播的最短傳播時間產生的傳播路徑依次進行排列，形成棒材的B掃描圖像，圖像中各成像點的幅值極大值位置即為各成像點位置。

實施例1

以在WAVE軟件中設置棒材100直徑Φ30，中心設置Φ2圓孔缺陷101為例，本發明所述基于費馬原理的棒材超聲線型陣列成像檢測方法，步驟如下：

(1)在WAVE軟件中建立棒材二維檢測模型，如圖6所示，設置模型的尺寸為30×45mm²，棒材直徑為Φ30，介質為碳鋼，密度為7900kg/m³，聲速為5900m/s。設置線型陣列與棒材間的楔塊200介質為Rexolite的聚苯乙烯材料，密度為1050kg/m³，聲速為2326m/s。在棒材中心設置模型Φ2圓孔缺陷，介質為空氣。此模型底面設置為剛性邊界201，其余三面為吸收邊界202。

(2)在模型正上方設置線型陣列，陣列參數為64陣元，陣元寬度為0.55mm，陣元間距為0.6mm。信號源設置為中心頻率為5MHz的高斯正弦脈沖信號，此模型計算時間間隔為0.0028μs，10598步。

(3)按電子掃查方式依次激發1～64陣元，并接收1～64各個陣元回波信號，產生64個A掃描時域信號的txt文件。

(4)依據公式(1)(2)(3)計算各陣元產生的聲波傳播到缺陷的最短時間，計算延遲時間，形成延遲時間64行延遲時間矩陣B。

(5)在MATLAB軟件中讀取步驟(3)中的64個txt文件，形成64列數據矩陣A，并讀取矩陣B，利用延遲函數delayseq依次對矩陣A各列根據矩陣B各行延遲時間進行延遲，產生新矩陣C。將矩陣C中的1～16、2～17……49～64列數據進行疊加，產生具有49列數據的矩陣D。并將矩陣D中各列數據做Hilbert變換，形成矩陣H。

(6)根據D中各列數據的傳播路徑，計算矩陣H水平位置矩陣X、深度位置矩陣Y，根據矩陣H、X、Y繪圖形成位置-幅值的三維圖像和B掃描圖像。如圖7所示，位置-幅值的三維圖像中個成像點依次為始發脈沖成像701、棒材表面成像702、缺陷成像703和棒材底面成像704。如圖8所示，各成像點依次為始發脈沖成像801、棒材表面成像802、缺陷成像803和棒材底面成像804，其幅值最大值位置即為各成像點位置。

盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發明并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。