文摘
超声波环形阵列传感器通常有更强的聚焦声场的线性数组和矩阵变换器与相同数量的数组元素,并且更适合大厚度的检测和高衰减组件。然而,由于数组元素的特别安排,不能偏转和聚焦光束附近有一个很大的领域,这些都限制了其在实际检测中的应用。环形阵列的元素参数传感器通常是设计和分析的二维声场模型线性阵列换能器。因此,三维环形阵列换能器的声场分布模型,建立了和元素的影响参数对其空间声场聚焦特性进行了分析。数组元素的设计标准提出了划分模式和元素的大小,这可以避免代高能旁瓣和栅瓣,和有良好的轴向声场。然后,激发孔径的影响在能源和焦斑大小不同深度进行了探讨。动态聚焦方法与变量建立了环形阵列孔径,和C-scan检测实验进行上瘾制造钛合金试样。检测结果表明,可变孔径方法具有更好的中央振幅一致性和成像精度不同深度缺陷,和表面附近有更好的检测能力比固定孔的方法。
1。介绍
超声阵列技术是一种多通道超声检测技术,安排几个压电晶片到一个数组中根据一定的组合模式。通过控制励磁序列和压电晶片的延迟时间,合成声束的偏转和聚焦。目前,超声阵列换能器通常用于工业可分为一维线性阵列,1.5 - d环形阵列,根据元素安排二维矩阵数组等模式(1]。目前,超声波矩阵线性阵列传感器和超声波传感器中使用最广泛的理论研究和工业应用。超声波矩阵阵列传感器可以实现三维成像(2),但声束控制算法复杂,生产过程和设备硬件成本很高(3- - - - - -5]。超声波线性阵列传感器更容易制造,和它的传输和接收延迟控制方法相对比较简单,主要是用于实际应用。然而,线性阵列超声换能器的C-scan检测结果影响焦斑不对称,和超声缺陷的形状量化误差线性阵列C-scan结果很大(6]。超声波环形阵列传感器的单元素大小比较大,它可以实现更强大的比超声聚焦的能量线性阵列换能器用更少的数组元素(7]。与此同时,其焦点是完全对称的沿径向方向。它是一种有效的方法来解决这个问题的低信噪比(信噪比)和大缺陷扭曲C-scan大厚度和高衰减材料的测试结果。然而,由于超声波的声束环形阵列只能集中沿中心轴,不能偏离梁和近场很大,所以很少有研究和应用在工业领域,参数的设计和验证方法和超声波环形阵列换能器的聚焦算法是不充分的。
首先,基于三维声场的计算理论,参数的影响超声波环形阵列换能器的聚焦声场特性进行了分析,并检测参数的设计标准,提出了适合于环形阵列换能器。然后,聚焦的影响深度和激发孔径尺寸的焦斑大小和声能环形阵列换能器进行了分析,和一个变量建立了环形阵列孔径动态聚焦方法。添加剂钛合金的C-scan实验结果表明,可变孔径动态聚焦方法可以提高检测能力和不同深度缺陷的敏感性。它为超声波的应用提供了理论指导环形阵列传感器的检测大厚度和高衰减组件。
2。传感器参数对声场的影响
2.1。聚焦声场的环形阵列
不同于线性阵列超声换能器的声场计算,只计算二维横向声场沿着阵列方向不能准确反映真实的环形阵列换能器的聚焦声场8]。有必要计算叠加在三维空间声场后循环数组元素是离散沿着周长在一定的角度。首先,物理状态在空间任意两点之间的关系建立了根据转换波方程(9]:
在这里,和是两个点的声学压力在中在特定的时间,是身体力量,传感器单元面积的,是整个数组的边界以外的元素。计算声场分布空间,格林函数 在三维空间中应该首先解决: 在哪里波数和的距离是在三度空间任意座标指向一个固定的点。
如图1,它是表示为任意点的距离传感器中轴线上的任何点,也就是说, 。
假设冲击响应函数和吗 函数的声学解决方案是体力吗 ,波动方程的两个解可以假设如下:
结合变形公式 牛顿第二定律和方程(2)、辐射空间中任意一点的总声压合成光束通过添加的声压可以获得元素下面的方程。 在哪里数组元素的激发信号,和分别代表了空间位置和时间,介质的声速,数组元素的区域(10,11]。
空间聚焦超声声场的环形阵列传感器如图2。
2.2。数组元素的选择和设计方法的参数
元素总面积是固定时,环形阵列换能器元素可以分为两种类型:元素等于宽度和面积相等的元素,如图3(一个)和图3 (b)。的面积元素随外部元素从内部元素的分区形式下元素的宽度相等。外层元素的宽度将减少指数的增加数量的元素,每个元素的面积是相等的。图3 (c)和图3 (d)显示了声压分布在60毫米的深度环形阵列换能器与12个元素的数组元素相等宽度和相等的区域。可以看出之间的轴向声场分布的差异很小,两个数组元素分区方法和径向焦斑大小基本上是相同的。然而,当数组元素需要很大的数量,宽度差异外元素和内在元素将会太大,导致微加工的难度。
(一)
(b)
(c)
(d)
元素的数量和宽度可以通过元素的大小直接影响当循环数组元素的面积是固定的。不同的元素的影响大小在环形阵列换能器的聚焦声场分析建立元件参数的设计标准。图4仿真结果显示了二维横截面环形阵列的三维聚焦声场分布不同的数组元素分区大小。
(一)
(b)
(c)
(d)
由于平等面积总量的数组元素,焦斑尺寸接近彼此在不同的元素大小(12]。然而,不同的设计元素的标准线性阵列换能器,超声波超声波环形阵列传感器仍有强大的主瓣能量当只有60毫米震源深度 元素。元素宽度的影响在旁瓣和聚焦声场的栅瓣也不同于线性阵列超声波传感器:当元素的宽度接近半个波长,如图4 (d)有强烈的光栅叶两边的传感器。然而,能源将产生较高的旁瓣时元素的宽度 ,如图4(一)。图4 (b)和图4 (c)表明,当元素宽度的超声波环形阵列换能器之间的波长和波长的两倍,也就是说,当 ,较高的旁瓣和栅瓣能量可以避免在同一时间。此外,轴向声场分布特征在不同大小的数组元素进一步进行分析,以更好地实现完整的深度范围检测,如图5。
能量和聚焦波束的主瓣的大小主要取决于总阵列面积时的元素数量是固定的。根据轴向声压的结果,焦斑大小的三个结果当元素的数量是一致的 。轴向非焦点地区的声压,旁瓣的峰值达到了50%的峰值主瓣在最初的20毫米深度时 和 。当 和 ,近场声压波动区域相对稳定。总之,当元素的宽度 ,超声波环形阵列换能器有最好的整体聚焦声场特性,可以避免一代高能量旁瓣和栅瓣,并更好的轴向声场。
3所示。可变孔径聚焦检测方法
3.1。理论分析
超声聚焦声场的分布的环形阵列换能器是这样的单晶片具有不同焦距镜头,也就是说,它满足超声聚焦的磁盘声场理论(13]。聚焦光束的宽度是由6 dB焦斑直径的方法,和聚焦光束的焦斑直径可以表示如下: 在哪里是波长,是焦距,盘的直径。
因此,当波长是常数,也可以获得类似的焦斑直径在不同深度区域固定焦距比元素直径环形阵列换能器。然而,这种固定焦斑直径可变孔径方法将导致近场长度和聚焦能量的变化。因此,建立的变量孔径方法也可以修复和近场聚焦强度比(14]。根据近场和聚焦声场的强度公式,近似表征方法如下: 在哪里近场传感器的长度和吗是聚焦声场的相对强度。
可以看出,在不同深度聚焦声场的强度是相对一致的焦距比近场长度是固定的。因此,可以建立两个不同的可变光阑聚焦检测方法,即固定 和 。
3.2。聚焦声场特性分析
在仿真模型中,聚焦声场分布沿轴向方向的深度范围0 - 120 mm,总共6点集中设置在20毫米的间隔。固定孔方法的激励元素都设置为16个元素。为了确保动态聚焦效果,最低激发的元素两个可变孔径方法不少于4。通过改变励磁数组元素的数量,这两个变量的比例因子孔径方法尽可能保持不变。具体的仿真参数如表所示1。
轴向声场分布的三种主要方法在不同深度图所示6。这是显示在图6(一)与固定孔径环形阵列的聚焦方法具有更高的聚焦光束能量聚焦深度20 - 80毫米。然而,随着聚焦深度的增加,轴向的焦斑大小增加明显,聚焦能量迅速减少,近40%的最大区别。此外,表面附近的焦斑长度很小在这种检测方法,当动态聚焦点间隔的距离很大,非焦点地区(如30 mm的图6(一))可能成为检测盲区。固定的仿真结果 可变孔径方法如图6 (b)。不同于固定孔径聚焦方法,轴向的焦斑大小差异较大的聚焦深度(> 40毫米)更小。然而,焦斑的能量场在更小的聚焦深度较低,和之间的差异最大和最小每个聚焦中心幅度约为47%。图6 (c)显示了固定的仿真结果 可变孔径的方法。它可以发现能源和长度的差异在不同的聚焦焦点是最小的点。中部的最大差异振幅的聚焦中心大约是31%,和中央振幅的差异小于5%的探测距离60 - 120毫米,它可以确保更一致的检测灵敏度不同深度缺陷的组件。另外,变量的声压孔径方法固定 增加显然非焦点地区30毫米的深度,这是大约3倍的固定孔方法和变量孔径方法固定的2倍 。因此,可变孔径方法固定 可以避免丢失检测的问题造成的大间距的专注点。
(一)
(b)
(c)
声场的轴向分布特征将影响检测灵敏度和最大探测深度,而声场的径向分布特性将直接影响到定量的准确性C-scan检验结果(15,16]。6 dB方法用于测量的焦斑的径向尺寸固定光圈孔径方法和两个变量的方法。焦斑的径向尺寸的变化的聚焦深度的范围如图20 - 120毫米7。
测量结果表明,焦斑的径向尺寸变化主要与聚焦深度的增加在固定孔径聚焦法下,和最大值和最小值之间的差异在20 - 120毫米的范围约为3.3倍。焦斑大小的两个变量的波动孔径聚焦方法比固定孔径聚焦的方法。的变化范围的焦斑大小固定的 可变孔径聚焦方法是最小的,最大值和最小值之间的差异大约是1.9倍,和焦斑大小的变化范围小于0.7毫米,深度超过40毫米。仿真结果表明,轴向和径向可变孔径聚焦声场分布特性的方法比固定孔径聚焦方法。对不同深度聚焦点,固定 可变孔径方法具有最佳性能的一致性,焦斑尺寸,和固定的 可变孔径方法更优秀的集中能源强度和检测灵敏度的一致性。
4所示。动态聚焦C-Scan环形阵列的实验
4.1。样品和实验设置
钛合金的检测标本是由加法制造方法,具有较高的衰减和各向异性属性(17]。由于生产工艺的特殊性,声波传播时将产生畸变和强劲的衰减标本(18,19]。因此,焦斑对称和聚焦换能器的声场能量缺陷成像精度和信噪比有很大的影响,导致检测结果差加法制造钛合金使用线性阵列超声换能器和单晶超声换能器。标本沿沉积的厚度方向是60毫米,还有平底洞直径0.8毫米在三个相邻表面验证环形阵列换能器的设计方法和可变孔径聚焦方法,如图8。
水浸超声数组C-scan自动检测系统建立评估加法制造钛合金试样的缺陷(20.),如图9(一个)。中心频率的超声波环形阵列换能器10 MHz和16个元素用于检测实验。64/128通道超声阵列板由美国《超能公司用作激发/接收声波检测的硬件。如图9 (b)、单一检测区域沿轴方向离散动态聚焦点成一定时间间隔。动态聚焦点设定在20毫米,40毫米,和60毫米的间隔与声场仿真分析中的参数一致。根据轴向声场的仿真结果,defect-2和defect-3位于非焦点区域和底部defect-1位于60毫米的集中地区。最后,声束的三维有限元仿真模型建立了环形阵列在双层介质传播,如图9 (c)。的正确性环形阵列换能器的聚焦延迟时间在水中耦合验证自动扫描,和传播聚焦声束的标本进行了分析。
(一)
(b)
(c)
4.2。检测结果与讨论
常用的线性阵列的检测结果如图所示10 ()。由于高衰减和加法制造钛合金的各向异性,底部的defect-1标本不能检测到的64个元素的线性阵列换能器。此外,线性阵列的非圆对称的数组元素分布结构将导致更严重的图像失真。环形阵列的C-scan检测结果如图所示10 (b)和图10 (c)通过使用动态聚焦的固定孔和固定方法 可变孔径,分别21]。环形阵列的两个主要方法可以检测所有的三个缺陷在不同深度的标本。然而,尽管defect-2的深度和defect-3较小,振幅的底部中心defect-1固定孔径聚焦方法远远大于表面defect-2和defect-3附近,在缺陷中心振幅的可变孔径聚焦方法更加一致。此外,由于变量孔径方法是更一致的焦斑大小在不同深度缺陷的大小区别如图10 (c)小于的C-scan固定光圈的结果。
(一)
(b)
(c)
图11缺陷的回波信号图吗10 (b)和图10 (c),分别。检测结果表明,变量的信噪比和近场特征孔径方法比固定孔方法。其中,提高检测结果defect-2和非焦点地区defect-3明显比defect-1与变量孔径方法集中地区。尽管变量的励磁光圈孔径小于固定孔径的方法在这个深度,缺陷中心变量孔径方法更高的振幅和整体噪声水平相对较低。例如,defect-3可变孔径方法的信噪比是18.1分贝,而固定孔径方法只有9.6分贝。此外,它可以看到a类型信号的长度和近场信号的振幅使用环形孔径数组变量方法远比固定孔的方法。的近场信号长度固定孔径方法是7.5毫米,最大振幅是全屏的65%左右;的近场长度可变孔径方法是3.2毫米,最大振幅是只有14%的全屏幕。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
5。摘要和结论
环形数组元素之间的关系参数和三维声场分布进行了分析,以及超声的参数设计标准建立了环形阵列换能器。不同于线性阵列换能器的设计标准元素大小、环形阵列传感器可以获得更好的声场分布特征元素宽度接近检测波长,和较强的主瓣能量可以实现4数组元素。此外,当元素宽度 ,高能旁瓣和栅瓣可以避免在同一时间;当数组元素的数量 ,和元素的宽度 ,超声波环形阵列换能器具有更好的轴向声场。
变量的动态聚焦超声的方法建立环形阵列换能器;与固定孔径法相比,聚焦的一致性点能量和聚焦光斑大小比较高,和非焦点区域的检测灵敏度提高。加法制造钛合金标本的检测结果表明,中心的不同振幅和不同深度缺陷的成像大小是使用可变孔径较小的方法。此外,信噪比非焦点区域的缺陷和有更好的近场特征。该方法具有良好的应用前景在大厚度的检测和高衰减材料在整个深度范围。缺陷成像的畸变引起的各向异性的加法制造钛合金将在下一步进行研究。
数据可用性
的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)11464030。