專利名稱：重構(gòu)非均勻介質(zhì)中缺陷形狀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無損檢測領(lǐng)域，具體涉及一種重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法。
背景技術(shù)：
隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，無損檢測的方法無論在高科技建設(shè)方面還是在基礎(chǔ) 設(shè)施建設(shè)方面都發(fā)揮著及其重要的作用。無損檢測(NDT)就是一種采用聲、光、電、磁等物 理原理對被檢對象進行檢測，在不損壞、不破壞被檢對象的情況下，獲得被檢對象的各種信 息(如內(nèi)部、表面的不連續(xù)、位置、大小、形狀等等)的方法。常用的無損檢測方法有射線照 相、滲透檢測、磁粉檢測、超聲檢測、渦流檢測五大方法。其中所述的超聲波檢測是利用物體 自身或缺陷的聲學(xué)特性對超聲波傳播的影響，來檢測物體的缺陷或某些物理特性。非均勻介質(zhì)是指含相關(guān)散射體的介質(zhì)(即一個理想的散射體模型，散射體所占的 體積比較大且產(chǎn)生較強的散射效果)或者是指含不相關(guān)散射體的介質(zhì)(即一個理想的散射 體模型，散射體所占的體積比特別小且產(chǎn)生非常弱小的散射)。其中非均勻介質(zhì)中的缺陷具 體可指非均勻介質(zhì)中的包裹、夾雜、空洞及裂紋等，在對非均勻介質(zhì)中所含缺陷進行定量檢 測時，常常會受到非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的限制，從而造成對非均勻介質(zhì)中的缺陷的定 量檢測帶來很大困難，如果能知道非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀，就可以根據(jù)缺陷形狀判斷非 均勻介質(zhì)的服役時間、以及缺陷的可能發(fā)展趨勢，從而避免一些事故的發(fā)生，提高非均勻介 質(zhì)的使用可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，該方法簡單方 便，能快速、準確、低成本的重構(gòu)出非均勻介質(zhì)中三維缺陷的形狀。本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，包括以下步驟首先利用超聲波 檢測系統(tǒng)檢測非均勻介質(zhì)，獲得非均勻介質(zhì)中的缺陷回波幅值，在計算機中利用工程計算 軟件對公式(1)和(2)進行程序編寫，然后輸入相應(yīng)的缺陷回波的幅值即可實現(xiàn)非均勻介 質(zhì)的缺陷形狀的重構(gòu)，
7η ⑶=-TjT7-Cl (/))exp(/-^-i ■ x)dfdO(y)) (2) 2π J·6 iu CL{f) CL{f)Cl(J)其中χ是特征函數(shù)Γ (χ)和Υη(χ)的參數(shù)，Pm是單位矢量 指向ym方向的分量， (/,Λ表示缺陷散射場縱波的散射幅值，kL表示縱波波數(shù)，f表示頻率J 二 是單位矢
量指向1方向，Ω0Ρ)表示單位球上的積分，Cl(f)就是非均勻介質(zhì)中的相速度。本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中缺陷形狀的方法，通過超聲波檢測系統(tǒng)檢測非均勻介質(zhì)從而獲得分均勻介質(zhì)中的缺陷回波幅值，其中公式(1)和(2)是根據(jù)均勻的各向同性介 質(zhì)中的三維Born近似公式和三維Kirchhoff近似公式中分別引入相速度式而導(dǎo)出的，再利 用相關(guān)工程計算軟件對公式(1)和(2)進行編程，然后再代入相應(yīng)的缺陷回波幅值即可對 非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀進行重構(gòu)，所以本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中缺陷形狀的方法簡單 方便，能快速、準確、低成本的重構(gòu)出非均勻介質(zhì)中三維缺陷的形狀。


圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2含人工缺陷的水泥砂漿試件圖；圖3非均勻化的三維Born近似公式重構(gòu)出水泥砂漿試件中的三維缺陷形狀；圖4非均勻化的三維Kirchhoff近似公式重構(gòu)出水泥砂漿試件中的三維缺陷形 狀。
具體實施例方式本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其中所述的超聲波檢測系統(tǒng)檢測 非均勻介質(zhì)包括以下步驟將超聲傳感器置于非均勻介質(zhì)的表面，優(yōu)選的是超聲傳感器與 非均勻介質(zhì)的表面垂直接觸，且超聲傳感器與非均勻介質(zhì)之間采用白凡士林作為耦合劑； 超聲波脈沖發(fā)射/接收儀產(chǎn)生一個脈沖信號施加于超聲波傳感器，本發(fā)明中優(yōu)選的超聲波 脈沖發(fā)射/接收儀為Model5800型探傷儀，超聲波傳感器在非均勻介質(zhì)中產(chǎn)生一束縱波，該 縱波在非均勻介質(zhì)中遇到缺陷產(chǎn)生的回波信號又傳輸?shù)匠暡▊鞲衅?，超聲波傳感器接?到回波信號再經(jīng)超聲波脈沖發(fā)射/接收儀后將其送入數(shù)字示波器，數(shù)字示波器通過分析反 射回波信號，以數(shù)據(jù)的形式將其存儲在計算機中，采用上述技術(shù)方案，能快速、準確的檢測 出非均勻介質(zhì)中所存在的缺陷。本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，在利用超聲波檢測系統(tǒng)檢測非均 勻介質(zhì)中的缺陷時，其中超聲傳感器的探測點均勻分布在非均勻介質(zhì)的表面；本發(fā)明的重 構(gòu)非均勻介質(zhì)中缺陷形狀的方法，所述的超聲傳感器在非均勻介質(zhì)的表面每間隔一定角度 手動移動一次且間隔角度小于等于30°，且沿軸線方向每間隔一段距離移動一步且間隔距 離小于等于15mm，具體的在非均勻介質(zhì)的表面進行檢測時，在同一截面內(nèi)每間隔一定角度 手動移動一次且間隔角度小于等于30°，一般優(yōu)選的是在同一截面內(nèi)間隔角度越小，獲得 的數(shù)據(jù)就越準確，檢測所得效果越好；其中沿軸線方向每間隔一段距離移動一步且間隔距 離小于等于15mm，優(yōu)選的也是沿軸線方向間隔移動的距離越小，獲得的數(shù)據(jù)就越準確，檢測 所得效果越好；所述的超聲傳感器在非均勻介質(zhì)表面進行檢測時每個探測點均重復(fù)檢測數(shù) 次；采用上述技術(shù)方案，可以減小檢測系統(tǒng)的隨機誤差，從而能夠準確的獲取非均勻介質(zhì)中 的缺陷回波幅值。本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，所述的工程計算軟件包括 Mathematica5. 0、Maple7. 0、Matlab7. O和Wavestar，其中在利用超聲波檢測系統(tǒng)檢測非均 勻介質(zhì)中時，超聲波傳感器在非均勻介質(zhì)中產(chǎn)生一束縱波，該縱波在非均勻介質(zhì)中遇到缺 陷產(chǎn)生的回波信號又傳輸?shù)匠暡▊鞲衅?，超聲波脈沖發(fā)射/接收儀后將其送入數(shù)字示波 器，數(shù)字示波器首先利用工程計算軟件Wavestar對非均勻介質(zhì)的缺陷回波信號進行采集，再利用工程計算軟件MathematicaS. O和Maple7. O對非均勻介質(zhì)中的缺陷回波信號進行處 理和計算，再將缺陷回波信號以缺陷回波幅值數(shù)據(jù)的形式存儲在計算機中；然后在計算機 中利用工程計算軟件Matlab7.0對公式(1)和(2)進行程序編寫，并在公式(1)和(2)輸 入相應(yīng)的缺陷回波幅值數(shù)據(jù)，從而即可實現(xiàn)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀進行重構(gòu)，所以本發(fā) 明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中缺陷形狀的方法簡單方便，能快速、準確、低成本的重構(gòu)出非均勻介 質(zhì)中三維缺陷的形狀。本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，所述的公式(1)和(2)中的頻率 f的取值范圍是0. 2 1. 5MHz。本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其中所述的公式(1)和(2)是根 據(jù)均勻的各向同性介質(zhì)中的三維Born近似公式和三維Kirchhoff近似公式推導(dǎo)而來的，具 體的過程如下Sl 輸入均勻介質(zhì)中的三維Born近似、Kirchhoff近似公式，對于三維Born近似 公式其形式為=
(2π)其中X是特征函數(shù)Γ (χ)的參數(shù)，義是單位矢量j)指向ym方向(從笛卡兒直角坐標 系的原點)的分量，11°表示入射平面縱波振幅，A1(AiJ)表示缺陷散射場縱波的散射幅值， kL表示縱波波數(shù)，:P =少/LH是單位矢量指向y方向(從笛卡兒直角坐標系的原點)，Ω0Ρ)表 示單位球上的積分。關(guān)于單位球上的積分作如下處理因為有允+為+允=1 (單位球的笛卡爾直角坐標表達式)所以有GA^1)2 +{lkLy2f +^yi)2 =Ak1l
2kLyx = 2kL sin 6* cos ^在球坐標下令<2kLy2 = 2kL sin θ sin φ
2kI yi = 2kL cos θ則I J| = (2k Lf sin θ = Akl sin θ由于通常情況下入射波是垂直入射所以θ常取90°，此時sin θ的值是單位1， 因而在書寫公式時sin θ就被1代替了，從而可以對三維Born近似公式進行變換；三維 Kirchhoff近似公式其形式為γΗ{χ) = \r^Am(y)e2'^x4kLdkLdQ(y)
(2π) J * iu其中X是奇異函數(shù)Yh(X)的參數(shù)，其它變量的含義與上述三維Born近似公式同；S2 對公式中與波數(shù)相關(guān)的變量實行非均勻化處理，其步驟如下在非均勻介質(zhì) 中，由于相速度的頻散特性，取kL = ω /Cl (f) = 2 π f/CL (f)其中&是一個關(guān)于頻率f為變量的函數(shù)。CJf)就是非均勻介質(zhì)中的相速度，對 上式關(guān)于變量頻率兩邊求導(dǎo)后得dkL = 2π- 2 -dj
。i\J )
其中Cl(f)由非均勻介質(zhì)中Kramers-Kronig(克拉茂-克朗尼希)關(guān)系決定；S3 代入非均勻化后的波數(shù)變量調(diào)整三維Born近似、Kirchhoff近似公式，其步驟 如下對于三維Born近似公式
<formula>formula see original document page 6</formula>中的&和dh分別用步驟S2所述的表達式代入后并化簡得公式(1)如下
<formula>formula see original document page 6</formula>故公式(1)也可成為非均勻化的三維Born近似公式，一般情況下上式被積變量f 的取值范圍是f :0· 2 1. 5MHz ；對于三維Kirchhoff近似公式
<formula>formula see original document page 6</formula>中的和dh分別用步驟S2所述的表達式代入并化簡后得公式(2)如下<formula>formula see original document page 6</formula>
故公式(2)也可稱為非均勻化的三維Kirchhoff近似公式。下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法 作進一步的詳細說明實施例為了用本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中缺陷形狀的方法重構(gòu)出圖2中所示的水泥砂 漿柱的三維缺陷的形狀，具體操作如下實驗準備階段超聲波脈沖發(fā)射/接收儀采用美國MODEL 5800 ；數(shù)字示波器采用美國泰克公司的TDS 3200 ；超聲波傳感器采用縱波直探頭，由廣東汕頭超聲所加工制作；水泥砂漿柱是以沙子、水泥和水按照1 9 4的體積比混合加工而成的，測得水 泥砂漿柱中縱波的聲速為3100m/s，水泥砂漿柱的尺寸是直徑80mm，母線長是100mm，其中 自行加工的缺陷形狀是截面形狀為直徑是8mm的圓形通孔柱；如圖1所示，首先將超聲傳感器置于被檢試件水泥砂漿柱的表面，且使超聲傳感 器與水泥砂漿柱的表面垂直接觸，超聲傳感器與水泥砂漿柱之間采用白凡士林作為耦合 劑；超聲傳感器與超聲波脈沖發(fā)射/接收儀相連，超聲波脈沖發(fā)射/接收儀與數(shù)字示波器相 連，數(shù)字示波器與計算機相連；實驗檢測階段啟動超聲波脈沖發(fā)射/接收儀，超聲波脈沖發(fā)射/接收儀產(chǎn)生一個脈沖信號 施加于超聲波傳感器，超聲波傳感器在水泥砂漿柱中產(chǎn)生一束縱波，該縱波在水泥砂漿柱中遇到缺陷，產(chǎn)生的回波信號又傳輸?shù)匠暡▊鞲衅?，然后反射回波信號被同時發(fā)射 \接收的同一超聲波傳感器接收信號，所接收到的缺陷回波信號再一次經(jīng)過超聲波脈沖 發(fā)射/接收儀后，超聲波脈沖發(fā)射/接收儀后將其送入數(shù)字示波器，數(shù)字示波器首先利 用工程計算軟件Wavestar對水泥砂漿柱的缺陷回波信號進行采集，再利用工程計算軟 件MathematicaS. O和Maple7. O對水泥砂漿柱中的缺陷回波信號進行處理和計算，然后 以數(shù)據(jù)的形式將水泥砂漿柱的缺陷回波幅值存儲在計算機中；最后再利用工程計算軟件 Matlab7.0對公式(1)和(2)進行程序編寫，并在公式(1)和(2)中輸入相應(yīng)的缺陷回波的 幅值數(shù)據(jù)即可對水泥砂漿柱中的缺陷形狀進行重構(gòu)，如圖3所示，是由公式(1)重構(gòu)出的水 泥砂漿柱的缺陷形狀圖，其優(yōu)點在于重構(gòu)缺陷內(nèi)部特征信息；如圖4所示，是由公式(2)重 構(gòu)出的水泥砂漿柱的缺陷性狀圖，其優(yōu)點在于重構(gòu)缺陷外部特征信息；如圖3和圖4所示， 平面內(nèi)的坐標表示通孔缺陷在水泥砂漿柱某一截面的位置，縱向的坐標表示通孔缺陷在水 泥砂漿柱軸向的位置，坐標系邊側(cè)的柱狀帶表示傳感器在水泥砂漿柱的軸線方向每間隔 IOmm移動一步，在實際檢測時，超聲傳感器在水泥砂漿柱中的探測點均勻分布在其表面，每 個探測點均重復(fù)檢測數(shù)次，檢測時超聲傳感器在水泥砂漿柱的同一截面圓的表面每間隔角 度20°時手動移動一次，同時還沿著水泥砂漿柱的軸線方向每隔IOmm時移動一步，然后將 每步的結(jié)果疊加起來，結(jié)果如圖3、4所示.
權(quán)利要求
一種重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，包括以下步驟首先利用超聲波檢測系統(tǒng)檢測非均勻介質(zhì)，獲得非均勻介質(zhì)中的缺陷回波幅值，在計算機中利用工程計算軟件對公式(1)和(2)進行程序編寫，然后輸入相應(yīng)的缺陷回波的幅值即可實現(xiàn)非均勻介質(zhì)的缺陷形狀的重構(gòu)，其中x是特征函數(shù)Γ(x)和γH(x)的參數(shù)，是單位矢量指向ym方向的分量，表示缺陷散射場縱波的散射幅值，kL表示縱波波數(shù)，f表示頻率，是單位矢量指向y方向，表示單位球上的積分，CL(f)就是非均勻介質(zhì)中的相速度。FSA00000054170500011.tif,FSA00000054170500012.tif,FSA00000054170500013.tif,FSA00000054170500014.tif,FSA00000054170500015.tif,FSA00000054170500016.tif,FSA00000054170500017.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其特征在于所述的 超聲波檢測系統(tǒng)檢測非均勻介質(zhì)包括以下步驟將超聲傳感器置于非均勻介質(zhì)的表面，超 聲波脈沖發(fā)射/接收儀產(chǎn)生一個脈沖信號施加于超聲波傳感器，超聲波傳感器在非均勻介 質(zhì)中產(chǎn)生一束縱波，該縱波在非均勻介質(zhì)中遇到缺陷產(chǎn)生的回波信號又傳輸?shù)匠暡▊鞲?器，超聲波傳感器接收到回波信號再經(jīng)超聲波脈沖發(fā)射/接收儀后將其送入數(shù)字示波器， 數(shù)字示波器通過分析反射回波信號，以數(shù)據(jù)的形式將其存儲在計算機中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其特征在于所述的 工程計算軟件包括 Mathematica5. O、Maple7. O、Matlab7. O 和 Wavestar，其中 Wavestar 用 于非均勻介質(zhì)的缺陷數(shù)據(jù)的采集，Mathematica5. O、Maple7. O用于非均勻介質(zhì)中缺陷回波 幅值數(shù)值的處理和計算，Matlab7. O用于非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的重構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其特征在于所述的 公式(1)和(2)中的頻率f的取值范圍是0. 2 1. 5MHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其特征在于所述的 超聲波脈沖發(fā)射/接收儀為MOdel5800型探傷儀。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其特征在于所述的 超聲傳感器的探測點均勻分布在非均勻介質(zhì)的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其特征在于所 述的超聲傳感器與非均勻介質(zhì)的表面垂直接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其特征在于所 述的超聲傳感器與非均勻介質(zhì)之間采用白凡士林作為耦合劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其特征在于所述的 超聲傳感器在非均勻介質(zhì)的表面每間隔一定角度手動移動一次且間隔角度小于等于30°， 且沿軸線方向每間隔一段距離移動一步且間隔距離小于等于15mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，其特征在于所述的 超聲傳感器在非均勻介質(zhì)表面進行檢測時每個探測點均重復(fù)檢測數(shù)次。
全文摘要
本發(fā)明涉及無損檢測領(lǐng)域，具體涉及一種重構(gòu)非均勻介質(zhì)中的缺陷形狀的方法，具體包括以下步驟首先利用超聲波檢測系統(tǒng)檢測非均勻介質(zhì)，獲得非均勻介質(zhì)中的缺陷回波幅值，在計算機中利用工程計算軟件對公式(1)和(2)進行程序編寫，然后輸入相應(yīng)的缺陷回波的幅值即可實現(xiàn)非均勻介質(zhì)的缺陷形狀的重構(gòu)；其中公式(1)和(2)是根據(jù)均勻的各向同性介質(zhì)中的三維Born近似公式和三維Kirchhoff近似公式中分別引入相速度式而導(dǎo)出的，所以本發(fā)明的重構(gòu)非均勻介質(zhì)中缺陷形狀的方法簡單方便，能快速、準確、低成本的重構(gòu)出非均勻介質(zhì)中三維缺陷的形狀。
文檔編號G01N29/04GK101819182SQ20101013124
公開日2010年9月1日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者李玲, 邱軼兵, 鄭禮全, 鄭鋼豐 申請人:安徽理工大學(xué)