基於全矩陣數據的相控陣超聲檢測技術基礎研究

《基於全矩陣數據的相控陣超聲檢測技術基礎研究》是依託北京航空航天大學，由周正乾擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於全矩陣數據的相控陣超聲檢測技術基礎研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：周正乾
• 項目類別：面上項目

項目摘要

相控陣超聲檢測技術具有檢測速度快、分辨力及靈敏度高等特點，已在航空航天、武器裝備和核電等國防高科技領域獲得套用。基於全矩陣數據的相控陣超聲檢測是一種全新的檢測技術，具有傳統相控陣超聲檢測技術的全部特點及更大的檢測範圍、更高的檢測精度和更強的缺陷表征能力。然而，針對變曲率表面試件及各向異性材料的檢測，該技術還存在全矩陣數據解析模型不完善及其相關的技術基礎問題。為了發展和完善該項技術，本項目將考慮波陣面擴散及畸變因素的影響，建立適用於變曲率表面結構及各向異性材料的新型全矩陣數據解析模型，研究虛擬聚焦算法和接收信號處理方法；為了進一步提高微小缺陷識別能力，項目還將研究半波長缺陷重構算法及其三維特徵識別方法。項目研究成果將顯著促進基於全矩陣數據的相控陣超聲檢測技術的發展，為國防高科技領域提供更加精確、有效和可靠的無損檢測技術和方法。

結題摘要

相控陣超聲是一種多通道無損檢測技術，與傳統單通道超聲檢測方法相比，聲束的控制更加方便、靈活，無需移動換能器便可實現二維、三維區域的檢測成像，可有效解決複雜幾何外形以及複雜材料性質結構件內部缺陷的檢測問題。近年來一種基於全矩陣數據的陣列超聲全聚焦檢測新方法得到了長足發展，與常規相控陣超聲檢測技術相比檢測精度更高、檢測範圍更高、對小缺陷的表征能力更強，是相控陣超聲無損檢測技術的未來發展趨勢。為解決該技術在無法直接耦合結構以及各向異性結構檢測上存在的檢測問題，本項目從聲學理論出發，研究並建立適用於複雜結構、各向異性材料的全矩陣數據檢測理論、算法，並針對實際結構展開檢測套用。首先，基於積分聲學、格林函式、漸進積分理論，建立了適用於變曲率交界面結構和各向異性材料的陣列超聲全矩陣數據數學解析模型，掌握了全矩陣數據採集時超音波受被測試件幾何、材料屬性影響後，聲波傳播路徑、幅值衰減等聲學效應的刻畫方法，解析模型的計算結果精度與有限差分等純數值仿真方法精度相近。其次，基於全矩陣數據模型提出了的合成聲束虛擬聚焦控制新算法，解決了常規基於最小傳播時間原理的算法在處理複雜交界面時存在的問題，提出了一種全新的全聚焦校準因子和校準方法，修正了楔塊耦合檢測時虛擬聚焦成像結果的不一致；提出了一種基於孔徑最佳化的虛擬聚焦背景干擾信號濾除方法，針對具有4mm半徑鋁金屬R型結構對上述方法進行理論套用及實驗，解決了基於經典全矩陣數據成像算法全聚焦方法無法實現上述結構檢測的問題。然後，基於全矩陣數據建立了全新的虛擬聚焦成像算法，分別包括基於線陣換能器動態孔徑虛擬聚焦加權成像算法、基於橫波波形的全聚焦成像算法、基於環形陣列換能器的虛擬聚焦檢測新方法，此外基於有限元對典型缺陷的散射效應進行了分析。最後，針對航空發動機渦輪葉片、航天薄壁柵格型結構、複合材料層壓板、鈦合金增材製造結構對上述檢測理論、算法進行套用研究，實現了對不同厚度（4~18mm）渦輪葉片內部0.5mm裂紋缺陷、3mm厚柵格型結構內部0.4mm裂紋缺陷、55mm厚鈦合金增材製造結構內部0.8mm平底孔缺陷的準確定位、成像及定量，解決了常規超聲檢測方法難以解決的檢測問題。