基于全矩阵数据的相控阵超声检测技术基础研究

Ultrasonic phased array for nondestructive testing has been used in aerospace, military and nuclear power industries due to its great speed, resolution and sensitivity. A novel ultrasonic phased array technique using full matrix data has been quantitatively shown to provide superior coverage, resolution and defect characterization ability. However problems on modeling and using of full matrix data for curve component and anisotropic material inspection remain unsolved. In this study a new analytical model for full matrix data of curve component and anisotropic material will be established by considering the diffusion and distortion effect of elastic wave-front. Based on this analytical model a new virtual focusing and signal processing method will be developed. In order to enhance the ability of sub-wavelength defect characterization, a reconstruction algorithm and defect characterization method in 3D for sub-wavelength will also be built. Through this research, the development of ultrasonic phased array testing technique using full matrix data will be significantly promoted. The research results will improve the nondestructive testing level in national defense field.

相控阵超声检测技术具有检测速度快、分辨力及灵敏度高等特点，已在航空航天、武器装备和核电等国防高科技领域获得应用。基于全矩阵数据的相控阵超声检测是一种全新的检测技术，具有传统相控阵超声检测技术的全部特点及更大的检测范围、更高的检测精度和更强的缺陷表征能力。然而，针对变曲率表面试件及各向异性材料的检测，该技术还存在全矩阵数据解析模型不完善及其相关的技术基础问题。为了发展和完善该项技术，本项目将考虑波阵面扩散及畸变因素的影响，建立适用于变曲率表面结构及各向异性材料的新型全矩阵数据解析模型，研究虚拟聚焦算法和接收信号处理方法；为了进一步提高微小缺陷识别能力，项目还将研究半波长缺陷重构算法及其三维特征识别方法。项目研究成果将显著促进基于全矩阵数据的相控阵超声检测技术的发展，为国防高科技领域提供更加精确、有效和可靠的无损检测技术和方法。

相控阵超声是一种多通道无损检测技术，与传统单通道超声检测方法相比，声束的控制更加方便、灵活，无需移动换能器便可实现二维、三维区域的检测成像，可有效解决复杂几何外形以及复杂材料性质结构件内部缺陷的检测问题。近年来一种基于全矩阵数据的阵列超声全聚焦检测新方法得到了长足发展，与常规相控阵超声检测技术相比检测精度更高、检测范围更高、对小缺陷的表征能力更强，是相控阵超声无损检测技术的未来发展趋势。为解决该技术在无法直接耦合结构以及各向异性结构检测上存在的检测问题，本项目从声学理论出发，研究并建立适用于复杂结构、各向异性材料的全矩阵数据检测理论、算法，并针对实际结构展开检测应用。首先，基于积分声学、格林函数、渐进积分理论，建立了适用于变曲率交界面结构和各向异性材料的阵列超声全矩阵数据数学解析模型，掌握了全矩阵数据采集时超声波受被测试件几何、材料属性影响后，声波传播路径、幅值衰减等声学效应的刻画方法，解析模型的计算结果精度与有限差分等纯数值仿真方法精度相近。其次，基于全矩阵数据模型提出了的合成声束虚拟聚焦控制新算法，解决了常规基于最小传播时间原理的算法在处理复杂交界面时存在的问题，提出了一种全新的全聚焦校准因子和校准方法，修正了楔块耦合检测时虚拟聚焦成像结果的不一致；提出了一种基于孔径优化的虚拟聚焦背景干扰信号滤除方法，针对具有4mm半径铝金属R型结构对上述方法进行理论应用及实验，解决了基于经典全矩阵数据成像算法全聚焦方法无法实现上述结构检测的问题。然后，基于全矩阵数据建立了全新的虚拟聚焦成像算法，分别包括基于线阵换能器动态孔径虚拟聚焦加权成像算法、基于横波波形的全聚焦成像算法、基于环形阵列换能器的虚拟聚焦检测新方法，此外基于有限元对典型缺陷的散射效应进行了分析。最后，针对航空发动机涡轮叶片、航天薄壁栅格型结构、复合材料层压板、钛合金增材制造结构对上述检测理论、算法进行应用研究，实现了对不同厚度（4~18mm）涡轮叶片内部0.5mm裂纹缺陷、3mm厚栅格型结构内部0.4mm裂纹缺陷、55mm厚钛合金增材制造结构内部0.8mm平底孔缺陷的准确定位、成像及定量，解决了常规超声检测方法难以解决的检测问题。