面向机翼t型r区的超声形貌重构方法
技术领域
1.本发明涉及超声检测技术领域，特别涉及一种面向机翼t型r区超声形貌重建的方法。


背景技术：

2.在飞机训练以及执行任务后，由于恶劣的天气影响以及高强度使用等因素，飞机难免会出现各种损伤。机翼作为最主要的受力结构，长时间使用后可能出现破裂，变形等损伤，及时发现机翼的内部缺陷并进行维护对于提高飞机使用寿命，保护驾驶员飞行安全具有重要意义。
3.机翼中的承力结构有l型构件、t型构件等，这些带筋壁板都具有r区结构，在飞机飞行过程中，机翼结构件中的r区由于力的长时间作用很容易产生疲劳从而有裂纹以及空隙等内部缺陷。细小的裂纹及孔隙等缺陷有效检测需要超声探测仪器具有较高的检测精度，可以及时发现细小的内部缺陷。
4.r区的超声无损检测需要知道机翼内部结构的大致信息，从而方便检测人员合理安装高精度超声探头，确定入射角度，超声波类型以及频率等，进一步提高检测的效率，及时发现并定位缺陷。
5.具体地，相关技术一提出的一种基于超声检测技术的金属材料内部夹杂物三维重构方法，所述方法首先利用超声显微镜对材料进行粗扫和精扫两步检测,获取夹杂物的超声回波信号；其次对超声回波信号进行预处理，设定夹杂物回波信号的判定阈值；再提取出各夹杂物所在位置的空间坐标；然后利用曲面插值拟合的方法,将夹杂物所在位置的离散采样点拟合为曲面；最后得到夹杂物的三维形貌。该方法可以检测金属材料内部的其他材质杂物从而重建杂物的形貌，但该方法存在的问题在于对单一材质的内部形貌无法进行重建的缺点。
6.相关技术二提出的一种提高复杂形状构件r区相控阵超声检测能力的方法。该方法包括以下步骤：建立复杂形状构件r区相控阵超声检测模型；设计相控阵超声表面适应法(surface adaptive ultrasound,saul)结合接收聚焦检测方案；利用有限元模型读取各孔径阵元到对应焦点的声时，计算复杂形状构件r区相控阵超声检测接收聚焦法则；利用saul发射超声波,各阵元并行接收a扫描信号并进行接收聚焦处理,获得相控阵超声表面自适应法结合接收聚焦的成像结果。该方法在saul的基础上提出结合接收聚焦提高复杂形状构件r区相控阵超声检测的横向分辨力，降低了检测噪声并避免了伪像，为复杂形状构件r区缺陷高质量检测提供支持，但该方法对于不可见的r区无法直接构建准确的检测模型。
7.相关技术三提出的一种用于复合材料r区的超声相控阵检测装置，该检测装置包括水囊耦合模块和支撑模块；所述水囊耦合模块包括水囊和探头，所述水囊的水囊腔内盛有液体，所述探头的面向工件的一侧被所述水囊的水囊套包裹；所述水囊耦合模块通过所述水囊能够实现探头与不同曲率工件r区的良好耦合；所述支撑模块用于实现所述探头的稳定支撑。所述检测装置无需水浸式耦合,不受限于外场试验条件限制,可适用于不同曲率
r区的超声检测,避免结构件因制造加工出现偏差而无法超声检测的情况。该装置需要水囊耦合模块来解决检测装置需要水耦合的问题，对于不同曲率的r区检测有较好的精度，但该装置的水囊耦合模块需要贴合r区，不方便检测机翼下的r区。
8.综上，目前对于r区的检测大多数都是在已知r区形貌的前提下对r区的内部缺陷进行更高精度的检测，然而在实际的r区检测如机翼中的t形r区检测是在未知r区形貌及位置的前提下进行的，因此亟待一种可以将机翼内的r区形貌重构出来的检测方法。


技术实现要素：

9.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
10.为此，本发明的目的在于提出一种面向机翼t型r区的超声形貌重构方法，该方法可以在不损伤待测件的前提下完成机翼内部t型r区的形貌重构。
11.为达到上述目的，本发明实施例提出了面向机翼t型r区的超声形貌重构方法，包括以下步骤：步骤s1，将线性阵列超声相控阵探头置于待测结构件上，以所述线性阵列超声相控阵探头的一边为零点采样位置；步骤s2，以所述零点采样位置为开始在所述待测结构件上再选取五个采样位置进行标记；步骤s3，将所述线性阵列超声相控阵探头依次放置在六个采样位置上，分别激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收每个采样位置上的超声回波数据；步骤s4，对每个采样位置上的超声回波数据进行时域分析，得到每个采样位置上的时域信号，根据所述每个采样位置上时域信号求解每个采样位置的超声波采样时间；步骤s5，根据每个采样位置的超声波采样时间和六个采样位置构建所述待测结构的表面函数。
12.本发明实施例的面向机翼t型r区的超声形貌重构方法，通过定位采样，以特定方式激发换能器发射超声波取得回波数据，再对超声回波数据进行时域分析，取得特定阵元的回波时域信号并进行处理，从而有效获得机翼内部t型r区位置、半径等结构信息，方便了检测人员合理安装高精度超声探头并完成r区的超声无损检测，也有助于进行r区内部缺陷及应力场检测等一系列高精度的检测任务。
13.另外，根据本发明上述实施例的面向机翼t型r区的超声形貌重构方法还可以具有以下附加的技术特征：
14.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s2具体为：标记所述零点采样位置为1号采样位置，以所述1号采样位置为起点，在所述待测结构件再选取五个采样位置，分别标记为2号采样位置、3号采样位置、4号采样位置、5号采样位置和6号采样位置，其中，所述六个采样位置的间距相等。
15.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s3具体包括：步骤s301，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的1号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收1号采样位置上的超声回波数据；步骤s302，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的2号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收2号采样位置上的超声回波数据；步骤s303，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的3号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收3号采样位置上的超声回波数据；步骤s304，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的4号采样位置上，激发所述线性阵列超声相
控阵探头的换能器发射超声波，接收4号采样位置上的超声回波数据；步骤s305，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的5号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收5号采样位置上的超声回波数据；步骤s306，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的6号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收6号采样位置上的超声回波数据。
16.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s4具体包括：步骤s401，将所述步骤s3中的每个采样位置上的超声回波数据进行反变换，得到所述每个采样位置上的时域信号；所述步骤402，分别对每个采样位置上的64个时域信号进行分析，分别得到所述每个采样位置的超声波采样时间。
17.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述每个采样位置上的超声回波数据为：
18.h
jl
(ω)＝s(ω)d(ω,θ
j
)d(ω,θ
l
)r(ω,θ
l
,θ
j
)g(r
s
,r
j
)g(r
l
,r
s
)
19.其中，h
jl
(ω)为每个采样位置上的超声回波数据，s(ω)为线性阵列超声相控阵探头的发射阵元r
j
发出超声纵波信号s(t)的频谱，d(ω,θ
j
)和d(ω,θ
l
)为发射阵元r
j
和接收阵元r
l
在固体介质中的远场指向性函数，r(ω,θ
l
,θ
j
)为散射系数，g(r
s
,r
j
)和g(r
l
,r
s
)为介质的格林函数。
20.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述待测结构的表面函数为：
21.g(x,y,z)＝f(x,y,z)+c
l
t
i
22.其中，g(x,y,z)为待测结构的表面函数，f(x,y,z)为结构件的表面函数，c
l
为纵波声速，t
i
为每个采样位置的超声波采样时间。
23.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
25.图1是本发明一个实施例的面向机翼t型r区的超声形貌重构方法流程图；
26.图2是本发明一个实施例的待测结构件的r区检测示意图；
27.图3是本发明一个实施例的线性阵列超声相控阵探头超声波发射与接收示意图；
28.图4是本发明一个实施例的超声传播距离与采样位置的关系曲线图。
29.附图标记说明：
[0030]1‑
线性阵列超声相控阵探头、2
‑
待测结构件和3
‑
待测结构件的r区。
具体实施方式
[0031]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0032]
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的面向机翼t型r区的超声形貌重构方法。
[0033]
图1是本发明一个实施例的面向机翼t型r区的超声形貌重构方法流程图。
[0034]
如图1所示，该面向机翼t型r区的超声形貌重构方法包括以下步骤：
[0035]
在步骤s1中，将线性阵列超声相控阵探头置于待测结构件上，以所述线性阵列超声相控阵探头的一边为零点采样位置。
[0036]
在步骤s2中，以所述零点采样位置为开始在所述待测结构件上再选取五个采样位置进行标记。
[0037]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s2具体为：
[0038]
标记所述零点采样位置为1号采样位置，以所述1号采样位置为起点，在所述待测结构件再选取五个采样位置，分别标记为2号采样位置、3号采样位置、4号采样位置、5号采样位置和6号采样位置，其中，所述六个采样位置的间距相等。
[0039]
具体地，如图2所示，本发明实施例中采用64阵元的线性阵列超声相控阵探头，阵元1从左到右依次编号，探头置于待测结构件2上，以探头一边为零位起点标号为1号，在待测结构件上取合适的区间长度的采样位置并标号为2号，3号等。
[0040]
在步骤s3中，将所述线性阵列超声相控阵探头依次放置在六个采样位置上，分别激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收每个采样位置上的超声回波数据。
[0041]
也就是说，对线性阵列超声相控阵探头的阵元从左到右依次编号后对每个阵元的激发时间以及延迟时间进行控制，首先对1号阵元进行激发和接收，采集储存回波数据后再对2号阵元进行激发和接收，从而完成整个64阵元的超声回波数据采集。
[0042]
其中，步骤s3可具体包括为：
[0043]
步骤s301，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的1号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收1号采样位置上的超声回波数据；
[0044]
步骤s302，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的2号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收2号采样位置上的超声回波数据；
[0045]
步骤s303，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的3号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收3号采样位置上的超声回波数据；
[0046]
步骤s304，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的4号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收4号采样位置上的超声回波数据；
[0047]
步骤s305，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的5号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收5号采样位置上的超声回波数据；
[0048]
步骤s306，将所述线性阵列超声相控阵探头放置在所述待测结构的6号采样位置上，激发所述线性阵列超声相控阵探头的换能器发射超声波，接收6号采样位置上的超声回波数据。
[0049]
在步骤s4中，对每个采样位置上的超声回波数据进行时域分析，得到每个采样位置上的时域信号，根据所述每个采样位置上时域信号求解每个采样位置的超声波采样时
间。
[0050]
也就是说，对待测区域标记完毕后激发超声探头换能器发射超声波对结构件内部信息进行采集，对结构件整体进行扫描，根据获得的超声波回波的时域信号得到超声波的传播时间。其中，图2中t型结构件非r区部分与r区部分2a超声波的传播时间有明显区别，通过对整体的扫描确定需要检测的r区大致位置。
[0051]
进一步地，所述步骤s4可具体包括：
[0052]
步骤s401，将所述步骤s3中的每个采样位置上的超声回波数据进行反变换，得到所述每个采样位置上的时域信号；
[0053]
所述步骤402，分别对每个采样位置上的64个时域信号进行分析，分别得到所述每个采样位置的超声波采样时间。
[0054]
如图3所示，由发射阵元r
j
发出的超声波纵波信号被接收阵元r1接收，接收信号的频谱可以表示为，即所述每个采样位置上的超声回波数据为：
[0055]
h
jl
(ω)＝s(ω)d(ω,θ
j
)d(ω,θ
l
)r(ω,θ
l
,θ
j
)g(r
s
,r
j
)g(r
l
,r
s
)
[0056]
式中，h
jl
(ω)为每个采样位置上的超声回波数据，s(ω)为线性阵列超声相控阵探头的发射阵元r
j
发出超声纵波信号s(t)的频谱，d(ω,θ
j
)和d(ω,θ
l
)为发射阵元r
j
和接收阵元r
l
在固体介质中的远场指向性函数，r(ω,θ
l
,θ
j
)为散射系数，g(r
s
,r
j
)和g(r
l
,r
s
)为介质的格林函数。
[0057]
其中，超声波纵波再各向同性固体介质中传播时其远场指向函数：
[0058]
d(ω,θ)＝d
f
(ω,θ)d
l
(θ)
[0059]
其中，d
l
(θ)可以表示为：
[0060][0061]
格林函数g(r1,r2)描述了声波在介质中任意两点r1和r2之间的传播特性，可以近似地表示为：
[0062][0063]
对h
jl
(ω)反变换可以得到阵列中接收阵元所接收的时域信号h
jl
(t)，按照步骤s3的阵元激发及接收方式即j＝l＝1,2，
……
64，对于已知物理特性的结构件，其散射系数r(ω,θ
l
,θ
j
)，纵波以及横波声速c
l
,c
s
已知，对于选择的超声探头，其相邻阵元之间的间距已知，通过分别对64个时域信号进行分析可得超声波回波传播时间t
i
。
[0064]
在步骤s5中，根据每个采样位置的超声波采样时间和六个采样位置构建所述待测结构的表面函数。
[0065]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述待测结构的表面函数为：
[0066]
g(x,y,z)＝f(x,y,z)+c
l
t
i
[0067]
其中，g(x,y,z)为待测结构的表面函数，f(x,y,z)为结构件的表面函数，c
l
为纵波声速，t
i
为每个采样位置的超声波采样时间。
[0068]
举例而言，如图4所示，根据待测结构的表面函数绘制采样位置以及距离的关系曲线可以得到r区的二维形貌。如采样位置1及采样位置2显示探头未检测到r区，采样位置3及
采样位置5可以得到r区的位置深度。
[0069]
根据本发明实施例提出的面向机翼t型r区的超声形貌重构方法，通过对探头位置进行标记，选择要检测部位一些合适的采样位置后进行超声波检测，对于已知材料的结构件，其材料物理特性如衰减系数，纵波横波波速等已知，选择合适的超声探头后采用一发一收的方式激发探头内的每个阵元拟合得到时域信号，通过对超声波的时域信号进行分析得到r区内部的位置及结构形貌等信息，即可得到结构件r区及其他位置的形貌信息，操作简单且适用于在役检测。
[0070]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0071]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0072]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。