阅读说明：本技术 一种数字化选取相控阵换能器检测参数的方法 (Method for digitally selecting phased array transducer detection parameters ) 是由 高世凯 蔡瑞 杨东海 李学雷 张鑫 熊然 魁国祯 田俍媛 张峰 徐浩天 王宁宁 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明一种数字化选取相控阵换能器检测参数的方法,属于工业无损检测领域；通过基于COMSOL软件的计算机仿真技术,建立相控阵换能器参数优化选取模型,针对不同材料,通过设计换能器仿真正交实验,快速得到换能器最佳检测参数,达到相控阵无损检测工艺参数的数字化选取。本发明检测参数选取方案简单易实施,不需要进行大量缺陷试块的制作,在换能器检测参数选取领域可替代人工缺陷试块；通过换能器检测参数正交试验分析,由图9均值主效应曲线可知,正交实验分析最优组合参数为A-(2)B-(3)C-(3)D-(2),图5为换能器检测声场指向性曲线,声场旁瓣较少,未出现栅瓣,声场指向性效果佳。(The invention relates to a method for digitally selecting detection parameters of a phased array transducer, belonging to the field of industrial nondestructive detection; a phased array transducer parameter optimization selection model is established through a computer simulation technology based on COMSOL software, and the optimal detection parameters of the transducer are quickly obtained through designing a transducer simulation orthogonal experiment aiming at different materials, so that the digital selection of the phased array nondestructive detection process parameters is achieved. The detection parameter selection scheme is simple and easy to implement, does not need to manufacture a large number of defect test blocks, and can replace artificial defect test blocks in the field of transducer detection parameter selection; through the orthogonal experimental analysis of transducer detection parameters, the optimal combination parameter of the orthogonal experimental analysis is A as shown by the main effect curve of the mean value in figure 9 2 B 3 C 3 D 2 Fig. 5 is a sound field directivity curve detected by the transducer, and the sound field directivity effect is good because the side lobe of the sound field is less and no grating lobe is generated.)

一种数字化选取相控阵换能器检测参数的方法

技术领域

本发明属于工业无损检测领域，具体涉及一种数字化选取相控阵换能器检测参数的方法。

背景技术

相控阵超声无损检测技术以其适用性强、检测结果直观性强、便捷高效、对缺陷信息完整再现及可实现多种显示方式的优势在无损检测领域得到广泛应用。相控阵换能器作为检测系统的核心部件，对其参数的高效准确选取是检测结果真实可靠的重要保证。

由专利CN209248850U可知，目前选取相控阵换能器检测参数方法主要通过标准试块工艺试验，制造多种不同缺陷类型的标准试块，进行多次检测，通过对比分析检测数据与试块缺陷的位置、类型来选择合适的检测工艺参数，存在工作量大、效率低、人工缺陷代表性不强的问题。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种数字化选取相控阵换能器检测参数的方法，解决了相控阵换能器参数选取成本高、效率低的问题。通过基于COMSOL软件的计算机仿真技术，建立相控阵换能器参数优化选取模型，针对不同材料，通过设计换能器仿真正交实验，快速得到换能器最佳检测参数，达到相控阵无损检测工艺参数的数字化选取。

本发明的技术方案是：一种数字化选取相控阵换能器检测参数的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：采用软件建立相控阵超声检测的三维模型，并通过仿真检测声场分析得到对应换能器参数下检测声场的变化规律；

步骤二：对仿真检测声场结果进行正交分析，给出对应检测材料下的最佳相控阵换能器激励频率f、阵元宽度d、阵元数M及阵元间隙s参数；

步骤三：根据步骤二中对应检测材料下的换能器激励频率f、阵元宽度d、阵元数M及阵元间隙s参数，进行对应材料的换能器检测验证试验，验证仿真检测声场结果的准确性。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，采用COMSOL仿真软件的几何模块建立相控阵超声仿真检测换能器1:1的三维模型。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，通过仿真检测声场分析得到对应换能器参数下检测声场的变化规律的具体步骤如下：

步骤1：根据相控阵超声检测实际运行情况，为所述三维模型每个部分设置对应的材料；

步骤2：根据相控阵超声检测实际运行情况，结合仿真的边界条件，给相控阵超声检测三维模型施加相应的检测超声波束；

步骤3：为所述三维模型进行网格划分，划分成若干求解单元；

步骤4：逐个计算每个求解单元的超声波声场参数，得到反映换能器检测超声波声场变化规律的声场强度分布图；

步骤5：对不同换能器参数对应声场能量Q_A、有效区域Q_B及指向性Q_C进行正交分析，根据相控阵换能器数学模型，进行Matlab声场可视化分析，对声场能量、有效区域及指向性三个指标进行换能器检测声场权重分析，得到各个指标权重分别为声场能量Q_A40％，有效区域Q_B 20％，指向性Q_C40％，分析得到不同材料对应的最优换能器检测参数。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤三，对不同材料对应的最优相控阵换能器检测参数进行整理，建立对应不同材料的换能器检测参数数据库，便于实际应用时对相控阵换能器检测参数的快速选取。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1.针对目前人工对比试块选取检测参数的方法，本发明检测参数选取方案简单易实施，不需要进行大量缺陷试块的制作，在换能器检测参数选取领域可替代人工缺陷试块；

2.通过换能器检测参数正交试验分析，由图9均值主效应曲线可知，正交实验分析最优组合参数为A₂B₃C₃D₂，图5为换能器检测声场指向性曲线，声场旁瓣较少，未出现栅瓣，声场指向性效果佳。因此通过计算机仿真检测技术，可以实现换能器检测参数的数字化选取，达到检测参数选取方便准确、智能化程度高；

3.在进行大量计算机仿真研究及验证后，可建立相控阵换能器检测参数数据库，在满足检测方案的前提下，可快速应用于实际生产任务。

附图说明

图1为相控阵换能器检测参数快速选取研究方法流程图；

图2为本发明实施例相控阵换能器检测声场三维模型建立流程图；

图3为本发明实施例相控阵换能器激励频率f为5MHz、阵元宽度d为0.4mm、阵元数M为16及阵元间隙s为0.1mm时换能器检测声场三维模型；

图4为本发明实施例相控阵换能器激励频率f为5MHz、阵元宽度d为0.4mm、阵元数M为16及阵元间隙s为0.1mm时换能器检测声场范围二维模型；

图5为本发明实施例相控阵换能器激励频率f为5MHz、阵元宽度d为0.4mm、阵元数M为16及阵元间隙s为0.1mm时换能器检测声场指向性曲线；

图6为本发明实施例相控阵换能器激励频率f为5MHz、阵元宽度d为0.8mm、阵元数M为32及阵元间隙s为0.2mm时换能器检测声场三维模型；

图7为本发明实施例相控阵换能器激励频率f为5MHz、阵元宽度d为0.8mm、阵元数M为32及阵元间隙s为0.2mm时换能器检测声场范围二维模型；

图8为本发明实施例相控阵换能器激励频率f为5MHz、阵元宽度d为0.8mm、阵元数M为32及阵元间隙s为0.2mm时换能器检测声场指向性曲线；

图9为本发明实施例相控阵换能器仿真检测声场正交实验均值主效应曲线。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种数字化选取相控阵换能器检测参数的方法，利用COMSOL仿真软件对相控阵换能器超声仿真检测声场进行准确、科学的三维建模，分析针对不同材料的最优换能器参数，通过正交实验分析快速得到针对不同材料的相控阵换能器最优参数。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为相控阵换能器检测参数快速选取研究方法流程图，如图1所示，本发明提供的基于COMSOL仿真软件快速选取相控阵换能器参数的研究方法，所述研究方法包括以下步骤：

S1)采用COMSOL仿真软件建立相控阵超声检测的三维模型，并通过仿真检测声场分析得到对应换能器参数下检测声场的变化规律，建模过程如图2所示；

S2)对仿真检测声场结果进行正交分析，给出对应检测材料下的最优换能器检测参数；

S3)根据步骤S2中所述的对应检测材料下的最佳换能器检测参数，进行对应材料的换能器检测验证试验，验证仿真检测声场结果的准确性。

其中，所述采用COMSOL仿真软件建立相控阵超声检测的三维模型，并得到对应换能器参数下检测声场的变化规律，具体包括以下步骤：

S101)采用COMSOL仿真软件的几何模块建立相控阵超声仿真检测换能器1:1的三维模型；

S102)根据相控阵超声检测实际运行情况，为三维模型每个部分设置对应的材料；

S103)根据相控阵超声检测实际运行情况，结合仿真的边界条件给相控阵超声检测三维模型施加相应的检测超声波束；

S104)综合考虑运算精度和时间，为三维模型进行网格划分，划分成若干求解单元；

S105)逐个计算每个求解单元的超声波声场参数，得到反映换能器检测超声波声场变化规律的声场强度分布图；

S106)对不同换能器参数对应声场能量Q_A、有效区域Q_B及指向性Q_C进行正交分析，得到的不同材料对应的最优换能器检测参数。

进行对应材料的相控阵超声检测验证试验，以验证仿真检测声场模型的准确性。

对不同材料对应的最优相控阵换能器检测参数进行整理，建立对应不同材料的换能器检测参数数据库，便于实际应用时对相控阵换能器检测参数的快速选取。

具体的，所述步骤106具体包括：选取的表征声场指标分别为，声场能量Q_A、有效区域Q_B及指向性Q_C，各个指标权重分别为声场能量Q_A 40％，有效区域Q_B 20％，指向性Q_C40％，对每组试验的每个指标分别评分，再根据权重进行加权综合计算评分。

每组试验的综合得分为：y＝0.4×Q_A+0.2×(6×Q_B)+0.4×(100×Q_C)以1号试验为例，图3、图4、图5分别1号试验结果，对其进行综合评分得到：y₁＝0.4×54+0.2×(6×2.3)+0.4×(100×0.5)＝44.36。图6、图7、图8为6号试验结果，对其声场综合评分方法与1号试验相同。

对正交实验中其它试验组进行分析，方法同步骤45。

通过极差分析，确定因素的优水平和最优水平组合，得到图9所示均值主效应图。

正交实验分析最优组合参数为A₂B₃C₃D₂，即换能阵激励频率5MHz，阵元数32个，阵元宽度0.8mm，阵元间隙0.2mm。图9可直观看出各因素水平效应变化趋势，可直观判断因素水平对试验结果的影响。

进行验证试验，确认仿真检测方法准确合理。

收集整理数据，形成数据库，方便于快速选取相控阵换能器检测参数。

本发明提供的快速选取相控阵换能器检测参数的方法，解决了相控阵超声换能器检测参数选取成本较高，效率过低，数字化程度低的问题，利用仿真软件对换能器检测声场进行科学、准确的三维建模，使得相控阵换能器检测参数选取方案简单易实施、方便快捷、结果准确、误差小。

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不脱离本发明的原理和宗旨的情况下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。