具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例的水浸全聚焦检测系统包括水箱、待测曲面零件、线性超声相控阵探头、超声相控阵检测仪和计算机，其中计算机中安装了超声检测软件。超声检测软件主要执行声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法。

本发明实施例的声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法主要包括如下步骤：

步骤(1)：根据待测曲面零件材料和曲面曲率，确定探头频率f、阵元数量N、阵元宽度d、阵元间隔p和水层高度h等检测参数；

步骤(2)：将待测曲面零件浸入水中，按照所述检测参数放置超声相控阵探头，分别对凸面和凹面位置进行检测，采集全矩阵数据，对于N个阵元的线性超声相控阵探头，依次激发N个阵元，总共可获得N×N组数据,其中信号S_ij为第i个阵元发射，第j个阵元接收的信号；

步骤(3)：根据待测曲面零件的截面几何形状，将检测区域划分为凸面区域和凹面区域，分别针对凸面和凹面几何参数和探头参数进行各阵元声场仿真；

步骤(4)：根据各阵元声场强度的最大值的一定比例(如1/8～1/2，本发明优选1/4)作为阈值，将各阵元成像区域进行阈值分割，生成有效区域系数矩阵；

步骤(5)：将待测曲面零件的各阵元有效区域内的网格点逐一成像，实现阵元有效区域全聚焦优化成像，获得零件曲面的全聚焦优化成像结果；

步骤(6)：根据步骤(5)所获得的零件全聚焦优化图像，分析待测曲面零件凸面和凹面待测区域缺陷尺寸和位置，完成曲面零件的检测与成像。

上述超声相控阵全聚焦算法是指将全矩阵数据的所有发射-接收阵元组合在该聚焦点的声压幅值进行叠加，为现有技术，在这里不再详述。

作为本发明的优选方案，步骤(1)中,全聚焦曲面探头参数和检测参数设计方法如下：

相控阵探头参数选择需根据待测材料和检测深度范围，确定探头频率f和阵元间隔p，对于粗晶材料和厚壁零件检测采用低频探头，对于薄壁零件选择高频探头；对于检测精度要高的，需选择的阵元间隔p更小。

本发明采用完全水浸式全聚焦检测方法，利用纵波信号计算聚焦点幅值，由于超声波在曲面界面有不同的入射角，当入射角小于第一临界角时，超声波会产生折射纵波和横波，当入射角大于第一临界角时，超声波只产生折射横波。为保证全聚焦曲面检测的精度，减小无效阵元的横波干扰，相控阵探头各阵元在曲面界面需产生折射纵波，保证有足够能量纵波注入曲面零件。

因此，曲面全聚焦检测的相控阵探头参数和检测参数需满足以下条件：

a.为保证各阵元在待测区域内的能够获得有效检测信号，各阵元在凹面内的纵波发射盲区需小于待测区域的1/4。

如图2所示，各阵元在凹面内的纵波发射盲区计算方法为：假设第i个阵元M_i(x_1i,y_1i)在工件界面的入射角为α_i，第i个阵元发射的超声波在界面交点为Q_i(x_2i,y_2i)，假设凹面圆弧方程为：凹面圆心坐标为O_A(0,h-R)，直线Q_iO_A斜率K_1i为：

第i个阵元中心与界面交点Q_i所在直线方程斜率由两点坐标可求出：

故第i个阵元在曲面介质的入射角为：

所述超声波从耦合剂入射到凹面的第一临界角为当第i个阵元的入射角α_i＝α₁，代入上述等式可得界面交点Q_i(x_2i,y_2i)坐标，由此可求得该阵元在凹面内部的检测盲区为图2中Q_i点右侧区域，要求该区域小于待测区域的1/4。

b.为保证各阵元在曲面内部有效注入声波能量，各阵元纵波入射的最大声束扩散角需小于半扩散角，阵元阵列方向的半扩散角为：

其中λ为超声波波长，d为阵元宽度。当第i个阵元在曲面界面的入射角为第一临界角时，阵元的声束扩散角为：

当阵元的声束扩散角大于半扩散角γ₀声波的能量大大减弱，因此要求γ_i<γ₀。

c.由于凸面检测不存在发射盲区，因此只要求凸面检测所用探头阵列宽度(N-1)*p大于待测区域宽度范围。

作为本发明的优选方案，步骤(3)中,曲面阵元声场仿真方法如下：

现有文献资料中，给出了超声换能器在平面介质中的声场仿真方法，但尚未给出曲面介质的声场计算方法。本发明根据双介质平面线源活塞积分模型和交界面射线理论，推导了线性阵元曲面声场的计算方法。如图3所示，根据声学理论，可得双介质平面线源模型声压计算公式：

其中，v₀(ω)为阵元沿其宽度方向的空间分布平均速度，即： -e<x<e，e是阵元宽度，δ为质点与换能器中心轴线的夹角，k＝ω/c为波数，ρ₁为介质密度，c₁为水中的声速,r为质点到换能器中心点(x₀,0)的距离，T_p是基于压力比计算的平面波界面透射系数。L_1i为阵元发射声波在第一介质中的传播路径，L_2i为声波在第二介质中的路径。根据交界面射线理论，第i个阵元发射超声波在第二介质折射点F_i的声压可视为虚拟声源M_i′沿直线传播至F_i点，虚拟声源到入射点的距离为：

其中，α_i为声波界面入射角，β_i为声波界面折射角；假设曲面y＝f(x)在Q_i点的切线斜率为y′＝f′(x_2i),其中Q_i(x_2i,y_2i)的坐标由费马原理可求，则第i个阵元在曲面介质的入射角为：

其中，K_1i为界面交点为Q_i处的法线斜率，K_2i为第i个阵元中心与界面交点Q_i所在直线方程斜率，由snell定律可求得折射角代入公式(7)可求得距离L_1i′，再代入公式(6)可求得线源模型在曲面中的声压计算值。

作为本发明的优选方案，所述步骤(4)中,利用阵元声场阈值分割对曲面内部的有效成像区域确定方法如下：

通过曲面全聚焦声场仿真计算，可确定各阵元在曲面内部的声压分布和声波能量集中区域。通过设置合理阈值，可筛选各阵元在曲面内部能量较强的有效区域进行全聚焦成像运算，在保证成像质量的同时，可避免各阵元无效区域的杂波干扰，提高全聚焦成像运算效率。根据常规超声检测缺陷定量方法确定有效区域声场阈值，采用-12dB法，将所有阵元声场强度最大值的1/4作为阈值即

将各阵元声场区域按阈值分割，生成有效区域系数矩阵，有效区域内的聚焦点按全聚焦算法进行幅值叠加，有效区域外的聚焦点幅值定义为0。传统的全聚焦成像方法是将所有发射-接收阵元组合在成像区域内的聚焦点依次进行声压幅值的叠加，即某聚焦点的叠加幅值为：

式中，t_ij(x,y)为阵元M_i(x_1i,0)发射超声波到达聚焦点F(x,y)，再由阵元M_j(x_1j,0)接受到超声波的传播时间。由此可得，有效区域优化后的全聚焦成像算法为：

式中，C_i(x,y)为有效区域系数矩阵，由声场仿真结果和阈值筛选生成，其中在阈值范围内的聚焦点系数定义为1，在阈值范围外的无效区域系数定义为0。

实施例2：

如图4所示，本实施例的目标为航空发动机进气机匣环锻件曲面区域检测：凸面区域R＝15mm，加工了直径1.2mm的横通孔缺陷；凹面区域R＝20mm，分别加工了直径0.5mm、1.0mm和1.5mm横通孔缺陷，材料为钛合金TC2，纵波声速为6163m/s，密度4.55g/cm³。

本发明实施例的航空发动机机匣环锻件超声全聚焦检测和成像优化包括以下步骤：

步骤(1)：本发明采用一个线性相控阵探头水浸法检测，探头频率10MHz，探头阵元数量为N＝64，阵元间隔p＝0.3mm，凸面中心距离探头水层高度h＝10mm，凹面中心距离探头水层高度为h＝10mm；

步骤(2)：将待测曲面零件浸入水中，按照步骤(1)检测参数放置超声相控阵探头，分别对凸面和凹面位置进行全矩阵数据采集，按传统全聚焦成像算法得到原始的全聚焦成像结果如图5所示；

步骤(3)：分别针对凸面和凹面几何参数和探头参数进行各阵元声场仿真，仿真结果如图6所示；

步骤(4)：通过计算中心阵元的声场强度，其最大声压值为P_max＝0.395，以最大声压的1/4作为阈值，即Thresold_i＝0.098，如图7所示，对凸面和凹面待测区域进行有效区域阈值分割；

步骤(5)：各阵元对有效区域内的聚焦点进行幅值叠加计算，得到有效区域优化全聚焦成像结果，如图8所示。

步骤(6)：分析全聚焦成像优化结果，可检测所有缺陷，缺陷图像信噪比大幅度提高，通过计算各缺陷图像信噪比可知，凸面缺陷相对原始成像结果信噪比由40.05dB提高到48.43dB；凹面0.5mm缺陷相比原始成像结果信噪比由10.1dB提高到22.9dB，凹面1.0mm缺陷成像信噪比由26.41dB提高到40.78dB，凹面1.5mm缺陷成像信噪比由19.12dB提高到34.16dB。

通过对比全聚焦成像原始结果和有效区域成像优化结果，可以看出优化后的图像噪声斑点明显减小，缺陷幅值几乎不变。

综上，本发明根据待测曲面零件曲面几何特征，设计了探头参数和最佳检测参数；在双介质平面声场仿真的基础上，给出了双介质曲面超声换能器声场的仿真计算方法；通过阵元在双介质曲面内部的声场仿真结果，利用声场仿真的阈值分割各阵元的有效成像区域，利用各阵元有效区域进行全聚焦成像，阵元无效区域聚焦点的冗余计算，提高全聚焦成像效率，由于减小了冗余区域杂波信号的干扰，有效提高了成像信噪比和成像质量。本发明对于复杂零件的水浸超声全聚焦高灵敏度检测和快速成像具有重要的工业应用价值。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。