无人船船体中裂缝扩展的超声探测器的制造方法

无人船船体中裂缝扩展的超声探测器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种无人船船体中裂缝扩展的超声探测器，包括探针阵列，用于向所述样品内发射超声波，提供驱动信号用超声波并且接收由探针阵列产生相应的接收信号的收发器以及用来显示接收到的信号的显示系统；所述收发器包括计算机，延时控制器，脉冲器，接收器以及数据采集系统，将来自所述脉冲器的驱动信号发送到所述探针阵列，而相应的由所述接收器处理所述探针阵列输出的所述接收信号，其中所述计算机控制所述延时控制器，所述脉冲器，所述接收器以及所述数据采集系统从而使得元件正常运行；所述数据采集系统处理来自所述接收器的接收信号并且将处理结果送到显示系统。
【专利说明】
无人船船体中裂缝扩展的超声探测器
技术领域
[0001] 本发明涉及无人船船体裂缝扩展的检测，特别涉及采用超声的方法进行无人船船 体裂缝扩展探测及相应的超声裂缝扩展探测器。
【背景技术】
[0002] 无人机与无人驾驶汽车在科技界呼风唤雨，风头出尽，相较之下，低调的无人船知 名度稍逊一筹。在小说中，无人船始终笼罩着一丝神秘气息，著名的"幽灵船"是作家虚构航 海故事的经典素材，而在现实中，无人船是各国军事领域的心头宝，是科技竞争的重要技 术。目前无人船处于高速发展的时期，然而无人船在下水试航之前以及水上作业的时候，仍 然面临很多技术瓶颈没有解决。
[0003] 无人船，顾名思义，无需人类驾驶员对其进行操控，其要独自面对严酷的海上或者 其他水上条件，因此对船体的坚固性要求非常高，而无人船在下水试航之前必须对船体裂 缝扩展进行严格的检查，否则遇到极端气候和水文环境下，只能抛弃无人船，经济损失非常 可观。
[0004] 通常，无人船体的水下检测由潜水员或遥控潜水船实施，除了目视检查外，还使用 闭路电视，磁粉等技术，但这些检测费用昂贵，对潜水员具有危险，检测效果很大程度上取 决于季节和气候条件，常规方法不能在疲劳早期破坏阶段被及时的查处并立即进行修理和 微笑，并且无人船钢材腐蚀疲劳裂缝扩展通常会随着时间扩展，因此本发明提供了一种采 用超声波形式进行监测的技术构思。

【发明内容】

[0005] 因此本发明的目的一方面在于提供一种无人船船体中裂缝扩展的超声探测方法， 包括如下步骤：
[0006] (1)收集样品作为检测物体，建立探针阵列，向样品内发射超声波，设置收发器以 及用来显示接收到的信号的显示系统；
[0007] (2)将所述探针阵列放置在样品的一个缺陷探测近表面并产生响应于收发器所提 供的驱动信号的超声波，探针阵列发出的超声波透过样品传播，探针阵列检测反射波；
[0008] (3)根据所检测到的反射波回声，由探针阵列产生相应的接收信号，接收信号被输 入到收发器；
[0009] (4)收发器包括计算机，延时控制器，脉冲器，接收器以及数据采集系统，将来自脉 冲器的驱动信号发送到探针阵列，而相应的由接收器处理探针阵列输出的接收信号，其中 计算机控制延时控制器，脉冲器，接收器以及数据采集系统从而使得元件正常运行；
[0010] (5)数据采集系统处理来自接收器的接收信号并且将处理结果送到显示系统；其 中当获得作为缺陷指示的回声后处理接收信号的过程如下：
[0011] (5-1)首先，采用普通角度缺陷检测技术检查指示的存在与否，成角度的轴向波缺 陷检测技术中的角度设定为大约45度，或者调整超声波传感器或探针的位置以形成成角度 的纵向波技术的指示结果会在区域A的附近被显示出来，其中区域A范围定义为:将远端表 面的深度乘以l/cos45获得45度回声的传播距离，同时，多次回声的传播时间近似为相应远 端表面的1.5倍；
[0012] (5-2)然后，检查区域B中的回声是否出现从而确定由ID蠕变波导致的回声是否出 现，其中区域B范围定义为:采用ID蠕变波进行缺陷存在与否的判断中，假设用于成角度的 轴向波缺陷探测的探针阵列位于角度大约为45度的位置处；
[0013] (5-3)最后，检查区域C中的回声是否出现从而确定波型转换波导致的回声是否出 现，其中区域C范围定义为:使用波型转换波判断缺陷是否存在中，成角度的纵向波缺陷检 测使用的探针阵列假定放在大约为45度的位置处；
[0014] (5-4)当步骤(5-1)-(5-3)中任意一个步骤发现信号，指示认为是裂缝缺陷导致 的。
[0015] 2、优选的，延时控制器控$lj脉冲器输出驱动信号的时间并控制接收器(102D)发出 的接收信号的输入时间，这样可以根据相控阵技术获得探针阵列的操作。
[0016] 优选的，其中回声的次数，由超声波裂缝扩展探测用的探针阵列所引起的多底部 回声的次数直接获得或者通过使用沿垂直方向能发出超声波的额外的探针测量多底部回 声的次数并使用所测量的次数获得，或者在样品内的轴向/剪切波速以及样品的壁厚已知 的情况下，通过将壁厚除以轴向/剪切波速的计算方式获得。
[0017] 优选的，使用具有最优截面母线的探针阵列，即获得纵向波和剪切波两者主束的 传输以及刺耳声音突起的减少，相应于纵向波的壁厚总和情况下的往返传播时间以及剪切 波壁厚情况下往返传播时间的时间范围内的接收信号在屏幕上显示。
[0018] 优选的，其中步骤(5-2)中检测用0D蠕变波从角裂表面进行传播的总次数导致的 回声是否出现进行判断。
[0019] 本发明的另一个目的在于提供一种执行无人船船体中裂缝扩展的超声探测方法 的超声裂缝扩展探测器，包括探针阵列，用于向样品内发射超声波，提供驱动信号用超声波 并且接收由探针阵列产生相应的接收信号的收发器以及用来显示接收到的信号的显示系 统;收发器包括计算机，延时控制器，脉冲器，接收器以及数据采集系统，将来自脉冲器的驱 动信号发送到探针阵列，而相应的由接收器处理探针阵列输出的接收信号，其中计算机控 制延时控制器，脉冲器，接收器以及数据采集系统从而使得元件正常运行;数据采集系统处 理来自接收器的接收信号并且将处理结果送到显示系统。
[0020] 优选的，探针阵列基本上由多个超声波传感器元件组成。
[0021] 优选的，超声波传感器元件为合成压电体，其包括一个ΡΖΤ压电陶瓷，嵌入到聚合 体材料内。
[0022] 根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明 了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0023] 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些 附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显， 附图中：
[0024] 附图1为一框图，用来解释根据本发明的第一实施例的无人船船体超声波裂缝扩 展探测方法以及超声波探测器。
[0025] 附图2为一框图，表示本发明第一实施例中使用的探针(超声波传感器)阵列的组 成实例；
[0026]附图3A-3C是一图表，用来解释超声波传感器产生的纵向波/剪波主束和刺耳声音 突起;其中A:剪切波刺耳声音突起;B:剪切波主束;C:纵向波主束，附图3A，3B，3C绘制条件 为:单元节距:1/2波长;1/3波长和1/4波长，
[0027]横轴均为:样品的入射角(度）；纵轴均为:相关幅值；
[0028]附图4是原理图，用于解释ID蠕变技术；
[0029]附图5为原理图，用来解释波型转换技术；
[0030]附图6为一表格，用来解释纵向波/剪波速度以及不同固体内的波速；
[0031]附图7为一原理图，用来解释角度裂缝扩展探测技术；
[0032]附图8A-8E为原理框图，表示样品内的多反射底面回波及显示图像；
[0033]附图9为原理框图，表示本发明第一实施例中所使用的显示方法；
[0034]附图10为原理图，表示本发明第二实施例中使用的显示方法。
【具体实施方式】
[0035] 现在参考附图，根据本发明将给出细节的描述。每张图上用框表示出来的样品也 代表管状样品沿着轴向的断面以及那个断面形状的样品。
[0036] 实施例1
[0037] 附图1为一框图，用来解释根据本发明的第一实施例的无人船船体的超声波裂缝 扩展探测方法以及超声波探测器。附图1中表示的实施例包括样品1〇〇作为检测物体，探针 阵列101，向样品100内发射超声波，收发器102以及显示系统103,用来显示接收到的信号。 第一实施例中，对用来寻找通向样品100的远端表面的裂缝扩展(裂缝扩展）的裂缝扩展检 测实例会进行解释。
[0038] 探针阵列101放置在样品100的一个裂缝扩展探测表面(近表面)并产生响应于收 发器102所提供的驱动信号的超声波。探针阵列101发出的超声波透过样品101传播，探针阵 列101检测反射波。根据所检测到的反射波（回声）由探针阵列101产生的接收信号被输入到 收发器102。
[0039] 收发器102包括计算机102A，延时控制器102B，脉冲器102C，接收器102D以及数据 采集系统102E。来自脉冲器102C的驱动信号发送到探针阵列101，而相应的由探针阵列101 输出的接收信号由接收器102D处理。
[0040]计算机102A控制延时控制器102B，脉冲器102C，接收器102D以及数据采集系统 102E从而使得元件正常运行。
[00411 延时控制器102B控制脉冲器102C输出驱动信号的时间并控制接收器102D发出的 接收信号的输入时间，这样可以根据相控阵技术获得探针阵列的操作。
[0042]数据采集系统102E处理来自接收器102D的接收信号并且将处理结果送到显示系 统103。显示系统103的操作在下面将会详述。
[0043] 接下来，探针阵列101的操作将参考附图2进行详述。附图2为原理图，表示探针阵 列101的大部分基本组成。如图2所示，探针阵列基本上由多个超声波传感器元件201组成。
[0044] 在该实施例中，合成压电体(也被称为"合成体"）包括一个PZT压电陶瓷，嵌入到聚 合体材料内，用于超声波传感器元件201的实例。这种情况下，确定探针阵列101的性能的参 数包括单元节距P。
[0045] 截面母线P是一个长度，通过将超声波传感器元件201的元件宽度W加上两个元件 之间的间隙G获得的。单元节距P是一个确定探针阵列101的主束生成和刺耳声音突起的主 要因子。
[0046] 正如【背景技术】中所述的，传统的技术关注纵向波的生成，因而用于产生纵向波的 超声波传感器元件的设计主要关注在由元件发出的超声波的重叠生成的纵向波上。因此， 为了防止关于纵向波的刺耳声音突起(超声波没有按照期望的入射路径方向传播)产生，单 元节距通常设为波长的1/2。
[0047] 这里，将参考附图3A，3B和3C解释单元节距的作用。首先，表示出计算包括24个元 件的探针阵列所产生的包括以60度角在铁内传播的纵向波的超声波。
[0048]附图3A表示将传统的探针阵列内的单元节距设定为波长1/2时获得的主束和刺耳 声音突起。附图3B表示将单元节距长度减少到波长的1/4的情况。附图3C表示本发明提出的 单元节距使用的长度(波长的1/3)。
[0049]如图所示，传统的单元节距（1/2波长）以及本发明的单元节距（1/3波长)都会在预 定方向60度处产生主束(纵向波）。
[0050]然而，如果我们将关注点放在和纵向波同时产生的剪切波，尽管波应当仅仅包括 沿着近似29度的方向传播的主束，但图3A中使用传统单元节距仍可看到在近似一 40度处产 生的其他剪切波(刺耳声音突起）。
[0051]同时，在附图3C使用本发明的单元节距（1/3波长)的情况下，即使由探针阵列生成 的剪切波仅包括主束，可以看到本发明的截面主束也同样满足关于剪切波的情况。
[0052]附图3B的情况下，单元节距长度进一步从1/3波长减少，因为在纵向波和剪切波中 都没有刺耳声音突起产生，因此也没有什么特殊的问题。然而，如果我们注意一下纵向波， 在图3B中沿着60度方向（此后称为"辐射仰角"）传播的主束的一半宽度位置比在附图3C中 变得更宽(近似20度）。由于辐射仰角的加宽，接收信号（来自反射器的回声)方向的确定变 得困难。
[0053]然而，为了使用探针阵列实施ID蠕变技术或者波型转换技术来产生纵向超声波和 剪切波，有必要在保持辐射仰角在一定范围的情况下使生成的纵向波和剪切波仅包含主 束，这样反射器接收的回声方向能够确定。
[0054]基于上述理由，本发明使用当纵向波沿着90度方向传播的时候，不会在剪切波角 度范围(剪切波临界角）内生成刺耳声音突起的条件作为确定单元节距的标准。
…（4)
[0056]其中〃λ〃表示样品中纵向波的波长，"V 〃表示样品中纵向波的波速，〃Vs 〃表示样品 中蠕变波的波速。
[0057]纵向波速V和固体中的蠕变波速Vs之间的比率(V/Vs:波速比）如图6所示在很多金 属体内大约为2。
[0058]因此，归纳总结公式(4)的结果，本发明认为最佳的单元节距大约为纵向波波长的 1/3 (从1/4波长到1/2波长）。
[0059] 例如，当样品内的纵向波速为6000m/s并且这种情况下使用的超声波频率为2MHz， 可以选择1. 〇mm的单元节距作为本发明实施例的最优单元节距。
[0060] 这种情况下，采用截面宽度w=0.9mm以及两者间隙G = 0.1mm。例如，没有刺耳声音 突起的纵向超声波和剪切超声波均可被发送和接收。
[0061] 接下来，根据本发明的实施例用于将裂缝扩展探测结果进行显示的方法将在如下 进行描述。蠕变波和波型转换波的特征在于样品中的剪切波的传播速度比轴向波的波速 低。
[0062] 因此，ID蠕变波和波型转换波需要更多的传播时间，直到探针接收到反射波，与通 常的成角度纵向波裂缝扩展探测技术相比，后者仅处理纵向波的传播。
[0063]附图7表示45度成角度纵向波（以45度角发射和接收纵向波)技术下纵向波传播路 径的简图，这一技术被广泛应用于成角度纵向波技术。这种情况下，超声波传感器发出的纵 向波701到达反射器702,由反射器顶端的一角反射，回到超声波传感器成为纵向波703,然 后由超声波传感器以信号接收。
[0064]与附图7中的45度角纵向波技术相比，参考附图4,5的解释看到本发明的ID蠕变技 术或者波型转换技术的传播路径更加复杂并且更长。因此，为了适当的显示反射波（回声）， 有必要根据一定的传播时间在一段适当的时间周期持续显示回声。
[0065] 因此，在该实施例中，关于样品中产生的多底面回波的时间长度用于作为确定波 形显示传播时间的标准。附图8A-8E为原理图，表示相控阵技术(电子扫描超声波的入射角） 在扁平样品内获得多底面回波可视化以及多反射的传播路径实例。
[0066] 探针阵列放置在样品的近表面，样品的近表面和远端表面之间形成多次反射。附 图8A-8E按照传播时间的升序总结了多次反射中所包含的回声类型。多底面回波来自与五 个事件，实际上由探针阵列接收。
[0067] 因此，本发明的实施例中，ID蠕变波和波型转换波的可识别性在考虑到如下五个 时间长度的情况下有所增加。
[0068] 对应于纵向波的在壁厚情况下往返传播时间的第一反向回音时间；（附图8A)
[0069] 对应于纵向波的壁厚情况下单程传播时间和对应于剪切波的壁厚单程传播时间 的时间的总和；（附图8B)
[0070] 对应于纵向波在两倍壁厚情况下往返传播时间的第二反向回音时间；（附图8C) [0071 ]对应于纵向波三倍壁厚情况下单程传播时间和对应于剪切波的壁厚单程传播时 间的时间；（附图8D)
[0072]对应于纵向波的壁厚情况下往返传播时间和对应于剪切波的壁厚往返传播时间 的时间总和(附图8E)
[0073]这里，附图1中的显示系统103中所示的线110代表对应于纵向波往返传播时间的 时间（第一底面回波）（对应附图8A或者（1))。换句话说，线110代表样品的远端表面。类似 的，线111代表对应于附图8B或者（2)的时间，线112代表对应于附图8C或者（3)的时间，线 113代表对应于附图8D或者(4)的时间，线114代表对应于附图8E或者(5)的时间。
[0074]作为根据本发明的用于显示结果的显示方法，与多底面回波的时间长度(或者由 时间长度乘以波速获得的距离)相对应的线，如图1中所示的，或者与多回声时间长度(或者 由时间长度乘以波速获得的距离)相对应的同心圆。将两种显示方法进行结合也是可能的。
[0075] 接下来，根据本发明的实施例的波形识别方法实例将参考附图9进行说明。在这一 实例中，设定超声波裂缝扩展检测方法的执行对象为通向其远端表面的具有裂缝扩展(裂 缝扩展）的样品。当获得作为裂缝扩展指示(此后被称为"指示"）的回声，附图9中所示的区 域要检查是否存在裂缝扩展，流程如下：
[0076] 首先，采用普通角度裂缝扩展检测技术(S904)检查指示的存在与否，成角度的轴 向波裂缝扩展检测技术中的角度设定为大约45度，或者调整超声波传感器(探针）的位置这 样成角度的纵向波技术的指示结果会在区域901的附近被显示出来，如附图9(S905)所示. [0077] 最后，检查区域903中的回声是否出现从而确定由ID蠕变波（S906)导致的回声是 否出现。最后，检查区域902中的回声是否出现从而确定波型转换波(S907)导致的回声是否 出现。
[0078]当步骤S904，S906或者S907中发现信号，指示认为是裂缝扩展导致的。
[0079] 这里，在解释使用指示具体的进行裂缝扩展检测的实例之前，附图9中每个步骤中 每个信号出现的区域(即附图9中的区域901，902和903)的特征将进行详细解释。
[0080] 〈区域 901>
[0081]将远端表面的深度乘以l/c〇s45获得45度回声的传播距离。同时，多次回声（1)的 传播时间近似为相应远端表面的1.5倍，因为固体中的纵向波速V和剪切波速Vs之间的比值 V/Vs近似为2,如图6所示。
[0082] 由于两个传播时间近似相等，在大约45度处收到的反射波(纵向波)在区域901的 附近显示(其中对应于多次回声(2)的弧线B与45度线相交）。
[0083] 〈区域903>
[0084] 采用ID蠕变波进行裂缝扩展存在与否的判断中，假设用于成角度的轴向波裂缝 扩展探测的探针阵列位于图7所示的角度Θ处，大约为45度。
[0085] 所以，ID蠕变波引起的回声在区域903(被两个传播时间（附图8C和附图8E)以及ID 蠕变波的裂缝扩展探测角度(70度和90度)边界包围）内显示，并且基于区域内的信号是否 出现判断是否存在裂缝扩展。
[0086] 〈区域902>
[0087] 使用波型转换波判断裂缝扩展是否存在中，成角度的纵向波裂缝扩展检测使用的 探针阵列假定放在图7所示的角度位置处，大约为45度。
[0088]所以，波型转换波波引起的回声在区域902(被两个传播时间（附图8B和附图8D)以 及波型转换波的裂缝扩展探测角度(大约60度)边界包围）内显示，并且基于区域内的信号 可以判断裂缝扩展的近似高度。
[0089]波型转换波发出的允许接收回声的裂缝扩展高度，波速比V/Vs分别为2,1.5和2.5 的情况。图表中，纵向波速V固定在5900m/s并且剪切波波速根据波速比V/Vs改变。尽管三种 情况下由于波速比V/Vs不同（2+/-0.5)而略有差异，然而当裂缝扩展高度接近船体厚度1/3 或者更多的情况下，由波型转换波引起的回声能够被接收。
[0090] 显示屏幕上，样品的近表面和信号显示区域(对应入射角度范围和超声波的传播 时间呈扇形)进行显示。例如，如设角度范围设定到一5度到85度，传播时间设定为相应于纵 向波的总船体壁厚度情况下往返传播时间以及剪切波的船体壁厚度情况下往返传播时间 的时间。
[0091] 在信号显示区域，由于样品的近端表面和远端表面之间产生的多个回声从而产生 的接收信号显示为多底面回波信号。在这种情况下，裂缝扩展探测结果能够粗略的分成如 下三组。
[0092]第一组是如下情况，其中成角度的纵向波技术(大约45度）中的指示在区域901中 显示（已经参考附图9进行解释），ID蠕变波产生的指示在区域903中显示(也参考附图9进行 解释），以及波型转换波产生的指示在区域902中显示(也参考附图9进行解释）。
[0093] 这种情况下，由于指示的获得是通过成角度的纵向波和ID蠕变波两种，因此经过 考虑的那部分(其中裂缝扩展可能已经产生)所发出的回声经过判断应当由裂缝扩展引起。 由于也接收了波型转换波，裂缝扩展高度为船体厚度的1/3或者更多，因此裂缝扩展被认为 是相对大的裂缝扩展。
[0094] 第二组是如下情况，其中在区域901和903中获得指示(参见附图9)，在区域902中 没有获得指示。
[0095] 这种情况下，由于成角度的纵向波和ID蠕变波都可以提供指示，指示经过判断认 为由裂缝扩展引起。
[0096]然而，在考虑中的裂缝扩展经过判断是一个相对小的裂缝扩展，具有比船体的高 度1 /3略小的高度，因为区域902中没有接收到来自波型转换波形的任何回声。
[0097]第三组是如下情况，其中仅仅由成角度的纵向波提供的指示在区域901中显示(参 见附图9)。这种情况下，由于某些种类的指示由成角度的纵向波获得，某类反射器可能处于 考虑中的部分内（其中裂缝扩展可能已经产生）；然而，反射器经过判断不是裂缝扩展。
[0098] 这些反射器而非裂缝扩展包括，例如，由于焊接或者其他处理引起的样品（来自无 人船船身）的远端表面变形或者污点。
[0099] 这里，当第一种和第二种情况下样品的远端表面存在裂缝扩展，可以获得来自成 角度的纵向波和ID蠕变波两者的回声。
[0100] 同时，当变形部分，例如由于焊接导致的可穿透卷边，存在于样品的远端表面，会 接收到成角度的纵向波产生的指示。样品没有从远端表面垂直扩展的裂缝扩展样反射器。 [0101]因此，ID蠕变波不会在这一反射器(焊接引起的可穿透卷边等)上发生反射，而不 是由于ID蠕变波或者波型转换波导致的裂缝扩展所引起的没有指示产生。
[0102]另一方面，当样品被鉴定为具有裂缝扩展，裂缝扩展(裂缝扩展）的高度估计基于 成角度的纵向波(基于来自裂缝扩展尖端的回声3102以及来自角裂的回声3101)引起的区 域901内显示的回声。
[0103]这里，当使用不恰当的单元节距(根据本发明的实施例，与最优单元节距不同）时， 由于没有适当的单元节距，使能纵向波以及剪切波以预定角度的传输，样品内产生刺耳声 音突起，因此多底面回波信号根据不同于预定教的角度在屏幕的一些部分上显示。
[0104]由于刺耳声音突起(如屏幕上的噪声）引起的信号影响区域901，902和903内产生 信号是否出现的判断。
[0105] 如前所述，根据本发明的第一实施例，使用具有最优截面母线的探针阵列(获得纵 向波和剪切波两者主束的传输以及刺耳声音突起的减少），相应于纵向波的壁厚总和情况 下的往返传播时间以及剪切波壁厚情况下往返传播时间的时间范围内的接收信号在屏幕 上显示，五个多次底部回声(附图8A-8E)以及超声波的入射角尤其需要考虑接收信号，这样 即使使用探针阵列，也可以提供具有日益增长的可靠性，除了普通的成角度纵向波技术外 还能够实现ID蠕变波技术以及波型转换技术的超声裂缝扩展探测方法以及超声波裂缝扩 展检测器。
[0106] 另外，由于多次底部回声的次数直接从由探针阵列引起的多次底部回声获得，其 中探针阵列用于附图1，8A_8E等实例中的超声波裂缝扩展探测，本发明的实施例中，也有可 能通过在垂直方向使用探针发射超声波测量多次底面回声的次数并且使用所测量的测试。
[0107] 同时，当样品内的纵向/剪切波速以及样品的壁厚已知，通过计算也能够获得多次 底面回声的次数(通过将壁厚除以纵向/剪切波速等）。当如下情况下，其中样品内的剪切波 速不知道，那么纵向波速的一半可用于剪切波速的粗略估计。
[0108] 实施例2
[0109] 接下来，超声波裂缝扩展探测适用于当样品具有通向其近表面的裂缝扩展(裂缝 扩展）的情况下，这将作为本发明的第二实施例进行描述。第二实施例中的探针阵列以及 用于裂缝扩展探测的系统组成与第一实施例是相同的。
[0110] 因此下面的细节解释将主要基于裂缝扩展探测结果显示以及波形的识别。采用成 角度的纵向波技术进行的裂缝扩展探测中超声波传输路径用于寻找通向样品近表面的裂 缝扩展(裂缝扩展），有两种情况，一种是裂缝扩展高度(深度)相对较小，另一种是裂缝扩展 高度相对较大。
[0111] 裂缝扩展高度很小，超声波传感器发出的纵向波被反射到裂缝扩展反射器的角附 近，并且反射的纵向波直接返回到超声波传感器并作为信号被接收。
[0112] 纵向波以对应入射角度的方向传播，大约在70度到90度之间。这样的纵向波被称 为"0D蠕变波"。
[0113] 裂缝扩展高度很大，超声波传感器发出的纵向波被反射到裂缝扩展反射器的尖端 附近，并且反射的纵向波直接返回到超声波传感器并作为信号被接收。纵向波的入射角 1804大约为60度(近似在45度和70度之间）。
[0114] 当反射器为具有一定高度(深度)的裂缝扩展，纵向波在通向顶端的途中达到裂缝 扩展的顶端或者裂缝扩展表面的某处。裂缝扩展反射的纵向波直接穿过样品回到超声波传 感器并作为反射波（回声)从裂缝扩展处被接收到。
[0115] 然而，当反射器的高度相对较小，裂缝扩展，纵向波(在样品的远端表面由剪切波 通过波型转换生成)不能达到裂缝扩展的顶端，顶端不会产生返回超声波传感器的超声波。
[0116] 如前所述，利用波型转换技术的裂缝扩展检测用于寻找通向样品近表面的裂缝扩 展(来自可能具有明显裂缝扩展的表面的波型转换裂缝扩展检测），可以评估潜在的裂缝扩 展是否具有相当大的高度(近似为壁厚的2/3)。
[0117] 接下来，当执行裂缝扩展探测为了寻找通向样品近表面的裂缝扩展的情况下，波 形识别方法为，假定执行超声波裂缝扩展探测用于具有通向其近表面的裂缝扩展(裂缝扩 展)的样品测试。当获得可能预示有裂缝扩展的回声(指示），根据如下流程判断是否存在裂 缝扩展。
[0118] 首先，指示存在与否由普通成角度的裂缝扩展探测技术检查(S2004)。这一步骤 中，已经在裂缝扩展(裂缝扩展)的尖端附近或者角附近被反射的回声根据裂缝扩展高度被 检测，如上面所述。
[0119] 随后，超声波传感器的位置进行调整这样好像来自裂缝扩展尖端的指示将区域 2001附近显示或者这样好像来自角裂的指示将区域2003附近显示(S2005)。
[0120]最后，将会检查区域2002中是否出现回声从而确定由波型转换波引起的回声是否 出现(S2006)。当步骤S2004或步骤S2006中发现信号，就认为指示是由于裂缝扩展引起的。
[0121] 这里，在使用指示解释裂缝扩展探测的具体实例之前。信号中每个步骤所出现的 每个区域(2001，2002,2003)特点将进行解释。
[0122] 采用成角度的纵向波裂缝扩展探测方法回声从裂缝扩展的尖端的进行传播的总 次数，也就是路径总和以及多次底面回声的传播次数，以及采用0D蠕变波方法回声从角裂 表面进行传播的总次数。
[0123] 另外，当波速比V/Vs*别为2，1.5和2.5，纵向波速V设定在5900m/s并且剪切波速 Vs根据波速比V/Vs而变化。
[0124] 区域2001
[0125] 成角度的裂缝扩展探测用于选择来自样品的裂缝扩展开放表面一侧的裂缝扩展 (通常的固体具有的波速比范围在2+/-0.5)，来自裂缝扩展尖端的回声的传播时间具有一 定的传播路径，来自角裂的回声的传播时间具有一定的传播路径，该回声来自0D蠕变波(纵 向波70度一 90度)与样品中第一底面回声（附图8A)的传播时间类似。
[0126] 特别地，在60度纵向波的情况下也满足这一关系(波型转换波之间很重要）。因此， 成角度的纵向波技术获得的回声之外，0D蠕变波引起的角裂的回声在区域2003的附近(此 处纵向波的壁厚情况下的往返传播时间（附图8A)与一个角度范围相重叠，折射角度大致为 70度和90度之间）显示，并且成角度的纵向波引起的裂缝扩展尖端回声在区域2001附近(此 处壁厚情况下的往返传播时间（附图8A)与一个角度范围相重叠，折射角大约为60度）显 不。
[0127] 区域2002
[0128] 使用波型转换波判断裂缝扩展是否存在的过程中，假定成角度的纵向波裂缝扩展 探测产生的指示已经在区域2001中进行显示或者在区域2001的附近进行显示。
[0129] 普通固体的波速比率V/Vs大约在2+/-0.5的范围内，即使成角度的纵向波技术中 用于接收裂缝扩展尖端回声的裂缝扩展探测角度会偏离60度大约5度，波型转换波的往返 传播时间仍处于对应以下两个时间之间的时间：纵向波在三倍壁厚情况下单程传播时间与 剪切波在壁厚情况下的单程传播时间之和（附图8D)以及相应于纵向波在壁厚情况下的单 程传播时间与剪切波在壁厚情况下的单程传播时间（附图8B)。
[0130]所以，波型转换波引起的回声会在区域2002(被两个传播时间（附图8B和附图8D) 以及波型转换波的裂缝扩展探测角度边界(大约60度)包围）内进行显示，并且裂缝扩展的 近似高度可以基于区域内信号是否出现进行判断。
[0131]允许接收波型转换波引起的回声的裂缝扩展高度，其中波速比V/Vs分别为2,1.5 和2.5的情况，纵向波速固定为5900m/s并且剪切波速根据波速比V/Vs而变化。尽管由于三 种情况下波速比V/Vs的不同（2+/-0.5)而略存在差别，但是当裂缝扩展高度近似为壁厚的 2/3或者更多的情况下波型转换波引起的回声也可以被接收。
[0132]接下来，根据实施例的裂缝扩展判断方法，针对附图中的裂缝扩展探测执行时，传 感器(探针）阵列放置在样品上，参考附图1进行解释，并且样品内可能存在的裂缝扩展(裂 缝扩展)假定是通向样品的近表面。
[0133] 显示屏上，显示样品的近表面和信号显示区域（与入射角范围和超声波传播时间 相应成扇形）。
[0134] 例如，入射角设定的范围在一5度到+85度，并且根据纵向波在比后情况下往返传 播时间以及剪切波壁厚情况下往返传播时间的总和设定传播时间。
[0135] 在信号显示区域，由于样品的近表面和远端表面之间产生的多次反射而接收到信 号作为多次底面回声信号进行显示。这种情况下，裂缝扩展探测结果可以粗略的分为下列 三组。
[0136] 第一组情况是，成角度的纵向波技术(大约为70度一 90度)形成的看起来来自样品 的角裂附近的一部分的指示在区域2003内显示，成角度的纵向波技术形成的看起来来自裂 缝扩展尖端的指示在区域2001内显示。并且由波型转换波形成的指示在区域2002内显示。
[0137] 这种情况下，由于看起来来自角裂的指示是通过带角度的纵向波技术获得的，来 自需要考虑部分(其中裂缝扩展可能已经发生)的回声经过判断认为由裂缝扩展引起。由于 波型转换波引起的指示也被接收，经过判端后裂缝扩展为相当大的裂缝扩展，所煽油的高 度(即从近表面测量的深度)大约为壁厚的2/3或者更多。
[0138] 这一步骤中，由纵向波技术获得的指示看起来来自与裂缝扩展间断部分，如果对 指示进行估计获得的裂缝扩展深度与波型转换波所估计的（壁厚2/3或者更多）一致，那么 裂缝扩展高度(深度)基于成角度的纵向波技术获得的来自裂缝扩展尖端部分的回声进行 评估。
[0139] 如果两个估计值不一致，那么看起来来自裂缝扩展尖端部分的回声已经捕获裂缝 扩展尖端，因此需要其他详细的裂缝扩展检测。
[0140] 第二组是如下情况，其中区域2001和2003区域内可以获得指示而区域2002内不能 获得指示。
[0141] 这种情况下，由于看起来来自角裂部分的指示由成角度的纵向波技术获得，经过 判断认为指示是由于裂缝扩展存在引起的。但是，研究中的裂缝扩展是具有高度小于壁厚 2/3的相对小的雷锋，因为区域2002内没有接收来自波型转换波的回声。
[0142] 这一步骤中，如果由成角度的纵向波技术获得的看起来来自裂缝扩展尖端部分的 指示经过评估获得的裂缝扩展深度与波型转换波的估计值(小于壁厚2/3) -致，裂缝扩展 高度(深度)基于成角度的纵向波技术获得的来自裂缝扩展尖端部分的回声进行评估。
[0143] 如果两个估机值不一致，那么看起来来自裂缝扩展尖端部分的回声已经捕获裂缝 扩展尖端，因此需要其他详细的裂缝扩展检测。
[0144] 第三种情况是，仅由成角度的纵向波获得指示在区域2001中进行显示。
[0145] 在裂缝扩展检测的目的是寻找通向样品近表面的裂缝扩展的情况下(对可能具有 明显裂缝扩展的表面进行裂缝扩展检测），在很多情况下可能使用有别于超声波裂缝扩展 探测技术的其他技术(例如，液体侵入式泄漏检测，涡流裂缝扩展检测，肉眼或者相机的外 观检查)获得角裂的位置。
[0146] 如果其他技术获得的裂缝扩展位置与由超声波裂缝扩展探测技术获得的结果一 致，那么区域2001内显示的指示可以认为式来自角裂附近的样品的那一部分发出的回声。
[0147] 另外，如果超声波裂缝扩展检测到的裂缝扩展位置与其他技术获得的结果相悖， 那么区域2001内显示的指示可能不是来自角裂的回声，因此有必要需要其他的裂缝扩展探 测。前面的情况中，超声波裂缝扩展探测到的裂缝扩展位置与其他技术获得的结果一致，经 过判断确定裂缝扩展为相对小的裂缝扩展，裂缝扩展高度小于壁厚的1/3,因为成角度的纵 向波技术没有从裂缝扩展尖端部分获得回声，也没有接收到波型转换波发出的回声。
[0148] 如果可能，最好将区域2001内所显示的回声和其他技术获得的裂缝扩展位置针对 第一和第二中情况进行比较(针对第三种情况在上面进行了解释），从而确定结果之间没有 相悖的地方。
[0149] 在经过判断确认样品具有裂缝扩展的情况下，裂缝扩展(裂缝扩展)的高度可以进 行估计。
[0150] 同样在第二实施例中，为了寻找通向样品的近表面的裂缝扩展，如果探针阵列使 用的单元节距不同于最适合用于减少刺耳声音突起的单元节距，那么与第一实施例类似 地，可能回影响区域2001，2002和2003内信号是否出现的判断。
[0151]如上所述，根据本发明的第二实施例，也是用于寻找通向样品的近表面的裂缝扩 展(可能具有明显裂缝扩展的表面的裂缝扩展探测），其中所使用的探针阵列具有最优减少 刺耳声音突起的截面母线，并且能够将纵向波和剪切波两者的主束都发送出去，还可以将 与如下时间，即纵向波的壁厚情况下往返传播时间以及剪切波壁厚情况下往返传播时间的 总和相对应的时间范围内所接收到信号进行显示，对于接收信号，尤其需要考虑五个多次 底面回声(附图8A-8E)以及超声波的入射角，通过所接收的信号提供具有更高可靠性，即使 使用探针阵列也能够实现除了普通的成角度纵向波技术之外的波型转换技术的超声波探 测方法。
[0152] 另外，正如附图1，10等所示的多底部回声的次数，不直接获得由超声波裂缝扩展 探测用的探针阵列所引起的多底部回声的次数，也可能通过使用沿垂直方向能发出超声波 的额外的探针测量多底部回声的次数并使用所测量的次数。
[0153] 同时，在样品内的轴向/剪切波速以及样品的壁厚已知的情况下，多底部回声也可 以通过计算获得(将壁厚除以轴向/剪切波速等）。
[0154] 当样品中的剪切波速未知，纵向波速的一半或许可以用来作为剪切波速的粗略估 计。
[0155] 虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例 的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的 保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。
【主权项】
1. 一种无人船船体中裂缝扩展的超声探测器，其特征在于:包括探针阵列（101)，用于 向所述样品（100)内发射超声波，提供驱动信号用超声波并且接收由探针阵列（101)产生相 应的接收信号的收发器（102)以及用来显示接收到的信号的显示系统（103);所述收发器 (102)包括计算机（102A)，延时控制器（102B)，脉冲器（102C)，接收器（102D)以及数据采集 系统（102E)，将来自所述脉冲器（102C)的驱动信号发送到所述探针阵列（101)，而相应的由 所述接收器(102D)处理所述探针阵列（101)输出的所述接收信号。2. 根据权利要求1所述的超声裂缝扩展探测器，其特征在于:其中所述计算机（102A)控 制所述延时控制器(102B)。3. 根据权利要求2所述的超声裂缝扩展探测器，其特征在于:所述脉冲器（102C)，所述 接收器(102D)以及所述数据采集系统（102E)从而使得元件正常运行。4. 根据权利要求3所述的超声裂缝扩展探测器，其特征在于:所述数据采集系统（102E) 处理来自所述接收器(102D)的接收信号并且将处理结果送到显示系统（103)。5. 根据权利要求4所述的超声裂缝扩展探测器，其特征在于:所述探针阵列基本上由多 个超声波传感器元件(201)组成。6. 根据权利要求5所述的超声裂缝扩展探测器，其特征在于：所述超声波传感器元件 (201)为合成压电体，其包括一个PZT压电陶瓷，嵌入到聚合体材料内。
【文档编号】G01N29/44GK106018560SQ201610458106
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】杨越
【申请人】杨越