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钛合金小直径棒材超声成像检测方法研究

作　者: 赵高远
导　师: 卢超
学　校: 南昌航空大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 钛合金TC11 小直径棒材超声检测声场模拟合成孔径聚焦成像非线性无损检测
分类号: TG115.285
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钛合金小直径棒材成像检测是超声无损检测中的一个难点，在小直径棒材检测中不仅存在盲区问题，还有钛合金粗晶材料散射导致的信号的噪声过大等问题。TC11钛合金棒材是加工制作航空发动机零部件的主要原料，对TC11钛合金棒材的超声检测对于保证产品质量是有重要的意义。本课题采用理论分析、数值模拟和实验检测相结合的方法研究小直径TC11钛合金棒材的水浸聚焦超声成像检测方法。首先，本文从匹配滤波信号处理的角度简述了合成孔径聚焦的基本原理，在此基础上针对实际缺陷检测中存在的分辨率和信噪比之间的矛盾，提出开展在傅里叶域、基于相关性分析的非线性合成孔径聚焦成像算法，并给出了该算法的实际流程。为验证算法的有效性，采用Wave2000声学软件建立直径为24mm的钛合金棒材的水浸超声检测模型，并设置人工发射缺陷。通过激发超声波、获得棒材圆孔缺陷的反射回波信号，并进行合成孔径成像分析。其次，开展钛合金TC11小直径棒材超声合成孔径聚焦成像检测实验研究。基于PAC公司超声C扫成像装置建立了实验系统，设计加工了小直径棒材试样，加工制作了反射横孔和平底孔。实验结果表明，在系列A扫描回波数据的基础上，应用了合成孔径聚焦成像算法以达到优化成像的结果。该技术的优势在于小尺寸的探头单元与低频的换能器能得到较高的横向分辨率。合成孔径聚焦成像技术处理A扫描数据后能提高图像的横向分辨率、信噪比、清晰度增强；此外，合成孔径聚焦是基于时域信号的延时迭加算法，超声回波信号再通过傅里叶变化转化为频域空间的数据，迭加后再逆傅里叶变换；傅里叶重建图像数据可以得到一幅小直径棒材的二维图像。同时，考虑线性扫描信号的相关度因素，分析相邻扫描点接收的回波信号的相关系数值大小，经过相关性加权处理后的数据能增强缺陷周围处的缺陷信号的幅值水平；预处理后的数据再延时迭加得到的结果有利于消除材料本身的噪声杂波信号水平，对图像具有一定的优化作用。本课题的研究工作对小直径棒材的高精度超声自动成像检测与缺陷识别研究提供了理论和方法基础，具有一定的应用价值。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 超声无损检测概述  9-10
  1.2 超声成像技术简介  10-15
  1.3 钛合金棒材超声检测存在的问题  15-17
  1.4 本课题的主要内容  17-19
第2章超声成像检测理论基础  19-34
  2.1 超声检测基本理论  19-23
    2.1.1 固体中的声波方程  19-20
    2.1.2 超声波在异质界面处的反射和折射  20-21
    2.1.3 超声波介质中的衰减  21-23
  2.2 合成孔径聚焦（SAFT）超声成像理论  23-28
    2.2.1 接触模式的时域 SAFT 算法  23-25
    2.2.2 水浸模式的时域 SAFT 算法  25-26
    2.2.3 有效合成孔径长度  26-27
    2.2.4 合成孔径聚焦（SAFT）性能评价  27-28
  2.3 合成孔径聚焦改进算法  28-33
    2.3.1 Fourier 域重建算法基础理论  28-32
    2.3.2 基于相关性分析的非线性 SAFT  32-33
  2.4 本章小结  33-34
第3章小直径棒材成像检测分析  34-55
  3.1 引言  34
  3.2 超声成像系统的评价  34-37
    3.2.1 分辨率  34-36
    3.2.2 信噪比  36-37
  3.3 超声成像检测方案  37-43
    3.3.1 超声成像检测系统简介  37-39
    3.3.2 水浸聚焦超声检测  39-43
  3.4 棒材扫描成像检测结果与仿真分析  43-54
    3.4.1 有限差分基本理论  43-45
    3.4.2 数值仿真  45-50
    3.4.3 实验设计与结果分析  50-54
  3.5 本章小结  54-55
第4章棒材合成孔径超声成像方法  55-68
  4.1 引言  55-56
  4.2 时域-合成孔径聚焦成像  56-59
    4.2.1 数值仿真成像结果  56
    4.2.2 实验成像结果  56-59
  4.3 频域-合成孔径聚焦成像  59-63
    4.3.1 数值仿真成像结果  61-62
    4.3.2 实验成像结果  62-63
  4.4 非线性相关合成孔径聚焦成像  63-67
    4.4.1 信号相关性分析  63-64
    4.4.2 非线性权值函数  64-65
    4.4.3 非线性修正迭加成像结果  65-67
  4.5 结论  67-68
第5章结论与展望  68-69
  5.1 结论  68
  5.2 展望  68-69
参考文献  69-72
攻读硕士学位期间发表的论文情况  72-73
致谢  73-74

钛合金小直径棒材超声成像检测方法研究

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