车轮轮辋的超声相控阵检测研究

针对火车车轮检测中常规超声波探伤存在的检测灵敏度低、声束灵活性差、信噪比低等问题,研究了超声相控阵在火车车轮轮辋检测中的应用。该文介绍了超声相控阵检测技术的原理,并从超声相控阵换能器、硬件系统和软件系统三个方面阐述了火车车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统的研究过程。最后通过人工模拟缺陷的相控阵检测实验,测试了该检测系统的性能,验证了相控阵检测设备具有灵敏度高、声束可控性好和可靠性高等优点。     

基于电磁超声换能器的火车轮探伤研究

利用电磁超声探伤方法对检测火车轮表面及近表面缺陷进行实验探究,从而保证车轮质量,避免事故发生。文章介绍了火车车轮电磁超声探伤的原理和方法。根据电磁超声表面波辐射扩散角的分布情况,得出利用电磁超声表面波进行车轮踏面探伤的可行性。将制作的小巧换能器探头与便携式电磁超声探伤仪配合,能够实现对车轮的快速探伤检测。通过大量的车轮探伤实验,检出了典型车轮踏面缺陷。根据检测波形特点并结合生产工艺情况,分析得出产生缺陷的原因。研究表明:电磁超声无损检测方法能够快速、有效检出车轮踏面缺陷。     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

基于衍射波的孔类缺陷超声相控阵定量方法研究

针对常规超声检测方法对小孔型缺陷难以准确定量的问题,利用超声相控阵的声束偏转聚焦和成像技术,基于声波在体积缺陷处的衍射特性,提出采用一次反射回波和衍射回波来确定体积缺陷的直径尺寸。以横孔模拟孔型缺陷,利用动态光弹技术对声波入射横孔的传播规律进行研究,并采用超声相控阵对孔径为Φ1-Φ4mm不同埋深以及相同埋深下Φ0.8-Φ4.8mm的等差横孔进行了试验。研究结果表明利用本文提出的定量方法能快速有效的确定孔型缺陷直径尺寸,实际计算值与理论值误差较小,对相控阵的定量问题研究具有一定的参考价值。     

超声相控阵距离幅度曲线计算方法

超声相控阵偏转聚焦声场能量分布不均匀,造成不同位置的缺陷回波幅度差异,针对该缺陷量化问题,提出超声相控阵系统距离幅度曲线理论计算方法。在非近轴近似声场模型的基础上,结合缺陷散射模型来建立相控阵系统测量模型,再利用该方法来预测不同位置横通孔缺陷的回波信号,进而获得信号幅度随位置的变化曲线。分析对比了不同偏转聚焦声束理论计算结果与实验测量结果,两者幅度在焦点附近具有较好的一致性,偏差在5%以内,验证了超声测量模型计算方法的有效性。      

在线超声检测系统中螺旋线圈换能器的应用*

针对在线车轮超声检测系统的工程应用,研究了圆形螺旋线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。给出了涡流、等效表面力源和辐射声场的计算方法,分析了圆形螺旋线圈换能器在钢试块上的辐射指向性。结果表明,辐射的圆周径向偏振横波为两边瓣中空指向性,对理解圆形螺旋线圈换能器的辐射声场和在重载货车车轮轮辋在线辋裂缺陷检测中的工程应用具有一定的指导意义。     

界面条件下线型超声相控阵声场特性研究

开展了界面条件下线型超声相控阵声场特性的研究.将带有楔块的超声相控阵问题合理简化为液固界面的情况进行讨论.根据射线声学理论,计算了单阵元在液固界面存在时的辐射声场,进而推导了聚焦法则,得到了超声线型阵在液固界面存在时的声场、位移场表达式.对安装在楔块上的相控阵换能器的辐射声场进行了仿真,并讨论了聚焦对换能器轴向和横向声场的影响,结果表明利用聚焦能提高分辨率和灵敏度,但聚焦区域之外声束性能更差,在实际检测中要合理利用聚焦. 关键词： 超声相控阵 界面 声场 聚焦     

超声显微检测方法对产氚包层焊缝的适用性研究

针对产氚包层中盖板流道封焊的结构设计与特点,开展了超声显微检测方法研究,确定了超声显微检测参数及该方法的适用性问题。以盖板流道封焊为研究对象,选择JSR DPR500 超声显微检测系统进行检测参数研究,分析了超声显微检测中探头参数及声束聚焦的特点;采用不同参数探头及水层厚度,提高了检测灵敏度,并解决了盖板流道封焊中小缺陷不易检出的难题。     

各向异性焊缝中超声相控阵瞬态声场仿真及缺陷定位方法

针对多层各向异性奥氏体不锈钢焊缝中超声相控阵瞬态声场的仿真问题,提出应用高斯声束等效点源模型计算宽带离散化的多个单频稳态声场,通过傅里叶变换将其拓展为瞬态声场,并分析了声场转换过程的主要影响参数。该方法可快速计算焊缝内部超声相控阵聚焦声场的瞬态能量分布和任意一点的时域波形信号。在此基础上针对多层奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的超声相控阵成像检测问题,提出利用上述时域高斯声束法对多通道缺陷散射信号进行时间反转计算,并根据时域声场焦点确定缺陷位置。最后通过实验,验证使用此方法检测实际奥氏体不锈钢焊缝试块内部缺陷的效果。结果表明,提出的方法能够确定缺陷位置,且计算速度快、运算量小,适合作为多层介质内部缺陷实时成像的声场仿真模型。      

改进的Faster-RCNN算法在聚乙烯管接头内部缺陷检测中的应用

超声相控阵技术是目前聚乙烯管道热熔接头内部缺陷检测的一种主流方法。提出了基于注意力机制的改进Faster-RCNN目标检测网络用于超声相控阵D扫图聚乙烯管接头内部缺陷检测。针对聚乙烯管道热熔接头内部超声相控阵D扫图小缺陷较多、特征信息容易丢失的问题,将残差网络(ResNet50)与特征金字塔网络(FPN)相结合作为骨干网络,并引入卷积注意力模块(CBAM)自适应细化特征。将SSD网络框架和Faster-RCNN网络框架用于模型训练和测试,使用VGG16、ResNet50、ResNet50+FPN、ACBM+ResNet50+FPN作为骨干网络依次对超声相控阵聚乙烯管道热熔对接接头内部缺陷样本进行训练对比。结果表明,改进的Faster-RCNN网络模型在聚乙烯管接头内部缺陷检测和分类方面有明显改进,对小缺陷的检测性能有了显著的提高。     

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

基于有限元的空耦超声相控阵Lamb波激发与检测

基于非接触式空气耦合超声换能器的无损检测技术在常规板材、纤维复合材料、层状结构材料、粘接界面等的检测中有了长足的发展。但是因为空气耦合超声本身的限制,对于如何提高空气声换能器的发射效率和接收灵敏度、提高检测中接收的信噪比成为这一领域的重要课题。因此有必要结合最新的信号处理技术探索新的无损检测形式。本文通过提出了基于电容式的空气声换能器阵列的构建和制作方法,应用有限元数值方法对一维线阵的空气声换能器阵列的动态偏转特性进行了模拟,并使用构建流固耦合模型对二维的空气声场及板材中的位移场进行计算。通过一维空气耦合相控阵的声束动态偏转激励了各向同性板中的Lamb波A₀ 和S₀模式,并进行了分析,验证了此模型可以进一步用于基于空气耦合相控阵激励的Lamb波的无损检测中。     

跑道线圈换能器在铁路重载货车探伤中的应用*

针对在线车轮超声探伤系统的工程应用,研究了跑道线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。根据外磁场和线圈配置,将表面力源近似为非均匀的水平剪切力源,数值计算得到了此力源的辐射声场指向性图,并与实验结果进行比对,结果表明辐射的水平偏振横波具有中间强两侧弱的指向性,对理解跑道形电磁线圈超声换能器的辐射声场和在重载货车车轮辋裂缺陷探伤中的工程应用具有一定的指导意义。     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

相控阵井壁成像仪高压电源纹波噪声抑制研究

针对超声相控阵井壁成像仪工作环境恶劣以及超声脉冲发射所需高压电源纹波噪声对超声回波信号干扰大的问题,提出一种高温环境下高压电源纹波噪声抑制方法并进行设计分析。本方法综合开关电源与线性稳压电源各自的技术优势且注重纹波噪声抑制和耐高温设计。利用开关电源完成不同电压幅值的高效转换并在电源输出端增设专门的EMI滤波电路,再利用屏蔽罩对电源进行屏蔽,最后输出电压再经过一级线性稳压电路进一步进行稳压滤波。实测结果表明,利用该方法,电源的纹波与辐射噪声得到了抑制,有效减少电源对回波信号的干扰,且输出电压稳定,提高了超声相控阵井壁成像仪井下工作的稳定性。