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。     

瞬态波位移场计算方法在相控阵声场模拟中的实验验证

通过实验研究了声束偏转不同角度和声场半径变化时线性相控阵的声场特性,并与基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法得到的理论结果进行了对比。首先研究了基于半圆圆弧离面瞬态位移的声场计算方法,并进行了数值计算可靠性的优化。然后建立了一套相控阵瞬态波位移场的测量系统,以半圆形钢板为试件,纵波传感器为接收传感器,测量了偏转角度为-10°,-30°,-50°,-70°,及声场半径为50 mm,75 mm,100 mm和125 mm时线性超声相控阵的声束指向性;同时以基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法,计算了相同条件下该相控阵的声束指向性。最后将实验结果与理论结果进行了对比,取得了较好的一致。说明基于瞬态波位移的相控阵声场计算方法可以较好地计算线阵的声场,对于声束偏转较大角度和声场半径变化时也同样有效。      

双层界面下非近轴近似多元高斯模型的相控阵声场模拟

非近轴近似多元高斯模型克服了近轴近似条件的限制,能保证较大偏转角度下模拟声场的精确度和效率。根据双层介质的瑞利积分模型和单层介质的非近轴近似多元高斯模型,推导出双层介质中基于非近轴近似多元高斯模型的单阵元辐射声场计算模型。并在得到各阵元声束偏转聚焦的延迟时间基础上,累加得到基于非近轴近似高斯模型的超声相控阵横波检测辐射声场计算模型。模拟计算带丙烯酸树脂楔块的超声相控阵探头在钢中横波检测的声束偏转与偏转聚焦辐射声场,并与近轴近似多元高斯模型的横波检测声束的偏转聚焦辐射声场进行比较分析。对比分析结果表明非近轴近似多元高斯模型计算速度更快,用时约为近轴近似多元高斯模型的1/13。此外,非近轴近似高斯模型方法横波检测的聚焦声束覆盖区域更大,能量更集中,更适于远场区域检测。      

带楔块二维面阵列超声相控阵声场特性分析

开展了带楔块二维面阵脉冲超声相控阵辐射声场特性的研究。将安装在一定角度斜楔块上二维面阵相控阵换能器声场问题简化为液固界面情况进行讨论。以单阵元在液固平界面条件下的辐射声场为基础,推导了聚焦偏转法则,给出了带楔块二维面阵超声相控阵声场计算方法。以检测材料为钢板,安装在倾斜角为36°有机玻璃楔块上的频率为5 MHz、8×8二维面阵相控阵的辐射声场计算为例,分析了在不同偏转角和不同聚焦深度下检测材料中的辐射声场特性。计算结果表明该方法可有效的分析带楔块二维面阵超声相控阵声场特性并用于指导二维超声面阵角束探头的设计。      

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。      

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     

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。     

非近轴近似多高斯声束模型的相控阵换能器声场计算

针对近轴近似的多高斯声束模犁无法准确计算离轴区域声场的问题,我们提出了一个矩形源的非近轴近似多高斯声束模型,用于计算偏转聚焦时线性相控阵换能器辐射的声场.利用该方法计算了由矩形阵元组成的相控线阵的辐射声场,并与瑞利积分、近轴近似方法及夫琅和费近似方法进行了分析和对比,计算结果表明该方法克服了常规近轴近似条件的限制,可以准确、快速地计算较大偏转范围内的换能器辐射声场,在计算相控阵换能器偏转聚焦声场中具有独特的优势.     

带斜楔相控声束偏转聚焦延时特性研究

带斜楔的相控阵超声检测广泛应用于低碳钢薄壁工件焊缝的检测,研究带斜楔的相控阵超声偏转聚焦检测延时法则和对应的声场将使检测可靠性进一步提高。本文利用费马原理探究了相控阵超声探头辐射声波至楔块中,在楔块-工件平面界面发生模式转换入射到工件中的横波聚焦时各阵元延时的计算方法,数值求解指定焦点时各阵元的延时,并利用计算得到的延时进行声场仿真和实验测量,发现声波能很好的聚焦在目标点,仿真和实验结果吻合。     

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。      

Nonparaxial multi-Gaussian beam models and measurement models for phased array transducers

A nonparaxial multi-Gaussian beam model is proposed in order to overcome the limitation that paraxial Gaussian beam models lose accuracy in simulating the beam steering behavior of phased array transducers. Using this nonparaxial multi-Gaussian beam model, the focusing and steering sound fields generated by an ultrasonic linear phased array transducer are calculated and compared with the corresponding results obtained by paraxial multi-Gaussian beam model and more exact Rayleigh-Sommerfeld integral model. In addition, with help of this novel nonparaxial method, an ultrasonic measurement model is provided to investigate the sensitivity of linear phased array transducers versus steering angles. Also the comparisons of model predictions with experimental results are presented to certify the accuracy of this provided measurement model.     

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。     

Theoretical calculation on distance amplitude curve of ultrasonic phased array

Ultrasonic phased array technology has been gradually applied to industrial nondestructive testing in recent years. The sound field of the focusing and steering beam radiating from the phased array is a nonuniform distribution in the spatial position so that the echo signals of same size defects will be changed according to defect positions. To analyze these defects quantitatively, a model-based method for the distance amplitude correction is proposed for the phased array system. Based on a non-paraxial multi-Gaussian beam model and flaw scattering models, an ultrasonic measurement model for the phased array system is proposed to calculate the echo signals from side-drilled holes at different positions. Furthermore, these model-based distance amplitude curves are compared with the traditional experimental results for different focusing and steering beams. The two methods have a good agreement.