复合材料的超声检测技术 Ⅱ.非接触超声C-扫描技术

本文对于激光超声、干耦合和空气耦合三种非接触超声C-扫描技术的原理、特点及其在复合材料检测中的应用做了简明介绍．     

空气耦合超声检测复合材料研究综述

复合材料普遍具有高比强度、高比刚度、高模量、耐腐蚀等优异性能,广泛应用于飞机机翼、导弹外壳、航空发动机壳体等部位。制造和服役过程中各类缺陷影响复合材料的力学性能和服役性能,必须采用有效的方法准确检测和评估复合材料中各类缺陷。空气耦合式超声检测具有完全非接触、非侵入、无损伤和无需耦合剂的特点,能够很好地运用于复合材料的在线和在位检测。该文就近年来空气耦合超声检测技术的研究现状进行了系统综述,简明扼要地分析和介绍了当前空气耦合超声检测的研究热点及进展,重点介绍了1-3型压电复合材料换能器、信号处理技术、相控聚焦式空气耦合超声检测、超声在复合材料的传播特性及其与缺陷交互作用的研究现状,探讨了空气耦合超声无损检测技术与仪器的发展方向,总结了目前空气耦合超声检测的研究热点问题,最后展望了空气耦合超声检测的发展趋势和应用前景。     

多基元聚焦空气耦合超声换能器*

文中针对空气耦合超声换能器及其在表面缺陷检测中的应用开展了研究。选用1-3型压电复合材料及双匹配层结构来实现超声换能器压电材料与空气之间声阻抗的逐渐过渡,提高压电材料/空气界面的声能量透射率进而提高空气耦合超声换能器的灵敏度。在此基础上研发制作了440 kHz多基元聚焦空气耦合超声换能器,并对其性能进行了测试。其焦距、焦宽及焦深分别为41.44 mm、1.14 mm和20.30 mm,灵敏度和带宽分别为-50 d B和20.2%。测试结果表明该空气耦合超声换能器具有优良的性能,利用该超声换能器可以有效检测材料表面缺陷。     

模式转换环形耦合振动超声辐射器

提出了一种新型耦合振动环形超声辐射器,辐射器由纵振换能器及变幅杆激励特定尺寸的金属圆环,使其能有效地将纵向振动转化为圆环的径向轴向耦合振动从而向环的径向、轴向辐射超声波,并且在环的中心形成聚焦声场。推导了该辐射器的等效电路,给出了等效电路法和有限元法优化设计环形超声辐射器的详细过程。研究了耦合振动环形超声辐射器的谐振特性及其辐射声场特性,根据理论计算结果加工了相应的环形超声辐射器,实验测试结果与理论计算结果符合得较好。本文提出的模式转换环形耦合超声辐射器可望在声化学等液体处理领域获得应用。      

超声C扫描用喷水系统设计及其检测稳定性*

摘要：本文针对列车车体复合材料构件检测用超声C扫设备喷水系统的检测稳定性问题开展研究。基于喷水式超声耦合检测原理,设计了一种喇叭段+直管段的喷嘴,以使水流形成变径约束的层流,从而缩短喷嘴长度。结合实验分析了工艺参数对检测性能的影响。结果表明：喷嘴结构、耦合水流速、射水距离及检测方式等因素均对超声耦合稳定性及检测性能产生影响。试验结果可为喷水式耦合超声C扫技术在车体构件检测中的实际应用提供参考。     

纳米填充硅橡胶超声干耦合特性*

针对工业超声无损检测领域干耦合材料种类匮乏,且声能透射率低的问题,论文在室温硫化硅橡胶基底材料中添加不同成份和配比的纳米颗粒,制备了不同种类的干耦合材料,给出了干耦合条件下超声波的传输模型,得到了声学传输规律,对比分析了干耦合材料种类、厚度、硬度、超声中心频率及载荷因素对声能传输特性的影响。搭建了声学特性测试实验平台,分别对添加氧化铝、铁和二氧化硅纳米颗粒制备的干耦合材料进行了测定,试验结果表明填充二氧化硅质量分数为5%时,所形成的纳米填充硅橡胶的声阻抗提高了13.5%,使用200kPa预载荷对试块测量时回波幅值提高了18.0%,具有良好的声耦合性能。可为实际超声检测时干耦合材料的制备及应用提供参考。     

医用超声含水高分子耦合剂在武汉通过鉴定准备投产

为适应医学超声(诊断与治疗)技术的迅速发展与普及,研制与生产国产非油类高分子超声耦合剂已是医学超声界长期的渴望. 武汉市无线电研究所和武汉医学院附属第二医学,经过三年多的时间,通过256次配方试验,终于在研制医用超声含水高分子耦合剂方面取得可喜成果.由南京大学声学研究所生物声学研究室及上海第六人民医院超声研究室等单位协助对各种理化参数进行测试,说明均达到技术指标要求.并经上海第六人民医院、武汉医学院附属第二医院、湖北中医学院附属医院及长航总医院等单位的超声波室近二年内对上千例的临床诊断试用,证明该含水耦合剂的临床诊断效果良好,图象清晰完整,性能基本达到美国AQUASONIC耦     

电磁超声探伤实验

无损检验对于保证和提高产品质量有着十分重要的作用。自三十年代初超声探伤出现以来,无损检验工作中所使用的超声波大都是用压电换能器获得的。为了把超声波传入被检验材料中去,必须有声耦合介质,比如油、水或其他耦合介质。接触法要求材料表面清洁且需达到一定的光洁度,探伤速度慢而且不经济;水浸法对于提高探伤速度和适应检验表面粗糙的材料具有许多优越性,但也存在不少缺点,特别是由于压电换能器的压电晶体居里点的限制及耦合介质的限制,所以对高温材料的检验很难实现。涡流探伤虽然解决了超声探伤中声耦合介质的问题,但是它只能检验材料的表面及近表面缺陷,不能检验材料的中心缺陷。     

超声分子束注入模型与流体输运程序的耦合

将超声分子束注入模型加入到流体输运程序ONETWO 中,为ONETWO 程序提供了重要的粒子源和电子、离子热源项。在ONETWO 程序物理模型中加入超声分子束注入模型,修改TPSMBI 程序并将其耦合到 ONETWO 程序中。运用耦合后的ONETWO 程序模拟研究了喷气法与超声分子束注入产生的源项。将超声分子束注入模型加入到ONETWO 程序中不仅可以为相关的实验分析提供一种重要的工具,也可为未来装置(如中国聚变工程实验堆)的物理设计提供重要的粒子和能量源信息。     

超声耦合振动与“局部共振”现象

本文从耦合振动的角度出发，对超声加工系统中出现的“局部共振”现象进行了研究，通过对振动系统的分析用计算，指出“局部共振”流言是耦合振动的一种表现。     

超声滚压中的空化现象*

在超声滚压加工中引入切削液后可能会产生空化现象,由此产生的微射流和冲击波对超声表面强化将有积极作用。为研究超声滚压加工中空化现象是否存在及空化效应在超声滚压中的作用,本文首先分析了超声滚压中的空化阈值,然后进行了染色法试验和超声滚压后试样氧元素能谱分析,最后通过超声滚压加工对比试验研究了空化效应对加工后材料表面粗糙度和显微硬度的影响。研究发现,超声滚压加工中的声压幅值远大于空化阈值,满足空化存在的必要条件;超声滚压中发生了明显的卡纸染色现象,引入切削液后工件超声滚压加工表面氧元素含量显著提高,表明超声滚压中发生了空化现象。超声滚压加工中的空化效应能进一步降低工件表面粗糙度和提高表面显微硬度,有利于提高工件表面强化质量。本研究为空化效应在超声滚压中的积极利用提供了依据。     

Study on the compound multifrequency ultrasonic transducer in flexural vibration

A new type of compound multifrequency ultrasonic transducer is analyzed in this paper. The compound multifrequency ultrasonic transducer consists of two sandwiched ultrasonic transducers and a rectangular radiator. In virtue of the coupling between longitudinal vibration of the sandwiched ultrasonic transducers and flexural vibration of the rectangular radiator, the compound multifrequency ultrasonic transducer can produce several resonance frequencies. Some compound multifrequency ultrasonic transducers are designed and simulated by finite element method (ANSYS), and modal shapes and harmonic response are analyzed. The compound multifrequency ultrasonic transducers are designed and manufactured. The resonance frequencies are measured and compared with the numerical results. The effect of the geometrical dimensions of the compound multifrequency ultrasonic transducer and the location of two sandwiched ultrasonic transducers on the compound multifrequency ultrasonic transducer is discussed. It is shown experimentally and numerically that the compound multifrequency ultrasonic transducer has several resonance frequencies.     

Study on removing calcium carbonate plug from near wellbore by high-power ultrasonic treatment

In this paper, the effects of ultrasonic wave on the removal of inorganic scaling and plugging in cores and the influence of the key wave field parameters, process parameters and core physical parameters on the plugging removal efficiency are systematically studied. The main dynamic mechanism of ultrasonic plugging removal is also systematically analyzed. Results show that the transducer frequency, transducer power, ultrasonic treatment time and initial permeability of core have great influence on the effect of ultrasonic scale removal. When the cumulative treatment time of ultrasonic wave exceeds 60 min, the recovery rate of core permeability tends to be stable. Best effect can be achieved when processing for 80–120 min cumulatively; the plugging removal effect is improved with the increase of ultrasonic transducer power and ultrasonic frequency, but the effect of plugging removal is not obvious with the further increasing of them. In addition, it is proved that the effect of removing calcium carbonate plug from near wellbore by hydrochloric acid solution is slightly better than that by ultrasonic treatment alone. Finally, the micro dynamic mechanism of removing inorganic scale plug by high-power ultrasonic treatment is discussed in view of ultrasonic inorganic scale body crushing, ultrasonic cavitation, ultrasonic friction, ultrasonic peristaltic transport operation and ultrasonic fracture-making and permeability-increasing effect.     

超声换能器表面的振动状态

从超声波在波密介质和波疏介质之间的传播以及诱发共振发射超声波的角度,讨论了空气中超声声速测量实验所用超声换能器的表面振动状态.理论分析及实验测量结果表明:超声换能器表面振动状态与其结构有关,超声接收器表面位移振幅一般不为零.     

基于双高斯衰减模型的超声回波处理方法

信号降噪与特征提取是超声检测数据处理的关键技术.基于超声信号有特定结构而噪声和超声信号的结构无关,本文提出一种旨在解决强噪声背景下超声回波的参数估计和降噪问题的方法.该方法将超声回波的参数估计和降噪问题转换为函数优化问题,首先根据工程经验建立超声信号的双高斯衰减数学模型,然后根据观测回波和建立的超声信号模型确定目标函数,接着选择人工蜂群算法对目标函数进行优化从而得到参数的最优估计值,最后由估计出的参数根据建立的超声信号数学模型重构出无噪的超声估计信号.通过仿真和实验表明本文方法可以准确估计出信噪比大于-10 dB的含噪超声回波中的无噪信号,且效果优于基于自适应阈值的小波降噪方法和经验模态分解方法;此外相比常用的指数模型和高斯模型,本文提出的双高斯衰减超声信号模型与实测超声信号更接近,其均方误差为9.4×10~(-5),波形相似系数为0.98.     

超声相控阵在多层媒质中的声场模式优化

针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对16×16二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.     

超声空化与超声医学

随着超声技术应用广泛而迅速的发展,整整一个世纪来,超声空化成了经久不衰的研究课题,特别近１０年来,超声空化成了多种学科的基础研究热点。本扼要地介绍了起声空化的最新研究进展,以及超声空化与超声医学发展的密切关系。     

Fiber optic liquid leak detection technique with an ultrasonic actuator and a fiber Bragg grating

We present a technique for liquid leak detection in which ultrasonic and optical waves are introduced into a fiber simultaneously. The system is based on an ultrasonic technique using an ultrasonic actuator and a fiber Bragg grating receiver. A fiber-guided ultrasonic wave is utilized to stress the fiber Bragg grating, which is remote from the ultrasonic transmitter. When the traveling ultrasonic wave encounters a liquid, part of the wave will leak out from the fiber, which results in an ultrasonic strain decrease in the fiber Bragg grating. The ultrasonic wave and its attenuation are detected by the light variation of a narrowband laser source reflected and transmitted from the fiber Bragg grating, and the amplitude variation of the ultrasound can eventually be correlated with the fiber area coupled with the liquid.     

功率超声振动系统的研究进展

功率超声振动系统是功率超声技术中的关键部分,其主要部分包括功率超声换能器、超声变幅杆以及超声工具头或超声辐射器。本文就功率超声换能振动系统设计中经常遇到的一些关键问题进行了简要的归纳和总结,目的在于为功率超声换能器的优化设计和性能改善提供一些有用的设计指南和解决措施。同时,对一些新的功率超声振动系统进行了介绍,并简要分析了其发展趋势和应用领域。