小角度纵波水浸超声检测技术在消除锻件结构盲区中的应用

航空发动机中的后轴颈锻件一般采用水浸超声纵波直入射方法检测内部缺陷。由于型面结构的原因,在锻件的直筒和锥形段连接区域存在检测盲区。本文针对某型号发动机中的后轴颈锻件,开展了水浸超声检测工艺研究,提出利用小角度纵波覆盖盲区的思路^[1]。通过对含有人工缺陷的模拟样件的检测试验,比较了水浸纵波直入射和小角度纵波斜入射两种检测方法对后轴颈连接区域的覆盖能力。结果表明,本文提出的小角度纵波方法,可以有效检测出水浸纵波直入射检测方法无法发现的人工缺陷,消除由结构引起的检测盲区,保障零件的服役安全。     

斜入射SH波厚壁管道内壁裂纹检测方法研究

厚壁管道常被用于军事装备及其他流程工业中，长期使用后内壁会产生较多微裂纹，成为影响构件安全运行的重大隐患。为此，本文针对厚壁管道内壁裂纹难以检测的问题，提出基于斜入射SH(Shear Horizontal)波的厚壁管道检测方法，对厚壁管道内壁不同深度的裂纹进行检测。本文首先对斜入射SH波的激励原理进行分析，建立声场模型优选激励频率，研究斜入射SH波与厚壁管道内壁裂纹径向深度的作用规律，并通过实验对仿真结果进行验证。研究结果表明，斜入射SH波对该型管道最佳检测频率为1MHz；随着裂纹径向深度增加，缺陷回波幅值呈现曲折型上升；斜入射SH波可有效对厚壁管道内壁轴向长8mm，径向深1mm和周向宽1mm的微裂纹进行检测，验证了斜入射SH波厚壁管道内壁裂纹检测方法的科学性和可行性。     

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。     

水下声辐射激励水表面声波的特征参数测量

采用激光干涉方法对水下声辐射激励水表面声波的特征参数频率和振幅进行了测量研究。从理论上对水表面声波激光相干测量信号的频谱构成进行了分析,在此基础上提出了水表面声波两个重要声学参数频率和振幅的解算方法,并通过数值仿真进行了验证。搭建了一套简单的激光干涉测量实验系统,对不同频率和声压激励的水表面声波进行了测量实验,验证了水表面声波频率和振幅解调方法的准确性。对水表面声波横向传播的振幅衰减现象进行了初步的实验研究,结果表明水表面声波的频率越高,振幅的横向衰减越快。研究表明激光相干检测方法能够准确地实现水表面声波振幅和频率的测量。      

超声液位检测频率选择的理论计算和实验研究

非介入式超声液位检测中,中间层介质对反射回波强度有着显著的影响,为得到较强的检测回波信号,发射频率的选择是非常必要的。本文采用传输矩阵方法,对非介入式超声液位检测中声波在多层介质中的传播进行了研究,给出了反射回波声强与入射声波频率之间的关系,从理论上计算得到了最佳入射声波频率。实验结果与理论计算一致,由此为非介入式超声液位检测的频率选择提供了一有效的技术途径。     

钢-铅粘接结构的粘接强度对超声体波反射与 透射特性的影响*

针对多层异种金属粘接结构中粘接强度的超声检测与表征困难的问题,采用线性弹簧模型和等效弹性模量模型来分别表征界面粘附强度和内聚强度,推导了超声体波斜入射N层粘接结构的反射与透射系数表达式。通过在不同入射面和入射声波模式等条件下,同时连续改变两种参数来系统研究粘接层界面粘附强度与内聚强度变化对超声波反射与透射特性的影响关系,确定了能够敏感表征粘接强度的超声参量,为粘接强度的无损检测与评价提供理论依据。     

超声TOFD检测的有限元分析及其试验验证

超声衍射时差法（Ultrasonic TOFD）通过接收衍射波信号对缺陷进行测深定高,分析超声波在检测对象中的传播对于提高检测效力具有重要作用。本研究采用有限元方法模拟超声TOFD检测过程,探讨了缺陷衍射波的产生及传播特性,并通过试验对模型结果进行了验证。研究表明：有限元建模能够直观显示超声TOFD检测的声波传播过程,模拟结果与试验具有较好的一致性;实际检测过程中涉及的要素,如：探头优化布置、衍射波传播方式、幅度分布、缺陷端部形状对衍射过程的影响均能较好地体现在仿真模型中;超声TOFD检测的有限元模型可实现检测过程可视化,并可为工程检测人员提供一种新的检测方案设计和结果分析的手段。     

铝合金板疲劳微裂纹超声红外成像检测的数值及实验研究*

超声红外成像检测技术是一种发展迅速的新型无损检测技术,可用于检测材料表面或近表面的缺陷,由于对缺陷具有选择性加热的特点,近年备受检测行业的关注。在铝合金板中制作疲劳微裂纹,在板中激励声波,裂纹表面因振动摩擦生热,用红外摄像仪记录板表面温度分布。拍摄的红外图像序列经傅立叶变换后得到的幅值和相位图能清晰显示裂纹的特征,测量到的裂纹长度误差达到4.3%。用有限元模拟超声在板中裂纹处的生热过程,研究板中超声在裂纹处的励热机制。超声的激励时间、裂纹表面间的摩擦系数和裂纹开口宽度直接影响裂纹处的励热效果,温度最高通常位于裂纹尖端附近。实验和模拟结果均表明超声红外成像检测技术能对板中疲劳微裂纹实现快速检测,提供有效、可信的检测结果。     

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。     

柱状固体复合结构对斜入射超声波的散射

较详细阐述了三层柱状固体复合结构对斜入射超声波的散射理论．厚度远小于声波波长和内层半径的中间圆环可模拟为内外层媒质之间的界面薄层．将声波斜入射时中间国环层力学量的传递矩阵作线性近似展开，我们首次建立了描述界面薄层的三维弹簧物理模型，由此进一步分析了固体界面处的声学边界条件．利用弹簧模型，我们最后从数值上研究了玻璃纤维／铝基复合结构中界面薄层力学参量的变化对斜入射超声散射截面积的影响．     

基于分布式超声无损检测方法的零件内部缺陷检测

超声检测广泛应用于工业检测,比如超声相控阵检测法和超声A扫应用于零件内部缺陷检测。然而,这些方法可以检测出缺陷位置却很难精确地检测缺陷尺寸,缺陷定量成了急需解决并且很有意义的问题。本文提出了一种分布式超声无损检测方法,将超声探头均匀布置在检测表面,每一个超声探头可以同时发射和接收超声信号,通过对接收到的信号进行处理来重构缺陷轮廓。基于分布式超声无损检测方法,重构零件的人造缺陷并建立相应的声学仿真模型。通过多项式拟合法和聚类法分别处理实验和仿真所获得的数据并重构缺陷轮廓。实验结果和仿真结果显示重构的椭圆形缺陷和正方形缺陷具有一定的精度。结果表明分布式超声无损检测方法有潜在的应用价值和理论意义。     

基于多元高斯声束模型的圆柱体超声检测声场仿真

为了提高圆柱体缺陷检测的准确性,需了解其超声声场分布。针对圆柱体实际检测的要求,本文采用超声水浸检测法。通过多元高斯声束模型分别模拟了实心圆柱体及空心圆柱体中的辐射声场,计算仿真了垂直入射与倾斜入射至圆柱体时的声场,实现了检测声场的可视化。通过计算得出仿真结构与实际理论相符,表明本论文的方法能够应用在圆柱体结构超声声场仿真中。     

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。     

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Based on the structure design and characteristics of the sealing welding of tritium-breeding blanket cap runner, the ultrasonic microscopic detection technology is studied. The testing parameters and the applicability of the method are determined. The JSR DPR500 ultrasonic microscopic detection system is selected to study the testing parameters. The characteristics of the probe parameters and the focus of the sound beam in the ultrasonic microscopy detection are analyzed. Different parameters and water layer thicknesses are used to improve the detection sensitivity. The problem that the small defects in the sealing welding of cap runner are difficult to detect is solved.     

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。      

车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统研究*

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。本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。     

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。     

On the scattering of torsional elastic waves from axisymmetric defects in coated pipes

Long range ultrasonic testing is now a well established method for examining in-service degradation in pipelines. In order to protect pipelines from the surrounding environment it is common for viscoelastic coatings to be applied to the outer surface. These coatings are, however, known to impact on the ability of long range ultrasonic techniques to locate degradation, or defects, within a coated pipe. The coating dissipates sound energy travelling along the pipe, attenuating both the incident and reflected signals making responses from defects difficult to detect. This article aims to investigate the influence of a viscoelastic coating on the ability of long range ultrasonic testing to detect a defect in an axisymmetric pipe. The article focuses on understanding the behaviour of the fundamental torsional mode and quantifying the effect of bitumen coatings on reflection coefficients generated by axisymmetric defects. Reflection coefficients are measured experimentally for coated and uncoated pipes and compared to theoretical predictions generated using numerical mode matching and a hybrid finite element technique. Good agreement between prediction and measurement is observed for uncoated pipes, and it is shown that the theoretical methods presented here are fast and efficient making them suitable for studying long pipe runs. However, when studying coated pipes agreement between theory and prediction is observed to be poor for predictions based on those bulk acoustic properties currently reported in the literature for bitumen. Good agreement is observed only after conducting a parametric study to identify more appropriate values for the bulk acoustic properties. Furthermore, the reflection coefficients obtained for the fundamental torsional mode in a coated pipe show that significant sound attenuation is present over relatively short lengths of coating, thus quantifying those problems commonly encountered with the use of long range ultrasonic testing on coated pipes in the field.     

Elastic model for simulating ultrasonic inspection of smooth and rough defects

A model is presented for the scattering of ultrasonic waves from smooth and randomly rough defects. The model uses Kirchhoff theory and is elastic, such that mode-conversion between compressional and shear waves is included in the formulation. The model is designed to simulate ultrasonic non-destructive testing situations, by specifying the location and orientation of a defect within an isotropic material, together with transmitter and receiver locations on an inspection surface. Results are presented for the scattering of both monochromatic waves and of pulses. It is shown how small levels of roughness can affect echodynamic curves and how diffracted signals may become lost due to scatter from the rough faces of defects. It is also shown that the usual rules for coupling between waves of all three modes no longer hold when roughness is present. In particular, roughness leads to coupling between horizontally polarized shear (SH) waves and the other two wave modes. The model predictions are also compared with an earlier acoustic model, indicating the importance of mode-conversion effects when considering rough defects embedded within solids.