空气耦合式超声检测在航空无损检测中的应用

针对复合材料的无损检测问题,探讨了一种基于穿透式异侧检测模式的空气耦合式超声波检测技术,阐述了该技术的基本原理。参照传统的液浸式超声波检测技术,以航空工业中重要的γ-TiAl基合金为研究对象,对检测过程中信号的衰减与损耗进行了详细的理论分析与数值计算。结果表明,超声波在介质交界面处的反射损耗和在空气中的传输衰减是目前空气耦合式超声检测技术应用遇到的主要难题,而研制新型超声波换能器是解决问题的关键。     

材料表面缺陷检测用空气耦合超声换能器的研制

为解决在材料表面缺陷检测用空气耦合超声换能器的研制中,压电陶瓷材料与空气之间存在的巨大阻抗失配问题,将空心玻璃微珠和环氧树脂进行复合,制备出密度为550 kg·m^-3,声速为2 300 m·s^-1,声阻抗为1.3 MRayl,声衰减系数(2.25 MHz下)为344 dB·m^-1的低声阻抗、低衰减的匹配层材料,并采用1/4波长匹配原理进行换能器设计。在此基础上制作空气耦合超声换能器,对其进行导纳谱测试和回波信号测试分析。结果表明,研制出的空气耦合超声换能器中心频率为204 kHz,-6 dB相对带宽为21.0%,具有较好的灵敏度和带宽。     

超声检测声场计算模型的建立与仿真软件的开发

基于瑞利积分和Pencil法,建立了声场半解析法计算模型;基于基尔霍夫近似,GTD和波恩近似理论,建立了超声场与缺陷相互作用的半解析法计算模型。以半解析法计算模型为核心,开发了超声检测计算分析系统UT-CAS。该系统可实现超声检测发射声场和缺陷回波声场的快速计算,可应用于探伤工艺设计、声场和缺陷信号辅助分析以及无损检测人员培训等。     

超声检测中的声场特性及应用分析

针对超声检测中影响缺陷定量准确性的声场问题进行了深入讨论，研究了脉冲波声场的计算方法，绘制出实用换能器声轴线上的声压分布曲线，分析了不同材料和厚度的采样回波对频谱的影响，比较了连续波声场和脉冲波声场的分布特性及异同点，为提高超声检测中缺陷定量的准确性和科学性提供了依据。     

超声换能器声场的模拟和可视化研究

了解超声换能器声场的分布对于检测精度和灵敏度的提高、检测工艺参数的优化都起着至关重要的作用。为了更直观地分析超声换能器的声场,提高对超声波产生和传播机理的理解,利用多元高斯声柬模型,对超声换能器辐射的声场进行了计算机模拟和可视化,开发了具有良好用户界面接口的声场模拟程序。试验结果表明,模拟结果能够比较准确地反映声场的实际分布。     

基于MATLAB的超声换能器声场特性仿真及可视化研究

目前利用声场的虚拟扫描数据进行可视化研究以及通过可视化数据进行参数测量的研究较少。基于MATLAB软件通过APP Designer开发出新的超声声场可视化软件，设计出声轴线上的声场分布仿真和声轴横截面上的声压仿真两类仿真试验，验证了所开发仿真软件在同一介质中换能器频率不同和半径不同情况下的声场变化，以及不同介质中使用固定频率和半径的换能器时的声场变化。试验结果表明，开发的软件在超声声场仿真模拟方面具有可靠性。     

复合材料结构中R区超声反射信号特征及其检测应用

R区是复合材料结构中的重要几何过渡区和连接区,利用超声反射法检测时,入射声波在R区形成的反射信号的复杂性明显影响了缺陷的判别和评定。为此,采用宽带窄脉冲超声检测方法,通过专门设计的超声检测系统及水膜耦合换能器,提取和分析来自实际复合材料结构R区的超声反射信号的时域特征,结合超声检出结果进行解剖验证分析。结果表明:采用水膜耦合可以获得较好的声学耦合效果和稳定的超声反射信号;来自R区分层等缺陷和R区层间界面及树脂界面的反射信号在其单周特性、幅值特性、多次反射行为等方面存在明显的时域差别,基于此特征,可有效地进行复合材料R区缺陷的判别和定位,并有效地检出R区近表面单个铺层深度(约0.13 mm)的分层;基于此信号特征的B扫描为复合材料结构中R区缺陷的检测与评估提供了一种非常直观的可视化方法。     

棒材中超声散射场的模拟及信号的识别

棒材是一种应用很广泛的型材,因此棒材的无损检测十分重要。提出一种脉冲超声场模拟的方法,模拟了玻璃棒中的超声波散射声场。通过与动态光弹实验结果比较,解释了圆棒的超声检测中散射波（如瑞利波）的形成机理。在此基础上,用单换能器采集圆棒中的连续回波信号并对信号做相关处理,仅需测量一次棒材的回波信号就可以计算其力学性能结果。该方法对棒材探伤和力学性能评价等方面有很大用途。     

刚性球形微粒在超声波聚焦区内的散射

声散射问题的研究一般建立在入射波为平面波的基础上。而在医学诊断和工业无损检测领域中广泛采用的是超声聚焦换能器，因此有必要进行聚焦区内的散射场分析。以凹球面超声换能器为研究对象，假设聚焦区存在一刚性球形微粒，对此时的散射场进行分析。通过分析聚焦声场的特性，得到了聚焦区附近的瞬时声压表达式。建立了散射边界条件，并运用柱函数的加法定理，通过理论推导得到了聚焦区内刚性球形微粒的散射声压表达式。最后对其散射远场声压的空问分布特性进行了数值计算。     

玻璃层下指纹的高频超声成像

分层介质结构中,各层声阻抗的差异很大,层间材料常常存在较高的声衰减和频散特性,普通超声的扫描图像较难反映出介质的层间结构信息。对高频超声波透过水和玻璃层后进入模拟人体指纹形状的树脂介质中的传播特性进行分析,使用高频超声换能器,以C扫描的方式激发与采集分层介质中的超声波宽频谱信号,得到时域波形数据,然后通过传播理论得到波形特征,使用特定时域峰值成像算法提取出玻璃层下的界面特征信息,从而得到高成像精度指纹的超声检测图像。     

热超声键合压电换能器的动力学特性

基于有限元方法和试验测试,研究了芯片封装用压电超声换能器的动力学特忡。借助ANSYS压电耦合和非线性接触分析功能,对换能器自由和约束状态下的振动特性进行了分析。探讨了超声能量在空间域、时域和频域的传递规律。由模态分析得到换能器的振动形式,通过谐响应分析提取其在正弦电压激励下的振动信息,经瞬态分析获得换能器的瞬态响应。结果表明,螺栓径向尺寸和预紧力影响换能器的模态分布和动态特性,压电晶堆加载电压的频率影响超声能量传递特性。通过键合试验考察了焊点质量与螺栓径向尺寸的关系。分析和试验结果为换能器设计和键合工艺优化提供了指导。     

利用有限元方法模拟微裂纹在强超声作用下的摩擦发热现象

采用有限元方法,对强超声作用下金属板中裂纹面的动接触行为以及摩擦发热现象进行了三维热力耦合模拟。在有限元模型中,利用压电-热弹类比方法模拟功率超声换能器激励,而采用基于罚函数方法的接触-碰撞算法模拟裂纹面之间的动接触相互作用。通过有限元模拟,定量计算了裂纹面上的摩擦发热现象,对功率超声换能器激励下裂纹板的振动特性、裂纹面的动态接触过程以及裂纹处的温度分布进行了分析。有限元仿真结果可以合理解释在超声红外热像技术中观察到的现象。     

超声检测图像分辨率的维纳滤波去卷积研究

为了研究改善超声检测横向分别率以及缺陷检测精度的方法，对聚焦换能器和非聚焦换能器的超声检测成像结果进行了比较，结果表明聚焦换能器在焦点位置具有较高的横向分辨率。为了提高平面非聚焦换能器的成像分辨率，根据平面换能器的平底孔散射模型，计算出换能器的点扩展函数，并利用维纳(Wiener)滤波进行去卷积研究。结果表明，只要选取适当的滤波参数，去卷积处理能有效改善成像检测的横向分辨率。     

多通道体导一体电磁超声换能器的优化设计

为了减少多通道电磁超声换能器的磁铁数量,提高检测信号的信噪比,提出了一种组合型磁铁结构EMAT(电磁超声换能器),使用该EMAT可以在一次检测过程中完成超声测厚、轴向导波和周向导波扫查。通过仿真优化了换能器结构设计,分析了其结构参数对磁场强度的影响。设计换能器并搭建试验平台,验证了模型结构的正确性。与传统换能器的励磁效果相比,该换能器在工件近表面产生的磁场强度较大,可以在一次检测中同时完成测厚与轴向和周向两个方向的导波扫查;测厚信号的信噪比提升了2 dB,导波信号的信噪比提升了19.5%,检测效率得到提高。     

基于CIVA软件的全聚焦相控阵声场特性仿真

全聚焦相控阵是当前超声无损检测领域的研究热点,但其声场特性和检测工艺方面的研究较少。在CIVA仿真软件平台的基础上,开展了全聚焦相控阵的声场仿真计算与缺陷响应研究。采用相同激发参数和孔径的超声探头仿真常规超声声场和全聚焦相控阵声场,分析比对各自的声场特性。通过缺陷响应研究模拟全聚焦相控阵声场与横通孔之间的作用,并分析了全聚焦相控阵技术的检测能力。该研究工作有望为全聚焦相控阵探头的研发设计以及检测工艺的制定提供参考。     

基于特征线—快速傅里叶变换法的轴向柱塞泵流固耦合振动特性研究

轴向柱塞泵为流固耦合机械设备。工作时,振动特性较为复杂。使用特征线—快速傅里叶变换法（ MOC-FFT）对柱塞泵中由流固耦合所引起的振动特性进行了研究。利用特征线法求解流固耦合振动偏微分方程（1）,得到时域信号,再使用快速傅里叶变换法,可得到管道系统的固有频率。该方法既拥有特征线法针对耦合振动建模清晰,计算简便等特点;又利用快速傅里叶变换法将振动特征转换至频域中。通过对频域振动特性的研究,得出A10V型柱塞泵工作中应避开的工作振动频率成份,以及斜盘摆角、压力、转速对柱塞泵由流固耦合引起的高频振动谱线影响变化规律。     

基于特征线—快速傅里叶变换法的轴向柱塞泵流固耦合振动特性研究（英文）

轴向柱塞泵为流固耦合机械设备。工作时,振动特性较为复杂。使用特征线—快速傅里叶变换法(MOC-FFT)对柱塞泵中由流固耦合所引起的振动特性进行了研究。利用特征线法求解流固耦合振动偏微分方程(1),得到时域信号,再使用快速傅里叶变换法,可得到管道系统的固有频率。该方法既拥有特征线法针对耦合振动建模清晰,计算简便等特点;又利用快速傅里叶变换法将振动特征转换至频域中。通过对频域振动特性的研究,得出A10V型柱塞泵工作中应避开的工作振动频率成份,以及斜盘摆角、压力、转速对柱塞泵由流固耦合引起的高频振动谱线影响变化规律。     

基于相控阵超声的进动式锥摆线齿轮裂纹检测方法

为高效准确地完成进动式锥摆线齿轮裂纹定量分析,提出一种基于相控阵超声的齿轮裂纹检测方法。创建相控阵超声检测系统,在该系统内,利用高压脉冲生成、通道选择、回波信号处理等模块采集完整齿轮结构信息;并通过小波变换拆解超声时域信号,运用压缩传感法重构信号;使用经验模态分解法将信号分解成若干本征模函数,通过三次样条插值信号极值点,获取极值点构成的上、下包络线,将初始信号与包络线均值的差拟作单调函数,保留信号高频分量并输出分解后的超声信号,实现齿轮裂纹损伤位置检测。仿真结果证明：所提方法可有效提取超声信号中的时域与频域特征信息,裂纹检测精度高、效率快,鲁棒性强。     

薄板点焊超声检测信号特征分析与缺陷识别

运用低碳钢薄板点焊超声检测有限元仿真模型,对气孔、压痕过深、熔核过小、脱焊等四种缺陷类型的点焊检测超声仿真信号进行快速傅里叶变换得到其频谱图,并采用统计学方法分别提取了超声信号时域和频域特征值.通过分析超声在不同缺陷焊点内部的传播规律,以及特征值的变化规律,总结了点焊缺陷类型的识别方法.利用该方法对大量点焊试样超声检测试验信号进行缺陷识别并与金相试验结果对比分析. 结果表明,综合分析超声检测信号时域和频域特征值规律,能够有效地识别点焊缺陷类型.     

多通道动态光弹成像系统的研制

为了研究多阵元超声聚焦声波在固体中的传播规律,研制了多通道动态光弹成像系统。该系统通过对超声阵列换能器中各阵元进行相位延时控制,获得了灵活可控的合成波束,能在固体中激励出焦点可控的聚焦声波,并可以模拟相控阵技术的声束扫查过程。通过采用动态光弹技术,可以观察超声聚焦声波在固体中的传播行为。该系统实现了多阵元超声聚焦声场的可视化,能够为利用超声聚焦声波检测缺陷的理论提供可视化的实验依据,对超声无损检测具有重要的指导意义。