曲面工件超声检测中碰撞干涉的研究

在超声检测自动探伤过程中,探头可能和工件发生碰撞干涉。根据曲面工件和圆柱形探头碰撞干涉的特点,给出了一种分级碰撞干涉检测方法。首先利用包围盒算法和几何求交算法剔除大量被检对象分离的情况,然后将可能干涉的3维对象正投影到2维平面中,空间碰撞问题就转化为平面碰撞问题,只需计算投影图是否有重叠就可精确判断是否干涉。工程应用表明,该方法能满足超声检测机器人碰撞干涉检测的高效性和精确性要求,该方法也适用于装配和数控加工中复杂曲面和圆柱体之间的碰撞干涉快速检查。     

声透镜聚焦相控阵换能器的波束特性研究

聚焦声透镜可以使平面换能器获得与球面自聚焦换能器几乎一样的聚焦效果,但对于平面阵列换能器而言,能否利用聚焦声透镜来增强相控聚焦的效果尚待研究。首先基于声透镜聚焦阵列换能器的几何结构,并利用数值计算和有限元仿真的方法,获得了相控条件下声透镜聚焦阵列换能器的辐射声场。其次,利用FPGA相控发射系统激励32(8×4)阵元声透镜聚焦阵列换能器,并采用探针水听器扫描法,获得了各偏转条件下换能器的相控辐射声场,测试结果与仿真计算的结果基本一致。理论计算与实验结果都表明,利用聚焦声透镜可以使平面阵列换能器获得较好的聚焦波束,在一定范围内主瓣可有效偏转、旁瓣较小;但超出该范围则会出现旁瓣变强、散焦等问题。从加工工艺、制造成本方面考虑,声透镜聚焦阵列换能器可以用于小范围内的无损检测,以及人体的局部超声治疗。     

基于图像处理的声相云图评价方法研究

基于图像处理,提出了声相云图评价方法,用于评价声相仪的声源定位误差。分析了声相仪的成像原理,提出将方位角误差和俯仰角误差作为声相云图声源定位误差的评价指标。利用差影法提取声相云图的声源定位成像区域,并经过灰度二值化、腐蚀膨胀和加权平均之后,计算出成像区域中心的像素坐标。在声相仪不同抓拍距离平面内,通过图像标定得到成像区域中心在实际物理空间上的位置坐标,将其与所定位的声源实际位置坐标相比较,计算得到方位角误差和俯仰角误差。实验结果表明,该方法所得方位角和俯仰角与声源实际位置坐标计算所得到的真实值相比,两者差异较小,能够客观地对声相仪的声源定位误差进行评价,且操作简单。     

HIFU治疗中生物组织对声学焦域及声的非线性影响的研究

生物分层组织是高强度聚焦超声治疗中最常见的声通道组织。通过研究生物组织对声学焦域的影响,可以为高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗安全性和可靠性提供理论依据。基于Westervelt方程,利用频域和时域有限元算法仿真HIFU治疗过程中超声透过分层组织后的焦域变化,并用新鲜离体猪肉组织进行实验验证。结果表明:生物组织声学特性的差异性和结构的不均一性使HIFU的声学焦域位置发生改变,尤其在声焦平面内,相对2.5mm的焦域宽度,1mm的偏移量将会对HIFU治疗精准性产生影响;声通道中存在生物组织,超声声束不会发生扩散,没有散焦现象,焦域宽度维持在2.38~2.79mm范围内;HIFU透射生物组织,声学焦域的非线性有明显的减弱,谐波次数越高,衰减程度越大,实验中基波声衰减值为9.97dB,二次谐波声衰减值为22.33dB,三次谐波声衰减值为28.05dB,四次谐波声衰减值为31.06dB,五次谐波已衰减消失。     

变厚度航空锻件超声C扫描技术研究

在对变厚度航空锻件用反射法进行超声波C扫描过程中,介于界面波和底波之间的缺陷识别区间随工件在各扫描点的厚度变化而变化,使得在厚度未知的情况下难以确定缺陷识别区间的范围,这给缺陷自动识别造成困难.针对此问题,通过获取工件厚度值的方法来引导检测程序确定缺陷识别区间.首先对工件表面进行超声波非接触测量,然后基于测量数据用Z-map方法计算工件在各扫描点的粗略厚度值,最后借助工件的厚度信息引导检测程序自动进行底波跟踪和确定缺陷识别区间.应用表明,该方法能较好地满足变厚度航空锻件超声C扫描的要求.     

面向曲面超声检测软件定位方法研究

提出了一种分级匹配的超声检测模板定位方法。首先在待测工件与检测模板工件的包围盒中心分别建立坐标系来进行匹配,然后通过质心匹配使待测工件实际位姿基本与检测模板吻合,再通过完全匹配来实现检测工件的最终定位。通过仿真与实例分析了各级匹配的精度与效果,验证了此分级匹配定位算法的可行性,并给出超声C扫描实例。该算法应用在航空螺旋桨的无损检测上,大大提高了检测效率与可靠性。     

基于模板的大型复杂曲面超声C扫方法

针对大型复杂曲面工件通常采用不完全定位安装,超声C扫查路径生成过程重复耗时的问题,提出了一种基于模板的扫查方法.该方法首先对第1个扫查工件表面进行采样,重构生成初始曲面模型,再通过仿形测量修正初始曲面模型,生成高精度CAD(computer aided design)模板.下一个扫描工件在合理获取少量测量点后,根据模板曲面的几何性质进行精确重定位,并利用模板快速生成该工件的扫查路径.仿真与实验结果表明,该方法可以快速地生成高精度扫查路径,大大缩短了非扫查准备时间,提高了检测效率.     

基于近场测量法的水声换能器声场重建方法研究

为了提高对水声换能器声场分析的效率,开展了基于近场测量法的水声换能器的声场重建方法研究,首先将水声换能器的全息测量面近似为等效声源面,通过积分得到声场重建模型,然后利用自主研发的水下声场测量系统获得发射换能器全息测量面的复声压,实现对其声场的重建,最后比较不同全息测量面的重建结果和实测数据,并分析全息测量面的位置对重建结果的误差影响,得到了重建方法的有效测量区间。该声场重建方法可快速得到水声换能器的声场分布,并且准确可靠。     

粘接层对PVDF换能器性能影响研究

环氧树脂作为聚偏氟乙烯(PVDF)膜与背衬之间的粘接层将会影响换能器的性能.采用52 μm厚的PVDF压电薄膜制作换能器,以EPO-TEK 301环氧树脂和铜分别作为粘接材料和背衬.通过阻抗分析仪和脉冲回波测试得到PVDF薄膜和换能器的压电性能,并与KLM等效模型的仿真结果进行比较,实验结果与仿真结果基本一致.研究结果表明:随着粘接层厚度的增加,换能器的灵敏度和中心频率将会降低,因此,在PVDF换能器设计制作过程中需合理控制粘接层的厚度.     

基于振动声调制的金属微裂纹定位方法研究

针对传统线性超声检测无法检测闭合微裂纹的问题,搭建了铝板的微裂纹振动声调制(VAM)检测系统,提取检测信号中的一阶旁瓣非线性信号和只滤除基波的全部非线性信号并对其时域反转,在ABAQUS有限元软件下,将其加载在铝板的无损模型上实现时间反转聚焦,获取铝板模型能量分布云图和各质点的位移信息,以此对微裂纹进行定位。结果表明,在时反信号的聚焦时刻原裂纹位置处有较强能量聚焦,只滤除基波的全部非线性信号聚焦效果优于一阶旁瓣非线性信号,振动声调制技术与时间反转方法结合能够实现对微裂纹的检测和定位。