基于孤立波的杨氏模量无损检测换能器研究

基于高度非线性孤立波的基本原理,设计了3个相同的采用PZT压电薄片作为压力传感器的换能器,并将换能器应用到无损检测中,测量了铁氟龙、花岗岩和不锈钢3种材料样本的杨氏模量值。测量结果显示非线性孤立波的特性与被测材料的弹性性质紧密相关。在对样本的100次测量结果中,3个换能器之间的偏差率仅为0.5%,单个换能器的测量结果的标准偏差与均值比低于0.4%,表明不同换能器之间的一致性、单个换能器的可重复性高。换能器测量得到的样本杨氏模量值与理论参数间的偏差率均低于3%,验证了换能器测量结果的可靠性。通过对比超声脉冲速度检测方法,进一步验证了换能器的经济适用性和测量结果的可靠性。     

激光增材制造钛合金构件的阵列超声检测方法研究

钛合金激光增材制造技术已经逐步应用于航空航天等领域中复杂构件的直接近成形制造。然而,由于特殊的制造工艺导致的高衰减性和不均匀性使其内部缺陷采用常规超声检测方法检测效率低、成像结果差,为此研究了阵列超声检测方法在增材制造钛合金构件检测中的关键技术。采用激光增材制造方法制备TC18钛合金试样,利用高频水浸超声方法分析其超声衰减特性,提出适用于增材制造钛合金构件的内部回波成像方法。基于线阵换能器全矩阵数据采集的方法分析声波沿试样不同表面入射时声波群速度随角度的变化规律,对增材制造钛合金试样的各向异性进行分析,并基于测量结果对阵列超声成像算法进行校正。分别采用线阵和环阵换能器对试样进行C扫描检测试验,分析影响检测结果的主要因素。研究结果表明,采用环阵换能器结合全聚焦算法能更精确地表征试样的内部缺陷,在增材制造钛合金构件的无损检测中有较好的应用前景。     

超声相控阵在管道缺陷检测中的优化设计

本文采用具有电子偏转及电子聚焦特性的超声相控阵技术对大口径长输管道环焊缝进行缺陷检测,克服传统无损检测由于焦点固定引起检测过程复杂的不足.相控阵换能器的声场特性决定探伤灵敏度,是换能器设计的主要依据.所以需要对超声相控阵换能器进行优化设计,其目的是研究阵元参数与声场特性之间的关系,尽可能地使主瓣尖锐,抑制栅瓣的产生,减弱旁瓣的幅度.本文首先采用数值分析方法,研究并仿真线阵参数对超声束聚焦性能的影响.然后介绍用超声相控阵换能器进行环焊缝检测的试验平台.在此基础上,选取优化后的超声相控阵探头与一个同频的常规超声探头进行对比试验.试验结果表明了该方法的有效性,能提高相控阵换能器的性能.     

空气耦合式超声波无损检测技术的发展

空气耦合式超声波无损检测技术具有完全非接触、无损伤的特点,可用于传统超声检测手段难以适应的场合.概述空气耦合式超声检测技术的发展历程,简要分析限制该技术发展的主要技术难点,总结提高空气耦合式超声换能器效率的两种主要方法及其研究进展,介绍空气耦合式超声波无损检测技术的主要检测方法和应用领域.研究结果表明,空气耦合式超声波无损检测技术有着良好的应用前景,而高效率的超声换能器是该技术成功应用的基础,也是目前该技术领域的研究热点.     

窄板无损检测用水平剪切波电磁声传感器的研制

低阶水平剪切波具有的几个特点使得它特别适合应用于结构大范围无损检测。通过对换能器几何结构的设计,电磁声换能器能实现多种不同模态导波的激励,如板中的兰姆波和水平剪切波,但电磁声换能器的性能受其结构参数影响很大。为实现磁铁阵列式电磁声换能器的性能评价,开发一种用于换能器远场周向声场分布计算的线源分布模型,对具有不同几何参数的电磁声换能器的性能进行数值计算,如磁铁数量、磁铁周期、线圈的内外径等。这些参数对激励出的SHO波的指向性有很大影响,主要表现在主瓣及旁瓣的幅值及宽度方面。根据数值分析结果,为获得较好的指向性对换能器的结构参数进行优化设计。将优化设计研制出的换能器用于窄板结构无损检测,结果表明窄板的侧边界对SHO波的传播基本没有影响,可用于窄板结构的无损检测。提出可预测出磁铁阵列式电磁声换能器的声场分布并用于换能器参数优化的线源分布模型。     

在线油液磨粒检测聚焦超声换能器声场特性分析

在线超声磨粒检测结果与超声换能器声场特性密切相关,在线油液超声磨粒传感器也是基于换能器声场特性设计的,运用数值模拟方法可以有效地分析超声波声场的特性。首先从理论方面分析了在线超声磨粒检测方法;然后利用时域有限差分法求解KZK方程对超声换能器声场进行仿真;最后搭建润滑油超声波声场分布测量实验系统实际测量超声波声场特性。仿真与实验结果表明:利用时域有限差分法求解KZK方程能够很好的模拟聚焦超声换能器在润滑油中的声场分布情况,聚焦超声换能器的焦斑区域呈椭圆形,长轴约为4 mm,短轴约为0.4 mm,仿真结果与实验结果具有较好的一致性。研究结果为下一步的超声磨粒传感器设计奠定了基础。     

基于空间脉冲响应的超声换能器声场研究

以空间脉冲响应为理论基础,建立了换能器空间声压模型,通过求任意时刻相交弧长对应圆心角的方法,计算了圆形和矩形换能器的脉冲响应函数,并仿真了其声轴线平面、横截面和声轴线的声压分布,通过与理论声压对比,仿真结果可以准确地反映换能器在空间辐射的声场。该方法对优化换能器设计参数和无损检测工艺、提高超声检测分辨率和可靠性有重要意义,也适用于其他形状换能器声场的计算。     

超声导波激励频率选取对其模式控制的影响

超声导波在管道中传播模式有纵波、扭转波和弯曲波三种模式,由于扭转波在管道中传播具有非频散特性,在超声导波管道无损检测中得到广泛应用,但在管道中激发出扭转波的同时常常伴随着纵波的出现,导致超声导波检测信号难以识别和分析处理。针对这一问题,计算管道中超声导波传播频散曲线,通过控制扭转波激励频率在纵波的截止频率区范围内选取的方法,抑制纵波的产生。为了验证该方法的有效性和正确性,利用磁致伸缩导波无损检测装置对管道进行一系列不同激励频率的试验。研究结果表明：试验结果与理论结论相吻合,该方法为导波无损检测信号识别和工程应用提供了十分重要的理论依据和指导作用。     

基于双模式超声换能器的选择性激光熔化316L制件弹性常数无损表征研究

选择性激光熔化技术(SLM)可以快速成型任意结构的金属零件,但其制件的内部组织和材料性能与传统制件有着显著区别。基于双模式超声换能器对SLM 316L不锈钢制件的不同方向弹性常数及其分布进行表征研究。首先通过设计并制备高性能双模式超声换能器,搭建超声弹性常数分布测量系统。对SLM制备的316L不锈钢试样依次进行纵波和两个正交横波声速测量,获得同位置处不同方向弹性模量和泊松比。通过不同成型方向的声速测量,发现SLM制件在堆积z方向熔化层内呈现显著区别,表现出明显的各向异性。而y-z平面内弹性常数分布表征表明,杨氏模量E_(13)大于E_(12),泊松比σ_(13)小于σ_(12),且制件各熔化层弹性常数分布规律相似。此外,还讨论了加工过程中扫描速度和扫描间距等工艺参数对弹性参数的影响。选择性激光熔化制件弹性常数的有效无损表征将为增材制件内部质量控制和工艺改善提供技术基础。     

压电换能器底座ANSYS有限元分析

压电换能器是超声无损检测中的一个重要的组成环节,然而,有许多因素影响压电换能器的性能。文章运用有限元ANSYS软件,模拟出压电换能器的模型,分析其底座对压电换能器性能的影响。结果发现,金属基座不仅具有保护压电材料的作用,解决电极引出问题,而且还能增大压电换能器的输出电压,有效地提高其压电性能。     

测量系统R&R分析在无损检测中的应用

测量系统分析技术是分析测量系统统计分散性及测量能力的重要方法,也是质量改进的技术之一。本文介绍了测量系统分析中的重复性和再现性的分析原理和方法,并将测量系统分析技术引入无损检测,以工业超声检测系统为例,计算了该系统的重复性和再现性,对结果进行了讨论。结果表明测量系统分析技术可以对超声检测系统的测量能力作出判断,也可应用于其他无损检测系统的分析。     

电磁超声全向导波换能器辐射控制方法研究

针对传统电磁超声全向导波换能器因导波内、外辐射致使检测回波信号复杂及信噪比低的问题,设计了一种新型电磁超声全向导波换能器(OUT-EMAT)结构,研究了换能器双线圈结构参数、双激励源控制方法,实现了导波辐射强度与方向控制。根据电磁超声全向换能器理论,建立波动位移叠加的数学模型,并对设计的OUT-EMAT性能进行仿真计算及实验。研究结果表明：与传统全向EMAT相比,OUT-EMAT内、外辐射导波强度之比由1∶1变为2∶9;其外辐射导波强度增加了100%,内辐射导波强度抑制了55.6%;增强了检测回波信噪比,降低了信号复杂度,提高了裂纹缺陷定位准确度;为有效识别裂纹缺陷提供了一种新方法,对实际工程应用具有指导意义。     

线性调频脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用研究

为了提高空气耦合超声检测中的信号强度及其信噪比,研究线性调频脉冲压缩技术在空气耦合超声检测中的应用.介绍线性调频脉冲压缩技术的基本原理及其匹配滤波器的设计与实现,分析脉冲压缩参数对空气耦合超声检测结果的影响,试验研究不同激励方式对空气耦合超声换能器接收信号的影响以及脉冲压缩方法对提高信噪比的实际效果,构建空气耦合超声C扫描检测系统,对碳纤维增强复合材料板进行检测试验.研究结果表明:相对于常规脉冲激励方式,连续波激励方式可提高换能器的能量转换效率,激励信号频率特性与换能器频率特性相一致时效果最佳;应用线性调频脉冲压缩方法后,空气耦合超声检测的信噪比有了明显提高,检测效果得到了明显改善.     

高速公路护栏立柱埋深检测方法的探讨

介绍了目前高速公路护栏立柱埋深的检测方法以及该领域无损检测方法的研究进展.针对目前广泛使用的拔桩检测法的不足,在研究超声导波和弹性波传播特性的基础上,分析了基于这两种波的无损检测方法的原理、设备、特点及其在护栏立柱埋深检测方面的应用,指出开发应用简便、检测精度高的便携式无损检测设备是今后研究的方向.     

超声拉丝换能器的设计

依据1/4波长对超声拉丝换能器进行设计,并对横截面由不同材料组成的换能器振子进行了参数修正.利用ANSYS软件对两种换能器进行振动模态分析,对比分析结果并验证了设计方法.     

纵扭模态叠加型超声振子的设计研究

对纵扭模态叠加型超声振子进行了理论研究,该超声振子由纵扭同频夹心换能器与法兰连接段组成。首先,基于等效电路法和传输线理论,研究了纵向及扭转振动在纵扭同频夹心换能器中的传播规律,得到了该换能器的纵、扭共振的等效电路和频率方程组,并通过合理选择各圆柱段的长度,实现了纵扭同频共振。之后,基于环槽结构具有纵振耦合和扭振隔离的特性,对该换能器进行了简并设计,在其末端构造出了纵、扭简并节点,解决了法兰设置问题。最后,应用有限元软件ANSYS对简并后的超声振子进行仿真分析,结果表明超声振子纵扭共振的同频偏差率得到显著降低。     

超声相控阵检测回波信号相位偏差校正技术研究(英文)

近年来,超声相控阵技术广泛应用于工业无损检测领域。在检测过程中,检测材料和检测系统等方面的扰动因素会造成超声检测回波信号明显的相位偏差,影响检测效果。本文分析研究了造成检测信号产生相位偏差的原因以及对检测效果造成的影响,提出采用信号互协方差分析法实现检测回波信号相位偏差校正。实验结果表明,该方法可有效校正各通道回波信号的相位偏差,提高检测精度。     

一种复杂结构件圆柱面扩散焊缝阵列超声检测方法

航空发动机某高温合金盘构件采用盘体与叶片环进行焊接的方式制备,由于构件结构复杂,在检测圆柱形焊接面缺陷时,采用单晶超声检测换能器检测效率不高,缺陷信号信噪比低。为提高该种结构件的检测能力,研究圆柱面焊缝的阵列超声自动检测方法,分析面积型缺陷和声源的相对位置对缺陷反射声压和波型转换的影响,提出一种基于双阵列换能器的一发一收检测方案。根据高温合金盘结构设计基于双阵列换能器的声束发射-接收方法和圆柱面焊缝全覆盖检测方案;基于时域有限差分方法建立高温合金盘的阵列超声声学响应仿真模型,对检测参数进行设计和优化。对含有人工缺陷的实际试样进行检测试验,结果表明所提出的双阵列超声换能器检测方法能有效检测到圆柱面焊缝区域? 2 mm的当量缺陷。     

基于有限元仿真的EMAT结构优化研究

电磁超声检测作为一种新兴的无损检测手段,在高温在线检测中优势明显,然而换能效率偏低限制了其进一步发展和应用。为提高电磁超声换能器的换能效率,通过原理分析,基于有限元仿真对换能器的磁铁和线圈进行分析。选取磁铁的长、宽、高、间距,蛇形线圈和回形线圈的线粗、长度、导线间距及周期数等参数,分别以磁感应强度和涡流密度为目标进行优化。优化结果有助于在试验研究中节约时间和成本,具有一定的指导意义。     

复合材料板的空耦超声 Lamb 波原位应力测量方法

为了实现大部件复合材料板的原位应力测量,提出了基于 Lamb 波的复合材料板空气耦合超声应力测量方法。 目前, 由于空耦超声换能器声阻抗的严重不匹配导致能量损失严重、空耦超声信号较为微弱,在声学特征准确提取上难度较大。 与此 同时,空耦超声 Lamb 波应力测量方法在复合材料中的应用仍处于理论与实验的探索阶段。 通过实验方法探究碳纤维复合材 料的 Lamb 波声弹性效应规律。 根据复合材料板相速度与最佳入射角频散特性分析确定了空耦超声换能器的中心频率与相对 纯净 A0 模态 Lamb 波的激励方式,使空耦超声 Lamb 波具有较好的信噪比,保证声时提取的准确度。 为了验证所提出方法的有 效性,分别沿着 0°、15°、30°、45°、60°、75° 以及 90° 纤维方向获得 7 个不同的拉伸试样进行应力测量。 实验结果表明,在 0~ 100 MPa 范围内测量误差小于±8. 1 MPa,测量重复性为 7. 5 MPa。 该方法在测量精度和测量重复性等方面具有显著优势,可 为大部件复合材料板的原位应力测量提供一种先进可行的技术。