板中超声导波弧形合成孔径阵列多帧满秩成像检测

超声导波合成孔径阵列作为一种基本的成像方式,其"一发多收"阵列多帧满秩成像具有重要意义。针对板中超声导波弧形合成孔径阵列,运用波幅矩阵和渡时矩阵对弧形阵列接收孔径进行分析讨论,在依次变换发射阵元情况下,研究弧形合成孔径阵列多帧满秩成像和全帧满秩成像。研究结果显示,弧形合成孔径阵列多帧满秩成像可用以表征成像检测区域内散射体信息,弧形阵列自然焦点处多帧满秩图像灰度值基本一致,全帧满秩图像信噪比得到了不同程度增大。由于阵列阵元"边缘效应",阵列边缘阵元所对应的满秩图像背景灰度值增大约50%,全帧满秩图像对比度增大约200%。成像检测试验验证了成像原理的可行性,表明板中超声导波弧形合成孔径阵列多帧满秩成像可有效表征待检区域声场散射信息,研究工作可为深入开展超声导波非规则阵列成像检测研究与应用提供重要基础。     

接收孔径对超声导波合成孔径阵列成像检测的影响分析

为探讨接收孔径对超声导波合成孔径阵列成像检测的影响机制,提出将接收矩阵作为分析工具对超声导波合成孔径阵列成像原理展开研究。针对板中超声水平剪切(Shear horizontal,SH)导波直线合成孔径阵列,运用波幅接收矩阵和渡越时间接收矩阵对接收孔径进行讨论,分析直线阵列信号所特有的圆锥曲线特征和合成孔径成像算法,重点就满秩接收孔径、半(满)秩接收孔径和单(位)秩接收孔径对超声导波合成孔径阵列成像检测的影响机理进行研究。研究结果显示,波幅接收矩阵和渡越时间接收矩阵具有相同的秩,与接收阵元数成正比关系,秩的大小决定阵列成像的信噪比,阵列图像信噪比随秩单调递增;半秩接收孔径图像与满秩接收孔径图像信噪比较为接近,单秩接收孔径图像的信噪最小,图像背景噪声最为强烈。成像试验验证了理论分析的合理性,表明接收矩阵是研究超声导波合成孔径阵列成像的有力工具,接收矩阵的秩是接收孔径对阵列成像检测的结决定性影响因素,论文研究工作可为深入开展超声导波非规则阵列成像检测研究与应用提供基础。     

边界散射对超声水平剪切导波成像检测的影响

超声水平剪切(Shear horizontal,SH)导波在工业在役板材成像检测和结构健康监测(Structural health monitoring,SHM)中有重要的应用价值。基于合成孔径聚焦方法,对钢板中人工缺陷用超声SH导波进行成像,对边界散射条件下的成像检测阵列信号进行分析,探讨了边界散射对超声SH导波成像检测的影响。研究结果表明,基于合成孔径聚焦的超声SH导波成像方法用于板材缺陷成像检测时,超声边界散射使成像信号双曲线阵列特征弱化,缺陷声波信号衰减增大,信号散射噪声增强,进而使成像清晰度降低,易导致漏检;同时边界散射会造成同一缺陷信号产生双峰或多峰,成像信号双曲线阵列特征紊乱,使成像发生畸变,会导致误检。这将为进一步改进工业在役大尺度板材超声导波成像质量与提高结构健康监测水平提供重要基础。     

基于超声全聚焦成像的输气管线焊接缺陷高度测量技术

介绍了一种通过全聚焦图像评价焊缝内部缺陷高度的超声阵列方法。利用超声相控阵全矩阵捕获数据的时域信息对缺陷进行重构,通过对所获缺陷图像的归一化、背景噪声消除等处理,并按照实际板厚对图像进行标定后,直接利用缺陷图像进行缺陷自身高度测量,并将其结果与手工超声、超声衍射时差法及阵列扇扫结果进行对比。结果表明,缺陷全聚焦成像具有较高的成像质量和横向分辨率,缺陷高度定量精度也较基于相位控制的常规阵列超声技术高。     

板结构裂纹兰姆波阵列复合成像方法研究

针对板结构中裂纹方向识别及定量检测问题,提出了一种板结构兰姆波阵列复合成像方法。利用超声阵列采集的单模态兰姆波全矩阵数据,分别提取其幅值信息和极性信息,进行全聚焦成像和极性一致成像,并利用极性一致成像对全聚焦成像进行了加权处理;对全阵列进行子阵列划分,计算出各子阵列的特征矢量,并进行加权合成,得到矢量全聚焦成像;利用全聚焦成像的强度信息和矢量全聚焦成像的方向信息,综合得到兰姆波阵列的复合成像,并从中提取出缺陷的方向及空间分布范围等信息。实验结果表明,提出的兰姆波阵列复合成像方法可以很好地实现板中多个裂纹方向识别,其角度测量误差在20%以内。本文工作为裂纹缺陷识别及定量检测做了有益探索。     

X线阵探测器实时成像系统的设计

为了解决工业无损检测x线的数字化成像问题。本文介绍了一种基于TCP／IP通信协议的X射线无损检测扫描成像系统,阐述了探测器数据接收与成像的基本原理及技术实现,进行了系统硬件和软件的设计。试验结果表明,X-SCANX射线线阵列探测器可以实现16bit高速图像数据获取。空间分辨率可达0．4mm。并取得了比较满意的x射线图像效果。     

超声导波在圆管结构损伤定位中的应用

针对结构损伤会影响超声导波传播,提出基于超声导波无损检测的结构健康监测方法。以内径为174mm、外径为194mm、材料为20~#碳钢的圆管结构为例,根据频散方程利用数值法求解其纵向模态以及周向Lamb波频散曲线。同时考虑其频散曲线和波的结构,确定激励频率中心频率为80kHz。在此基础上进行有限元仿真,验证圆管中导波的传播机理及特征。针对此频率圆管纵向模态导波以及周向Lamb波的频散特性、波的结构比较接近,且都与板中的Lamb波相似,从而提出了单点激励、多点接收,并采用椭圆定位的方法,实现圆管结构损伤定位。通过仿真和实验验证该方法对切槽、圆孔等损伤的识别效果,并对损伤定位误差的影响因素进行了分析。     

基于群速度校准的超声导波技术及在复合材料缺陷检测中的应用

由于在复合材料板中传播的超声导波具有偏斜效应,使得理论群速度与试验测得的群速度不一致,因此需要对群速度幅值和传播方向进行校准。数值计算复合材料板中超声导波频散方程得到S0模态各个方向的理论相速度频散曲线。运用群速度校准法则对S0模态群速度幅度和传播方向进行修正。校准后的理论群速度与试验测得的群速度较为吻合。试验中采用频率200 kHz的S0模态对碳纤维复合材料板中的模拟缺陷进行检测。结果显示采用校准后群速度和试验测得的群速度可准确定位缺陷,且具有很好的一致性。因此,采用群速度校准法则可有效提高各向异性复合材料结构中超声导波的缺陷定位和识别能力。     

基于准三维超声成像的电阻点焊定量检测技术研究

针对利用传统超声C扫成像方法对电阻点焊定量检测时图像对比度分辨率低的问题,对超声波在被测构件中传播时表现出的衰减特性进行了研究,分析了电阻点焊超声信号的特征,测定了超声检测信号在被测工件中的衰减系数,提出了一种准三维电阻点焊超声成像方法。该方法基于小波多子带差异性补偿算法,同时对超声波传播的距离和频率进行了补偿,在减小超声波衰减的同时也提高了电阻点焊超声图像的对比度分辨率。利用该方法开展了电阻点焊相关参数的定量化检测研究,并进行了相关的实验验证。研究结果表明,该技术有效提高了电阻点焊超声成像的对比度分辨率,可以避免图像中目标检测对象与背景的融合现象,提高了电阻点焊参数的定量化检测能力,并可将检测结果友好表征。     

利用导波传输实现二维高频超声振动

为简化二维超声椭圆振动结构,提高刀尖振动响应精度,利用导波具备单向动态刚度特性,研制了利用导波线传导超声振动的高频二维振动装置。该装置由101.96 kHz的纵振换能器和纵-弯复合振动工具头组成,用导波线将换能器和振动工具头连接起来,通过两路激励电源输出相位差的调节,能够获得相应的二维振动轨迹,并利用有限元仿真模态分析对该装置进行结构优化,确定最优结构。对整体二维振动装置振动特性检测结果表明,振动工具头前端的刀尖能产生一个0.4 mm振幅的纵-弯复合振动。该装置可以应用于超精密切削,如航空航天、军事、电子和光学等需要高精度或难加工零部件的加工。     

承压设备的超声检测技术

系统介绍了承压设备的超声检测技术的发展概况。较全面地展示了传统超声检测技术的应用领域,综述了超声衍射时差技术、空气耦合技术和超声导波技术等超声检测新技术的最新研究成果。最后,讨论了承压设备的超声检测技术的发展方向。     

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。     

复合材料层压板钻孔分层激光超声检测方法

飞机复合材料结构钻孔分层的定位、定量检测是无损检测领域的难点之一,也是航空制造领域亟待解决的安全问题之一,激光超声检测技术是解决该问题的可能途径。试验验证利用激光超声检测复合材料钻孔分层的技术可行性。制备复合材料层压板钻孔试样,研究热弹性条件下脉冲激光在复合材料中产生超声波的宽频带特性,提取出满足检测灵敏度、分辨力要求并具有良好信噪比的超声信号;分析近孔边缘分层界面对声传播规律的影响,得出钻孔边缘分层缺陷的激光超声表征方法;采用脉冲反射法、透射法对复合材料钻孔试样进行激光超声C扫描检测,获得钻孔分层缺陷的形貌、尺寸和位置特征。研究结果表明,激光超声检测技术是解决飞机复合材料结构钻孔分层检测问题的有效手段。     

变化环境下的超声导波结构健康监测研究进展

超声导波结构健康监测(Structural health monitoring,SHM)在大规模板和管结构的缺陷诊断中是一个极具吸引力的检测技术。不同研究者均证实环境和操作条件变化,特别是温度和外加载荷变化会掩盖由缺陷引起的信号变化从而限制SHM系统的性能。分别就环境变化中温度和外加载荷对SHM系统中超声导波传播机理的影响进行综述:环境温度的变化会引起样本热膨胀系数和弹性模量的改变,进而影响超声导波在结构中的传播,且相比于超声纵向导波,横波对温度的敏感度较低;外加载荷对导波传播的影响主要体现在时移、幅值及相位的变化上。针对温度变化对导波结构健康监测造成的影响,详细阐述温度补偿法的研究进展,为更好地辨识由缺陷引起的变化和由周围环境引起的良性变化奠定理论基础,为后续超声导波SHM的研究指明方向。     

A possibility of using transverse ultrasonic waves to obtain information on microflaws in steel

A technique for detecting microflaws in metals using transverse ultrasonic waves is proposed. Recommendations for choosing the optimal parameters of receiving angle probes—the probe angle, the piezoelectric-plate diameter, and the regions of arrangement of piezoelectric receivers on the detection surface—are given. The sensitivity of the proposed technique utilizing transverse waves is compared to the sensitivity of ultrasonic laser interferometry for different parameters of tilted piezoelectric receivers.     

Ultrasonic testing on a singly reflected beam using sparse antenna arrays and 3D echo-signal processing

Testing of welded joints in the main shutoff valves (MSVs) of the first circuit of a ВВЭР-440 reactor plant is impeded due to the high structural-noise level and the necessity of using pulses that are singly reflected from the tilted bottom of a branch pipe. Testing on a longitudinal wave leads to the appearance of false reflections, which are formed by pulses at a transverse wave, in the reconstructed image. Since the amplitude of false reflections can be commensurable with the amplitude of reflections that were obtained at longitudinal waves, the analysis of such images may be hampered. To increase the quality of an image, it is proposed to record echo signals using sparse antenna arrays and use 3D processing of echo signals. Numerical and model experiments showed that this approach increases the frontal resolution in the additional plane by several times and reduces the amplitude of false reflections, thus making it possible to increase the sensitivity and reliability of expert ultrasonic testing of the principal shutoff valve.     

Directional Characteristics of a Laser Pulsed Thermoacoustic Emitter in Nonmagnetic Metals

Results of experiments on studying the dependence of the directivity of a pulsed laser thermoacoustic emitter of longitudinal and transverse ultrasonic waves that operates in a nonmagnetic conducting medium on the surface density of laser-radiation heat power are presented. The results can be recommended for nondestructive testing of nonmagnetic materials and articles with laser ultrasonic sources.