基于复杂钢结构无损探伤的超声线阵换能器的研制

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1、基于复杂钢结构无损探伤的超声线阵换能器的研制学生：王文韬罗福平徐国洲张建亮学院：土木工程学院指导老师：单宝华职称：副教授课题研究目的超声相控阵检测在工业无损检测被广泛应用，由于其可实现声束偏转聚焦、电子扫描和动态聚焦，可大大提高扫描范围扫描，具有很高的检测效率。超声相控阵可以实现实时成像，快迅速确定缺陷位置，直观性强，可以对缺陷的位置进行数字化处理。研究相控阵辐射的声场能量的分布，关系到缺陷的检出和定位定量的准确性，使声束的能量集中在某一检测的区域，使得反射的声束也具有很高的能量，与实时成像的效果密切相关，因此研究相控阵的声场的分布显得尤为重要。此

2、外，研究相控阵辐射的声场对换能器的几何参数优化和楔块的设计有重要指导意义，给出了换能器设计的基本思路。课题背景超声技术出现在上世纪初，经过近一个世纪的发展，它已经渗透到国防建设、国民经济、日常生活及科学测量等各个领域，在海洋探测与开发、无损检测与评估、医学诊断及微电子学等领域发挥了巨大的作用[1]。随着科学技术的发展与进步，超声相控阵技术应运而生，并在工程中得到了广泛的应用。相控阵传感器的基本概念很早就被提出，初期主要应用于医学超声成像诊断领域[2]。超声相控阵技术的基本思路来自于雷达电磁波相控阵技术[3]。相控阵雷达天线是由许多辐射单元排成阵列组

3、成，通过控制阵列天线中各个单元上电流的幅度和相位，得到所需要的方向图和波束指向，或者在一定的空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束[4]。超声相控阵换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元,来调整焦点的位置和聚焦的方向与传统的超声换能器相比，超声相控阵的优点：（1）相控阵可通过软件灵活改变偏转角度和聚焦深度，可有效的控制声束的偏转方向和聚焦深度，实现复杂位置和盲区缺陷位置的精确扫查。（2）通过控制换能器阵元的时序激励，使阵元相组合可以实现电子扫描和多角度扫描，大大增加了扫描的范围可以不移动探头或少

4、移动的情况下进行快捷的扫查，提高检测效率。（3）实时成像，快速的检测缺陷的位置，传统的超声检测结果直观性差，不能对缺陷的位置进行数字化图像处理。（4）通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向，可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能的都提高。超声相控阵无损检测技术目前是国际无损检测的研究热点，而国内在这方面起步较晚，相关的研究也比较弱，本课题的研究有利于跟踪学术前沿，拓宽研究领域。国外的研究也是近些年开始的，还有大量的工作需要做，而且及时开展这方面的研究，赶上并达到国际先进水平是有可能的。超声相控阵技术是一种先进的无损检测技术，在国外它大量的应用于航空

5、、核能、机械、电力、石化和铁道等领域，对设备、产品、结构进行检测，而在国内其应用领域并不是很广泛，它创造的社会效益和经济效益没有得到体现，但在已经在航空搞工业和石油输运管道的质量检测中得到应用。国外的超声相控阵检测设备价格很昂贵，进口外国设备成本很高，不利于超声相控阵无损检测设备在国内的大量普及应用。如果能够自行开发相关设备和技术，不会受制于人。而且形成产业，可替代进口。目前，国际上超声技术研究走在前列的科研机构有美国的IowaStateUniversityCNDE，他们利用Gauss-Hermite、SurfaceIntegral、EdgeEle

6、ment等模型计算相控阵辐射的声场，并开发了UTSimulator软件。德国SIMENS及法国的IMASONIC等公司已经生产出商品化超声检测系统及相应的相控阵换能器。法国原子能委员会（CEA）研制了一套动态自适应聚焦系统FAUST,该系统将超声相控阵换能器与一个多通道测量系统相结合，对相控阵阵元激励进行延时和幅值控制，以实现声束的动态控制。从国际上看，动态聚焦、自适应聚焦相控阵系统、表面波及板波相控阵换能器和基于相控阵的数字成像系统等的研制、开发、应用和完善已成为研究重点。课题研究主要内容1.研究单一矩形阵元辐射声场的计算模型，利用非近轴近似的多

7、高斯模型计算单一阵元辐射的声场，给出相控阵声束偏转聚焦的时间延迟算法，计算出单一媒质中超声相控阵辐射的声场。2.研究多重媒质中相控阵声束的传播问题，讨论了多重介质中声波的反射、折射、波形转换和声波的透射系数问题。利用角谱法计算出多重媒质中超声相控阵辐射的声场，并给出了多重介质中相控阵声束偏转聚焦的延迟时间计算算法。3.研究相控阵换能器阵元个数、阵元尺寸、阵元中心间距等几何参数对其声场能量分布的影响，给出换能器几何参数优化设计的基本思路。结论（成果介绍）本文首先介绍了超声相控阵辐射的声场计算模型，并进行比较，选择非近轴近似多高斯模型计算单一介质中相控

8、阵辐射的声场，分析了多重介质声波传播问题，利用角谱法给出多重介质声场的表达式，最后，对换能器的几何参数进行了优化，给出换能