基于超聲的無損檢測系統(tǒng)設計

目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 基于超聲的無損檢測系統(tǒng)設計摘要超聲波在固體中的應用，首先是在超聲無損檢測中發(fā)展起來的。聲波在不同的結構中表現(xiàn)出不同的特性，可用于檢測。而超聲波無損檢測技術是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的產(chǎn)物，在無損檢測領域中發(fā)展速度快、使用頻率高，已成為四項常規(guī)檢測方法（RT、UT、MT、PT）中的一種成熟檢測技術手段。由于目前有關微電子方面的科技水平在不斷提高，同時人們生活水平也逐漸提高，因此對于超聲波無損檢測的期望和要求也就越來越高。超聲在固體中傳播的數(shù)值模擬成果更直觀地反映了超聲傳播的過程，對研究和發(fā)展超聲波檢測具有重要意義。論文的主要研究包括：（1）介紹了超聲波無損檢測研究發(fā)展的國內外現(xiàn)狀，以及數(shù)值方法仿真的發(fā)展現(xiàn)狀。（2）理論分析了時域有限差分法的和超聲波傳播的原理。介紹了超聲檢測中的頻譜分析。有限元分析方法(FEMM)和差分法對復雜結構和介質具有很強的適應性，是波動的數(shù)值模擬的有力工具。另一方面，較小的缺陷(如裂紋)信息反映在信號的高頻信息部分，噪聲疊加在高頻信息上。在檢測過程中，超聲波不易檢測，因此超聲波在障礙物中散射研究將提高測試結果的可靠性。（3）針對超聲無損檢測介紹了matlab的第三方軟件包simsonic以及通過設置合理的材料參數(shù)建立聲波的傳播模型，實現(xiàn)對聲傳播特性的數(shù)值仿真。（4）FDTD算法的實現(xiàn)以及在固體中超聲波的應用仿真。結合超聲在介質中的傳播理論，分析了超聲波在圓柱工件檢測過程中的傳播特性和傳播路徑。通過仿真技術對缺陷回波信號進行了仿真。（5）因為實踐過程匯總對近場波動能造成的因素有很多，所以理論層面的分析方法通常只適用于情況較為簡單的模型問題之中。此外由于條件準備得不夠充分，現(xiàn)場測試的最終結果很難保證其精準性，所以超聲波聲波傳播的具體過程無法完全呈現(xiàn)。超聲波圖像能夠提供直觀、大量的信息，有效地減少了因檢測物品存在的缺陷導致的人為干擾，提高了無損檢測的可靠性。關鍵詞：超聲檢測；時域有限差分法；simsonic仿真；數(shù)值方法模擬DesignofnondestructivetestingsystembasedonultrasoundAbstractTheapplicationofultrasoundinsolidshasbeendeveloped,firstofall，inultrasonicnondestructivetesting.Soundwavesexhibitdifferentcharacteristicsindifferentstructuresandcanbeusedfordetection.Theultrasonicnondestructivetestingtechnologyistheproductofthedevelopmentofmodernscienceandtechnology.Ithasbeendevelopedrapidlyandwithhighfrequencyinthefieldofnondestructivetesting.Ithasbecomeamaturedetectiontechniqueinthefourconventionaldetectionmethods(RT,UT,MT,PT).Withthecontinuousdevelopmentofmicroelectronicstechnology,peoplehaveputforwardhigherrequirementsforultrasonicnondestructivetesting.Thenumericalsimulationresultsofultrasonicpropagationinsolidsreflecttheprocessofultrasonicpropagationmoredirectly,whichisofgreatsignificancetotheresearchanddevelopmentofultrasonictesting.Themainresearchofthispaperincludes:(1)thedevelopmentofultrasonicnondestructivetestingathomeandabroadisintroduced,aswellasthedevelopmentofnumericalsimulation.(2)theoreticalanalysisofthefinitedifferencetimedomainmethodandtheprincipleofultrasonicpropagation.Thespectrumanalysisinultrasonictestingisintroduced.Thefiniteelementanalysis(FEMM)andthedifferencemethodhavestrongadaptabilitytocomplexstructuresandmedia,andarepowerfultoolsfornumericalsimulationofwavemotion.Ontheotherhand,thesmallerdefects(suchascracks)arereflectedinthehigh-frequencyinformationpartofthesignal,andthenoiseissuperimposedonthehighfrequencyinformation.Inthedetectionprocess,ultrasonicisnoteasytodetect,sothestudyofultrasonicscatteringinobstacleswillimprovethereliabilityofthetestresults.(3)accordingtotheultrasonicnondestructivetesting,thethirdpartysoftwarepackageofMATLABandthepropagationmodelofsoundwavearesetupbysettingreasonablematerialparameterstorealizethenumericalsimulationofsoundpropagationcharacteristics.(4)theimplementationofFDTDalgorithmandthesimulationofultrasonicapplicationinsolids.Becauseofthecomplexityofthenear-fieldwaveproblem,thetheoreticalanalysismethodcanonlystudyrelativelysimplemodelproblems.Themethodoffieldtestisrestrictedbymanyobjectiveconditions.Itisdifficulttoobtainthewholepictureofultrasonicpropagationfrommeasureddata.Theultrasonicimagecanprovideconstitutionandlargeamountofinformation,effectivelyreducingthehumaninterferencecausedbythedetectionoftheexistingdefects,andimprovingthereliabilityofNDT.Keywords:ultrasonictesting；finitedifferencetimedomainmethod；simsonicsimulation；numericalsimulationofdefects第1章緒論1.1論文的研究背景及意義超聲檢測是無損檢測中應用最廣泛的方法之一。它是基于超聲波測量和檢查工件和材料。超聲波檢測技術作為一種常見的無損檢測技術，具有靈敏度高、操作安全、滲透性大、便攜設備、速度快等優(yōu)點。并且該技術被廣泛使用，從檢驗對象來看，它可以是各種機械金屬或非金屬材料零件、結構件、壓力容器和化學容器、動力設備、船體等。它還可以是各種形狀和尺寸的鍛件、焊接件、復合材料等；超聲波無損檢測材料。材料的物理性能、厚度和其他缺陷。無損檢測（NDT）是保證材料質量和質量控制的有效手段。它已廣泛應用于航空航天、鐵路、造船、冶金、機械制造等行業(yè)，帶來了顯著的經(jīng)濟效益。超聲檢測是無損檢測研究和應用中最活躍的方法之一。通過研究超聲波在檢測材料中的傳播，可以檢測材料性能和結構變化的變化。超聲波無損檢測主要具有以下優(yōu)點：（1）檢測范圍寬，可用于金屬、非金屬及復合材料的檢測。（2）波長短，方向性好，穿透能力強，定位準確，探測深度大。（3）不危害人體和周圍環(huán)境。（4）施加在工件上的超聲應力遠低于彈性極限，不會對工件造成損傷。1.2超聲波的數(shù)值仿真超聲檢測結果與超聲換能器的聲場特性密切相關。在超聲傳播特性的模擬中，主要有兩種方法：解析法和數(shù)值法。分析方法的求解過程是滿足該條件的超聲模型方程的精確解。因為實踐過程匯總對近場波動能造成的因素有很多，所以理論層面的分析方法通常只適用于情況較為簡單的模型問題之中。此外由于條件準備得不夠充分，從測量數(shù)據(jù)中獲得精確的解析解是困難的。由于聲學的實際應用，很少有嚴格的理論解析解。因此，隨著計算機技術的不斷進步，工件的數(shù)值計算已成為研究聲場特性的重要手段。固體中超聲的數(shù)值分析將更直觀地顯示超聲波在固體中的傳播過程。利用固體中超聲傳播的計算機模擬部分，對材料組缺陷引起的超聲波的反射和散射進行了分析，并分析了超聲波在檢測過程中的傳播特性。計算結果可用于檢測過程中的波形分析。它提供了非常有用的信息，并在分析缺陷與回調信號之間的關系具有重要的實際意義。有限元分析（FEM）和差分法能夠有效地適用于各類復雜的情況，一般進行數(shù)值模擬時都會優(yōu)先選取這兩種分析方法。此外，利用兩者進行分析時，一些細小缺陷，比如裂紋，都會準確地體現(xiàn)在其信號的信息部分。依靠對整個檢測過程中噪聲疊加的研究，提高了檢測結果的可靠性。1.3時域有限差分法（FDTD）目前，電磁場的時域計算方法越來越受到人們的關注。時域有限差分法（時域有限差分法）是電磁場時域計算的主要方法，是K.S.Yee于1966首次提出的。通過將麥斯威爾方程轉變?yōu)橛邢薏罘址匠?，該方法選擇在時域上進行求解。通過建立離散時間的漸進序列，最終在叫錯網(wǎng)絡的控制鍵之中交替地計算實際電廠以及磁場。它是直接從時域計算出來的，而且容易理解。隨著幾十年來后人們的不斷完善，該方法被逐步推廣，現(xiàn)已遍及各個領域。Matlab是一款應用較為廣泛的仿真工具。針對時域有限差分法，該工具還能簡化程序設計。FDTD方法研究的重點是計算機的低需求，節(jié)省了存儲空間和計算時間，而不必花費太多的時間在編程上。1.4論文的研究工作及結構安排1.4.1論文的研究工作本文主要研究基于超聲波的無損檢測系統(tǒng)的設計。根據(jù)超聲波在無損檢測中的應用現(xiàn)狀和前景，利用連續(xù)介質彈性理論和時域有限差分法（簡稱時域有限差分法），建立了不同的幾何模型。通過改變模型中的變量參數(shù)，系統(tǒng)地分析了波傳播的變化以及超聲波頻率對波傳播的影響。本文采用計算機軟件仿真的研究方法。利用計算機對超聲波在不同材料中的傳播進行了模擬。研究了超聲波在不同材料中的傳播規(guī)律。利用Matlab編程，在基體材料中加入另一種材料，將異質界面添加到基體材料中。分析了超聲在介質中的傳播過程和路徑，以及聲波在材料中傳播的聲壓圖和頻率極圖，研究了超聲波頻率對不同金屬材料無損檢測的影響。另一方面，對仿真軟件中的仿真模型建立技術進行了研究。對超聲回波信號進行了仿真，分析了超聲傳播過程的回波信號和不同缺陷的仿真結果。1.4.2論文結構安排本文的結構框架為：第一章主要研究了課題的背景以及國內外研究現(xiàn)狀，大概介紹了目前超聲波無損檢測的應用狀況，介紹了超聲無損檢測和數(shù)值模擬在實際中的理論基礎和實際意義，并給出了研究工作和結構安排。第二章敘述了超聲波無損檢測的原理及計算機模擬的概述，具體的介紹了超聲波在介質中的傳播理論和波動特性，對于時域有限差分法在超聲波的計算機模擬過程進行闡述，最后對本文中使用的計算機模擬軟件Simsonic2D的基本原理和參數(shù)進行了介紹。第三章結合超聲在介質中的傳播理論，分析了超聲波在圓柱工件檢測過程中的傳播特性和傳播路徑。研究了仿真軟件中的仿真模型技術，并利用聲壓圖分析了聲傳播過程,通過仿真技術對缺陷回波信號進行了仿真。第四章通過超聲波無損檢測，建立了不同類型的散射體和散射體的模型。利用固定散射體改變超聲波頻率研究和分析了不同模型下散射體的超聲波傳播和探測。第五章總結與展望。敘述了本文研究內容中的不足之處，同時以后的研究工作做出一定的期盼。第2章超聲波無損檢測及其數(shù)值仿真2.1聲波在介質中的傳播2.1.1聲波在介質中的傳播粒子在其平衡位置附近的往復運動稱為機械運動[1]。機械振動在彈性介質中傳播，產(chǎn)生機械波。機械波的產(chǎn)生需要兩個必要的條件。首先，有一個波源，它為粒子在平衡位置提供力。其次，有一個彈性介質可以傳播振動。振動從振動源進入彈性介質，并連續(xù)地傳播到距離，形成機械波。機械波可以用波長、波速以及頻率這三個物理量來描述，三者之間的關系為：（2.1）（2.1）在上式中，波的頻率主要是由波源決定的，波速是介質的固定參數(shù)，所以在同一種材料中，頻率越高，波長越小。在波傳播過程中，介質中的粒子不隨波運動。它們在與源相同頻率的初始位置振動，并在相鄰粒子施加的力的作用下將能量傳遞給周圍的粒子。因此，機械波的傳播不是物質的傳播，而是能量的傳播[2]。超聲波是一種機械波。在超聲無損檢測中，利用探針上的壓電晶片產(chǎn)生高平率的機械振動。這種振動在介質中傳播，從而形成超聲波[3]。超聲波存在的區(qū)域稱為超聲場。聲壓和聲強是描述聲場的重要物理量。聲壓是指聲波在介質中的傳播，在介質中一點的壓力與沒有聲波的存在之間的差值[4]。在超聲場中，每個點的聲壓是一個隨時間和距離而變化的變量，對于不衰減的余弦波。聲壓可以使用式（2.2）來描述[5]：（2.2）（2.2）式（2.2）中：是指介質的密度；是指介質中的聲速；是指質點位移振幅；是指角頻率；是指質點振動的速度。是聲壓的振幅。在實際中真正代表超聲波強弱的是聲壓振幅，所以通常把聲壓振幅簡稱為聲壓。2.1.2超聲波傳播的波動特性在超聲無損檢測中，材料缺陷的判斷和定位主要基于超聲波在介質中傳播后的超聲波壓力和波形分析結果。超聲波在材料中的傳播將反映不同的波動特性。疊加：當波在介質中傳播時，如果它在某個點相遇，那么點處的振動就是在這個點上由各種列波引起的振動的合成，因此點處的聲壓等于聲音的矢量和矢量。每一波的壓力。散射和衍射：波在均勻和各向同性介質中沿直線傳播，但在傳播過程中遇到障礙物時會出現(xiàn)一些現(xiàn)象，這些現(xiàn)象與障礙物的大小和材料有關。當波遇到材料中的非均勻界面時，聲波的一部分將在界面處的原始介質中反射，另一部分將通過界面進入新介質，聲波的傳播方向將發(fā)生變化。如果障礙物的大小是有限的，就會發(fā)生衍射和散射。如果障礙物的大小是有限的，遠遠大于超聲波的波長，并且障礙物的聲阻抗與周圍介質有很大的不同，障礙物的波幾乎會被反射，形成障礙物后的聲音膜。如果障礙物的大小與超聲波的波長相似，則超聲波不會根據(jù)幾何規(guī)律反射，而是會發(fā)生不規(guī)則的反射和衍射；若超聲波波長遠大于障礙物的尺寸,超聲波的傳播幾乎不受障礙物的干擾。干涉：當同一頻率的兩個波，相同的振動方向或相同的相位在介質中相遇時，聲波的疊加產(chǎn)生一個非常特殊的現(xiàn)象。合成聲波的頻率與兩波的頻率完全相同，合成聲壓的振幅隨兩波的波程的不同而周期性地出現(xiàn)。某些位置的振動總是被加強，并且在某些位置的振動總是減弱；合成聲壓的最大振幅是兩個波振幅的和，最小振幅是聲壓振幅的差值[5]。雙柱波這種現(xiàn)象是波的干擾。在實際檢測中，由聲源產(chǎn)生的超聲波會出現(xiàn)在聲源附近干擾，因此聲壓在該區(qū)域內具有最大值和最小值。2.2時域有限差分法的基礎理論本文中采用時域有限差分法（FDTD）的數(shù)值方法。該方法通過利用差商代替微分方程中的偏導數(shù)，接下來把求解的微分方程式轉變成一組微分方程，借助T最終求得了近似解。這種數(shù)值方法的最大優(yōu)勢就是計算界面簡明，格式簡單。同時非常適用于求解那種規(guī)則幾何問題，且程序設計得十分簡單。這種數(shù)值方法目前應用比較廣泛，不論是物理學，還是電磁學，還是力學中都能看到這種方法的身影。時域有限差分法中運用的是離散時域波動方程的方法，其特點就是無仁和推導公式，所以其適用范圍更加廣泛，絕不僅僅局限于數(shù)學模型中。差分格式中涉及到全面的介質參數(shù)，所以只需要將參數(shù)代入網(wǎng)格中，將自動模擬出，因此只需要向網(wǎng)格給出相應的參數(shù)。它就可以自動模擬出各類較為復雜的結構，這也是其較為突出的優(yōu)點。同時，因為時域有限差分計算方法采取的是步長法，能夠較為簡便地，并且可以容易模擬各類較為復雜的時域寬帶信號，同時在獲得空間信號中某個點的時域信號波形方面也具有一定的優(yōu)勢[6]。在1966中Yee[7]首次提出了有限差分時域法，給出了麥斯威爾方程的差分形式，用于計算電磁脈沖的傳播和發(fā)射。然后Virieux將其應用于中的彈性動力學中[8，9]。（2.3）（2.3）它是一個具有空間和時間變量的部件，其空間沿X軸和Z軸分散成多個網(wǎng)格單元，然后進行時域離散化，然后在時間域和空間域中的離散值如下：其中Δt表示時間增量步長，Δx和Δz分別表示x軸和z軸方向的網(wǎng)格步長，i,k和n分別表不空間步長和時間步長的個數(shù)。為了求解與F(x，z，t)有關的偏微分方程，用有限差分的形式表示F(z,t)對空間和時間變量的微分，并采用二階精度的中心差分近似，可以得到：（2.4）（2.4）上導數(shù)通過離散點上的差商逼近空間和時間的偏導數(shù)，從而將要求解的偏微分方程轉化為一組相應的微分方程。2.3吸收邊界條件在實際的仿真中，計算機的內存大小和運算速度不是無限的，計算機的計算能力和存儲容量都是仿真中需要考慮的因素。在大多數(shù)情況下，能否實現(xiàn)硬件水平是必須考慮仿真的首要條件，因此時域有限差分法只能計算面積。在有限的范圍內，為了提高計算機操作的效率，在大多數(shù)情況下，在計算區(qū)域的邊緣上設置吸收邊界，以吸收傳輸?shù)竭吔绲穆晫W信號，從而避免對模擬結果的不必要干擾。模擬中常用的吸收邊界是MUR吸收邊界[10]和完全匹配層（PML）吸收邊界。PML介質的聲阻抗與相鄰層的聲阻抗完全相同，因此入射波在PML與相鄰層之間的界面上不會有任何反射，而是直接進入PML。因此，PML模擬是一種在實際中不存在的材料，它能完全吸收超聲波。使用PML邊界可以使仿真結果更容易被分析，因為在有限的區(qū)域內也接收到實際的模擬，因此設置PML邊界可以更好地模擬實際的超聲無損檢測。2.4計算機模擬軟件2.4.1Simsonic2D仿真SimSonic是Matlab應用環(huán)境下的第三方軟件包。它是基于一階中心差分法計算彈性動力學方程，它可以用來模擬聲波在各向異性或各向同性流體和固體中的傳播。該軟件包已被廣泛應用于許多研究[11-15]。（2.6）（2.5）（2.6）（2.5）在數(shù)值計算中，隨著6696仿真模型維數(shù)的增加，計算所占用的計算機資源將迅速增加。在仿真結果不會受到很大影響的情況下，有必要簡化仿真模型。因此，考慮二維模型，選擇SIMSONIC2D進行二維數(shù)值模擬。SIMSONIC2D的計算基礎如下：其中x和t是時空變量，ρ(X)是質量密度，c(X)是四階剛性張量。這些參數(shù)完全定義了材料的性質和幾何結構。（2.7）在二維系統(tǒng)中，可以將上式改寫成如下矩陣形式：（2.7）2.4.2時間交錯網(wǎng)格時間交錯網(wǎng)格如圖2.1所示。速度變量是交叉進行計算的。也就是說，t+Δt時刻的速度是根據(jù)t時刻的速度和t+Δt/2時刻的應力計算而得的。這種算法被稱為蛙跳算法。在Simsonic2D中，第一步計算需要得到t=Δt/2時刻的應力計算得到的。[16]圖2.1時間交錯網(wǎng)格示意圖圖2.2空間交錯網(wǎng)格示意圖與此同時，空間中的盈利變量同樣按照交叉進行計算。其空間交錯網(wǎng)格如圖2.2所示。從圖中可以看到，和處在同一位置。由于處在流體中，它們必須是相同的數(shù)值。為了使計算有較高的精度，和取得越小，網(wǎng)格描述模擬的空間就越接近實際情況，然而和的取值必須遵循穩(wěn)定性條件[17]，即：（2.8）（2.8）在公式（2.8）中，它指的是在所有介質中的最大聲速。介質的聲速是介質的固有性質。超聲波在不同介質中的傳播速度不同。在SimSONIC2D仿真軟件中，可以在參數(shù)文件中改變聲速。在改變模擬材料時，必須改變參數(shù)文件中的聲速。為了保證計算機仿真的準確性，參數(shù)是指模擬空間尺寸，因為Simsonic2D仿真軟件模擬二維材料，因此本文采用2。2.4.3材料參數(shù)的設置Simsonic2D中的材料由密度和材料的彈性模量、、、這五個參數(shù)來定義。其中、、和這四個參數(shù)來源于彈性系數(shù)矩陣中的值，材料的楊氏模量和泊松比是材料的固有特性，每種材料的楊氏模量和泊松比是不同的，這兩個參數(shù)可以通過材料彈性模量表查得[18]。（2.9）（2.9）（2.1（2.10）體積模量尤與楊氏模量五和泊松比v的關系式為:（2.11）（2.11）根據(jù)各向同性材料的彈性介質中應變-應力之間的轉換關系，就可以得到彈性系數(shù)矩陣如式（2.12）所示：（2.12）（2.12）將用來代換，就可以得到：（2.13）（2.13）通過查閱材料彈性模量表，并根據(jù)前文推導得出的公式（2.9）、公式（2.11）和公式（2.13），計算材料的彈性系數(shù)矩陣，然后根據(jù)密度、、、、這五個參數(shù)在Simsonic2D中定義論文中用到的材料。具體材料參數(shù)見表2.1：表2.1Simsonic2D中仿真材料參數(shù)表水1.41.050鋁6.3252.7108.0108.054.027.0鋼5.97.7263.4263.4102.580.5空氣0.3440.0012930.00004290.000042900.0000213彈性常數(shù)互換關系如表2.2所示。表2.2彈性常數(shù)互換表參照上表中的變換關系能夠明確彈性系數(shù)矩陣，進而可以對材料進行明確定義。第3章超聲波無損檢測在圓柱形構件中的應用3.1超聲在圓柱形構件中的的檢測及傳播在超聲波向散射體垂直入射的過程中，聲能的一部分通過界面進入散射體并成為透射波。波的傳播方向不會發(fā)生改變，而聲能中的一部分能量會被界面反射，并且沿著入射波的反方向進行傳播，并成為反射波[19]。在這一章中，本章使用了脈沖反射法這一常用的檢測方法。該方法的原理是，由聲源產(chǎn)生的脈沖波在一定方向上傳播，當聲波阻抗的兩側不同時，反射部分聲波并檢測和接收回聲。對缺陷的大小、形狀和位置進行處理和分析。我們使用超聲波特性來檢測材料中的缺陷。但是，有多少波被傳播，透射波和反射波的比例，以及什么因素決定了透射波和反射波的比例，這是一個值得關注的問題，因為它與散射體的材料的判斷有關。因為介質本身有關聲音阻抗的物理屬性不同，所以在聲波由一種介質傳入另一種介質中時，其中的一部分能量會反射到原介質之中，這就是常說的反射波；而另外一部分的能量穿透了界面一致進行傳播，也就是常說的折射波。且聲波的反射和折射同樣遵循光學中的反射和折射定律。兩種圓柱構件在檢測過程中，超聲都是垂直入射到介質中的。反射波的聲壓與入射波的聲壓之比稱為聲壓的反射率，透射波的聲壓與入射波的聲壓之比稱為聲壓的透射率[20]：（3.1）（3.1）（3.2）其中，中為反射波聲壓；為透射波聲壓；為入射波聲壓；為基質的聲阻抗；為散射體的聲阻抗。本文將研究基于單圓柱截面的二維邊界缺陷檢測。相應的二維截面圖如圖3.1所示。該研究涉及超聲在水-金屬界面和金屬-空氣界面的傳播。根據(jù)式（3.1）和式（3.2），下面針對超聲傳播過程進行分析：（3.2）（1）當探頭發(fā)出的超聲波在部件的下表面?zhèn)鬟f到M點（水-金屬界面）時，金屬的聲阻抗約為水阻抗的30倍，反射聲壓與入射聲壓相等，同時分界面處的合成聲壓是會逐漸上升。所以此時聲波會出現(xiàn)反射同時生成下表面的回波，還伴隨著透射活動，但由于聲壓的實際透射率是大于聲壓的反射率，所以這種情況下透射聲壓應大于反射的聲壓。（2）傳輸聲波在部件內部傳播到N點（金屬-空氣界面）缺陷時，因為單比較聲阻抗這項指標時，空氣是要明顯小于金屬。聲波的實際透射率非常小但是其反射率卻很大，進而造成透射聲壓要明顯小于反射聲壓。當聲波被界面反射之后，探頭會進行搜集，進而產(chǎn)生了缺陷波。而未反射的聲波保持原傳播方向一致進行傳播，直到碰到上表面后反射上表面回波。若未出現(xiàn)缺陷，超聲波會在聲阻抗特性相同的介質中進行傳播，并且將全部投射，那么將沒有缺陷波，聲波將一直傳播到圓柱體的上表面，然后再次反射。（3）如果沒有缺陷，超聲波在相同的聲阻抗介質中傳播，并且將全部透射，那么將沒有缺陷波，聲波將一直傳播到圓柱體的上表面，然后再次反射。圖3.1圓柱件超聲檢測原理圖由于缺陷存在狀況不同，探頭最終搜集到的回波信息也會出現(xiàn)不同表現(xiàn)形式。所以判斷缺陷是否存在，可以依靠缺陷回波來進行判斷：同時參考兩個反射回波傳播路徑、時間間隔和基于M和N的超聲回波的聲速，確定缺陷點的位置。為了理解反射波與透射波之間的能量關系，我們使用聲強反射率和聲強透射比來描述它。聲強反射率是反射波的聲強與入射波強度的比值。聲強透射率是透射波的聲強與入射波強度的比值。根據(jù)上述聲壓與聲強之間的關系，可以得到聲強反射率和聲強透過率的兩個公式[21]。（3.3）（3.3）（3.4）由于該系統(tǒng)滿足能量守恒定律，所以，通過式（4.3）和式（4.4），可以推導出+=1。（3.4）因此，可以得出，反射能量和透射能量的比值取決于界面兩側的聲阻抗。兩種介質之間的聲阻抗差越大，反射的能量越多。兩個介質的聲阻抗越接近，傳輸?shù)哪芰烤驮蕉?。根?jù)這一結論，根據(jù)無損檢測中是否存在反射波，可以根據(jù)反射波與透射波的比值來判斷缺陷的材料和類型。3.2基于圓柱件的超聲檢測3.2.1建立Simsonic2D仿真模型本章以鋁缸組件為研究對象，建立了Simsonic2D中超聲檢測的二維仿真模型，為簡化模型，采用全沉浸耦合技術。如圖3.2所示，最外面的藍色部分表示水。紫色部分指代圓柱體的橫截面，材料被設為金屬鋁，圓柱截面半徑設定為50mm，綠色部分表示氣孔缺陷，材料變成空氣。改變相應的參數(shù)能夠明顯地更變缺陷的位置、形狀以及尺寸。表3.1為材料屬性表。表3.1材料屬性表圖3.2圓柱件模型圖網(wǎng)格大小的設置是仿真的關鍵步驟。網(wǎng)格尺寸過小，單元數(shù)量大，求解速度慢。網(wǎng)眼尺寸變得過大，則會使得求解速度下降。所以在設置網(wǎng)格大小時應當明確所需的求解速度以及精度。對于用于SimSonic的二階時域有限差分格式，最小空間步長為典型的λ/10。圖3.2中底部的紅色舉行代表探頭，為了避免模型邊界的影響，將模型的最外邊界設置為吸收邊界，并且超聲波對外邊界的傳播將被完全吸收，并且不會發(fā)生反應。此外應當把激勵函數(shù)整體加載到接近實際激勵的探頭表面，凈該激勵函數(shù)的頻率設置為1MHZ。圖3.3為實時地求解聲場圖和探頭表面的壓力曲線（回波信號）。在檢測過程中，可以直觀地看到超聲波在圓柱形零件中的傳播。在聲場變化圖中，深紅色部分代表波峰，深藍部分代表波谷，其余顏色部分位于波峰和波谷之間。圖3.3.1是探頭發(fā)出的超聲波。圖3.3.2是聲波傳輸?shù)戒X件下表面，發(fā)生反射和透射。反射波傳播到探頭并被接收，對應右側回波信號上會出現(xiàn)下表面回波，如圖3.3.4所示。當透射聲波通過缺陷時，反射再次發(fā)生。如圖3.3.3所示，反射后又會傳播到探頭處，被探頭接收，缺陷回波將出現(xiàn)相應的右側回波信號中，如圖3.3.5所示。圖8μs圖7μs圖3.3.313.1μs圖3.3.416.7μs圖3.3.523.9μs通過建立圓柱形鋁件超聲檢測仿真模型，對超聲回波信號進行了仿真。在對仿真模型的聲壓圖進行觀察后，分析了超聲波的傳播過程和傳播路徑。由于聲波阻抗的兩側不同時，反射部分聲波并檢測和接收回聲。對缺陷的大小、形狀和位置進行處理和分析。我們使用超聲波特性來檢測材料中的缺陷。通過實時地求解聲場圖和探頭表面的壓力曲線（回波信號），對缺陷的大小、形狀和位置進行處理和分析具有實際意義。第4章超聲波無損檢測的頻率對在不同基質和散射體中的影響4.1水-金屬模型的建立和應用水-金屬模型在超聲無損檢測中有著廣泛的應用。根據(jù)以上情況，兩種材料的聲阻抗相差很大，因此大部分波的能量將變成反射波，并且?guī)缀鯖]有透射聲能，只反射聲能。但空氣的聲阻抗幾乎可以忽略不計，這將帶來非常惡劣的情況。超聲波信號很難通過空氣耦合進入固體材料。在超聲波檢測中，通常使用液體材料，如水和油作為耦合劑。此外，在檢測固體材料的非平行表面上的缺陷時，經(jīng)常采用浸水法，將固體材料浸入水中，然后將超聲波發(fā)射到水中。通過分析超聲波反射波的信息，固體材料的缺陷是否與表面不平行[17]。因此，本文認為，水——金屬模型的模擬不僅可以了解超聲波在液體和金屬中的傳播，而且具有重要的現(xiàn)實意義。在實際生產(chǎn)中，金屬制品容易混入液態(tài)雜質，如金屬零件鑄造中的混合水，容易與油混合沖壓金屬零件。因此，建立金屬作為基質和液體作為散射體的仿真模型具有重要的現(xiàn)實意義。在液態(tài)金屬模型中，超聲在金屬鋁中使用，具有較大的聲阻抗阻抗，而金屬-液體模型是從具有較大聲阻抗的金屬發(fā)射到小聲阻抗的超聲波。在這兩種模型中，聲波在基質中的傳播和透射、反射以及聲波傳播能量與反射聲波能量的比例是不一樣的。為了探究單一變量——超聲波頻率對損損檢測的影響，保持兩種模型信號均使用高斯脈沖超聲波，持續(xù)時間為4微秒，接收器使用半徑為12mm和總共128個點的圓形接收器。在SimSONIC2D仿真軟件中，將材料的密度、、、、五個參數(shù)輸入到參數(shù)文件(parameters.ini2D)中，以定義兩種材料（例如水和金屬）；然后，在MATLAB應用環(huán)境中，諸如信號的頻率等參數(shù)，SIMSONIC2D工具箱完成了信號的持續(xù)時間、信號類型等，并構造了矩陣和散射體。形狀、面積和其他幾何結構；設置接收器和其他操作，然后生成SIMSONIC2D所需的信號文件（.sgl）和幾何結構文件（.MAP2D）來運行仿真，從而可以運行仿真。通過計算機計算生成結果文件（RCV2D2/.SNP2D），在MATLAB中使用SIMSONIC2D工具箱對。因此，可以通過計算文件來獲得仿真結果（材料的聲壓圖和頻率極圖）。4.2超聲波頻率對水——鋼模型檢測的影響論文首先在液體——金屬模型中，基于固定大小的圓盤形鋼件，研究不同超聲波頻率對定尺寸工件檢測的影響?；|定義為25mm的正方形水面，設置半徑為12mm的圓形接收器，鋼件的直徑保持不變，使用直徑為1mm的鋼件作為待檢測的材料并放置在水面的正中心，保持仿真步長為0.025mm，超聲波持續(xù)時間4μs的情況不變，分別施加1MHZ、4MHZ、6MHZ和10MHZ的高斯脈沖波。使用1MHZ的超聲波進行檢測，信號示意圖如圖4.1所示，檢測結果如圖4.2和圖4.3所示：圖4.11MHZ超聲波示意圖圖4.21MHZ超聲波檢測聲壓圖圖4.31MHZ超聲波檢測頻率極坐標圖使用4MHZ的超聲波進行檢測，信號示意圖如圖4.4所示，檢測結果如圖4.5和圖4.6所示：圖4.44MHZ超聲波示意圖圖4.54MHZ超聲波檢測聲壓圖圖4.64MHZ超聲波檢測頻率極坐標圖使用6MHZ的超聲波進行檢測，信號示意圖如圖4.7所示，檢測結果如圖4.8和圖4.9所示：圖4.76MHZ超聲波示意圖圖4.86MHZ超聲波檢測聲壓圖圖4.96MHZ超聲波檢測頻率極坐標圖從模擬結果來看，在應用1MHz信號后，可以看到接收器邊緣附近的強反射波，并且隨著信號頻率的升高，接收到的距離較遠的反射波被接收，這表明基質內部確實存在散射體；在施加4MHz信號后可以看到聲壓。散射體表面的反射波可以被模糊地看到，具有更強的數(shù)目和更多的反射波，并且在6MHz信號的應用之后，介質表面上的反射波可以被完全看到，并且其他反射波以圓盤散射體為圓心輻射開來。這不但可以直觀地證明基質內部存在散射體這一事實而且可以確定散射體的位置就在基質的正中心。因此我們可以得出，在透射和反射方面，水作為基質金屬鋼作為散射體的模型中，水的聲阻抗小于鋼的聲阻抗，信號頻率較低。大量的水和鋼結的信號被傳輸，也就是說，它直接沿直線行進，直接進入鋁。隨著信號頻率的增加，越來越多的信號在結中反射，這有利于散射體的位置信息，但信號的頻率不能持續(xù)增加。信號的過多頻率導致過多的反射波，并且反射波在矩陣中的疊加導致無序的聲壓，不利于判斷散射體的位置。4.2.2超聲波頻率對鋼——水模型檢測的影響基質定義為25mm的正方形鋁面，設置半徑為12mm的圓形接收器，水構成的圓盤形散射體的直徑保持不變，使用直徑為2.5mm的雜質水作為待檢測的材料并放置在鋁面的正中心，設置仿真步長為0.025mm，超聲波持續(xù)時間保持為4μs，分別施加1MHZ、4MHZ、8MHZ的高斯脈沖波。使用1MHZ的脈沖波進行檢測，檢測結果如圖4.10和圖4.11所示：圖4.101MHZ超聲波檢測聲壓圖圖4.111MHZ超聲波檢測頻率極坐標圖使用4MHZ的超聲波進行檢測，檢測結果如圖4.12和圖4.13所示：圖4.124MHZ超聲波檢測聲壓圖圖4.134MHZ超聲波檢測頻率極坐標圖使用10MHZ的超聲波進行檢測，檢測結果如圖4.14和圖4.15所示：圖4.1410MHZ超聲波檢測聲壓圖圖4.1510MHZ超聲波檢測頻率極坐標圖從模擬結果來看，在應用1MHz信號后，散射體表面的聲壓比基體強，而當信號增加時，仍能識別出散射體，但表面上的聲壓僅略高于基質。結果表明，隨著超聲波頻率的增加，液體散射體的尺寸不發(fā)生變化，散射體在聲壓圖上的映射變得越來越模糊。因此我們可以得出，從透射和反射方面來看，在金屬基質模型和液體作為散射體中，超聲波的頻率越高，在矩陣和散射體的交界處就越容易產(chǎn)生傳輸波，也就是說較高的頻率信號將使更多的信號能量穿透到散射體中，并且更少的能量將被反射。不過，要注意的是，散射體的聲阻抗小于基質鋁的聲阻抗，因此反射波的比率必須高于透射波。第5章總結和展望5.1工作總結由于材料特性和結構的不同，聲波的傳播具有不同的特性。通過研究聲傳播特性的變化，可以達到檢測的目的。利用超聲波在介質中傳播時的反射、散射和波形變化現(xiàn)象，可以快速有效地檢測材料相關參數(shù)而不損傷材料。論文研究了超聲波在不同介質中傳播的波形變化情況，進而完成無損檢測研究。論文研究工作如下：（1）系統(tǒng)地闡述了超聲在介質中的傳播理論以及時域有限差分法（FDTD）在計算機模擬中的應用。探討了SIMSONIC2D軟件仿真的原理，研究了軟件中不同材料的定義方法，導出了剛性張量等相關材料參數(shù)，為進一步的仿真和檢測提供了理論基礎。（2）論文以圓柱體工件超聲檢測過程為分析對象，研究了在計算機模擬軟件SIMSONIC2D中建立全浸沒水中的帶有氣孔的鋁件仿真模型的技術，來仿真超聲回波信號，并且利用聲壓圖，分析了超聲在遇到缺陷前后的傳播過程和傳播路徑，發(fā)現(xiàn)與超聲傳播理論相符。（3）建立了以水為基體鋼的水性鋼模型和以水為散射體的金屬水模型。在這兩種不同類型的模型中，建立了固定尺寸的矩陣和固定直徑的圓盤散射體，并系統(tǒng)地分析了超聲波頻率的變化對無損檢測的影響。在散射體大小固定的情況下，在水——金屬模型中，散射體表面反射波的比值隨超聲頻率的增加而增大。因此，在聲壓圖中，頻率越高，越容易檢測散射體的位置和尺寸信息。然而，所選擇的超聲波頻率不能太高，較高頻超聲波會導致材料中的內部反射波過多，導致聲壓圖混亂，這將對觀察產(chǎn)生不利影響，甚至會導致沒有可用的信息。在金屬-水模型中，散射體表面的透射波比隨著超聲頻率的增加而增大。因此，在聲壓圖上，較高頻超聲將降低散射體尺寸信息的精度和位置信息的獲取。5.2研究展望本文的工作取得了一定的成果，但由于時間和計算條件的限制，還有很多方面工作有待進一步開展：（1）本文沒有系統(tǒng)地研究信號持續(xù)時間以及散射體大小對檢測的影響。在無損檢測中發(fā)現(xiàn)，超聲波的持續(xù)時間也會對檢測結果產(chǎn)生一定的影響。信號的持續(xù)時間越短，檢測精度越高，甚至影響散射體的檢測；另外，散射體的大小對獲取其位置信息和大小信息也產(chǎn)生影響。（2）由于在對很小的散射體進行檢測時會出現(xiàn)尺寸效應，頻率過高，會產(chǎn)生雜亂的聲壓圖；而頻率過低，將無法獲得該散射體的位置信息或大小信息。針對這種特殊情況，研究有待進一步調整頻率等參數(shù)。（3）論文研究和討論的模型和缺陷較為單一和規(guī)則，而實際檢測時的構件和缺陷形狀有可能是不規(guī)則的，因此需要結合計算機模擬進一步研究針對更貼近實際情況的構件的超聲無損檢測。參考文獻[1]蔣危平.超聲