超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備檢測(cè)中的數(shù)值仿真研究

張 鵬，鄒勵(lì)揚(yáng)，李光曼，徐傳華

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

1 研究背景

超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是廣泛應(yīng)用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，相比于其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它具有：被測(cè)定對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度深；缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高；成本低、使用方便；速度快，對(duì)人體無(wú)害以及現(xiàn)場(chǎng)使用方便等特點(diǎn)[1]。因此超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及相關(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品安全具有重要意義[2]。

超聲波在均勻、連續(xù)、彈性介質(zhì)傳播過(guò)程中，能量損失較少，但當(dāng)介質(zhì)中存在著晶界、缺陷等特征時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射以及衰減等現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)p失較多的能量，使接收端的超聲波信號(hào)的聲時(shí)、振幅、波形或頻率發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)定校核這些變化可以判定檢測(cè)樣品某方面的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷等特征。超聲波遇到缺陷特征時(shí)，反射回波幅度會(huì)增加，根據(jù)接收端的反射幅度、延遲和相位等可以推測(cè)出缺陷的位置、大小和形狀等特征。

本文主要是通過(guò)數(shù)值仿真的方法，研究了超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用，利用CAE（Computer Aided Engineering，工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程）結(jié)果可視化展示了超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)樣品缺陷的過(guò)程，為超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的靈敏度影響因素研究提供了基礎(chǔ)與方法。

2 物理模型描述

2.1 模型描述（圖1）

圖1 超聲波檢測(cè)示意

本模型中超聲傳感器模塊主要包括丙烯酸（酯）類塑料和測(cè)試樣品兩種材質(zhì)，超聲波傳感器沿其法相位置發(fā)射高斯脈沖波，其中心頻率f0=1.5 MHz（圖2）。超聲波通過(guò)塑料傳到金屬樣品中，分為橫波和壓力波兩種路徑傳播，遇到缺陷后反射，并被超聲波傳感器模塊接收，根據(jù)接收的反射波可以判斷缺陷的位置以及形狀特征。

2.2 物理方程

圖2 調(diào)制高斯脈沖波的波形

其中，ρ 為密度，v 為結(jié)構(gòu)速度，F(xiàn)v為外力，E 為結(jié)構(gòu)張力，S為應(yīng)力張量。

3 結(jié)果展示

3.1 不同時(shí)間超聲波波形圖（圖3）

圖3 不同時(shí)間超聲波波形

從圖3 中可以看出，超聲波從傳感器模塊傳到被測(cè)樣品的界面時(shí)，一部分被樣品表面直接反射，一部分進(jìn)入被測(cè)樣品繼續(xù)傳播，在被測(cè)樣品傳播過(guò)程中分為橫波和縱波兩種波形。超聲波遇到被測(cè)樣品的缺陷時(shí)，產(chǎn)生了反射，有部分波反射到傳感器模塊，并被傳感器模塊接收。

3.2 缺陷樣品和無(wú)缺陷樣品波形圖（圖4）

從圖4 中可以看出，超聲波傳感器模塊發(fā)射的是調(diào)制高斯脈沖波，并接收微弱的有界面反射回的超聲波信號(hào)，而在時(shí)間為1.4×10-5s 時(shí)，超聲波傳感器模塊接收到由被測(cè)樣品缺陷導(dǎo)致的反射波。

圖4 缺陷樣品和無(wú)缺陷樣品不同時(shí)間波形

4 結(jié)論

本項(xiàng)目利用數(shù)值仿真的方法，實(shí)現(xiàn)了超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)缺陷過(guò)程中的可視化展示，并為后續(xù)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)靈敏度研究奠定了基礎(chǔ)。