超聲相控陣?yán)碚摷捌湓诤Ｑ笃脚_結(jié)構(gòu)焊縫缺陷檢測中的應(yīng)用研究.pdf

1、超聲相控陣檢測技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來引起國際無損檢測領(lǐng)域的高度重視。在工業(yè)超聲相控陣檢測技術(shù)的應(yīng)用中，使用相控陣探頭進(jìn)行材料探傷主要是利用它的兩大特點(diǎn)：靈活的波束偏轉(zhuǎn)和動態(tài)聚焦。與常規(guī)超聲檢測技術(shù)相比，采用超聲相控陣檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)用較少的探頭與少量的掃查動作完成檢測區(qū)域的全部掃查。而且，將超聲相控陣技術(shù)與成像技術(shù)相結(jié)合，對構(gòu)件內(nèi)部具有極好的實(shí)時成像能力，超聲圖像可以提供直觀和大量的信息，準(zhǔn)確檢測出物體中的缺陷，并確定其位置、大小和性

2、質(zhì)。 陣列換能器是超聲相控陣檢測系統(tǒng)中最具特色也是最關(guān)鍵的傳感器件，其聲場特性是能否獲得并有效利用被檢測部位或區(qū)域回波信息的決定因素，也是設(shè)計(jì)換能器陣的主要依據(jù)。 論文在介紹超聲相控陣工作原理的基礎(chǔ)上，研究了相控線陣換能器波束偏轉(zhuǎn)時間延遲和波束聚焦時間延遲規(guī)則，利用線性聲學(xué)基本原理-Rayleigh積分和Huygens原理，建立了單一矩形陣元、簡單點(diǎn)源線陣、矩形陣元線陣換能器偏轉(zhuǎn)波束和聚焦波束輻射聲場的空間理論模型。

3、 論文從研究超聲相控陣列空間波束指向性函數(shù)入手，系統(tǒng)地分析了相控線陣的聲場特性。重點(diǎn)研究了線陣各設(shè)計(jì)參數(shù)，包括陣元長度、寬度、間距、數(shù)量和中心頻率等對波束偏轉(zhuǎn)和波束聚焦性能的影響。通過引入聲場能量分布因子的新概念，討論了上述陣列參數(shù)對主瓣波束之外聲場能量分布的影響?？偨Y(jié)了最佳主瓣的獲得方法，旁瓣幅值的減小方法，柵瓣的產(chǎn)生機(jī)理與抑制方法，得到了具有重要參考價值的陣列參數(shù)對陣列性能的影響規(guī)律，為陣列參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

4、 論文以方向銳角、波束角、旁瓣幅值、柵瓣等空間波束方向參數(shù)為準(zhǔn)則，對相控線陣換能器陣列參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。從研究簡單點(diǎn)源線陣入手，計(jì)算了陣元間距的上下限取值以及完全消除柵瓣的最佳陣元間距。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)分析及數(shù)值分析的方法，研究了陣元寬度對方向銳角、波束角、旁瓣幅值以及柵瓣等聲場特性參數(shù)的影響，推導(dǎo)了矩形陣元相控線陣的臨界陣元間距，計(jì)算了陣元寬度的上限取值。論文還對陣元間的互輻射、陣元的振動模式、偏轉(zhuǎn)角度的精確控制以及相控

5、陣列換能器工作頻率的選擇原則進(jìn)行了分析研究。根據(jù)陣列參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，編制了相控線陣換能器陣列參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算軟件包，該軟件包可以有效計(jì)算空間波束方向參數(shù)，為陣列換能器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的計(jì)算工具。 論文在分析海洋平臺結(jié)構(gòu)管節(jié)點(diǎn)焊縫常見缺陷特征的基礎(chǔ)上，研究了管節(jié)點(diǎn)焊縫缺陷的檢測方法—斜角探頭檢測法，以及斜角探頭中的重要部件—楔塊兒何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。以T型管節(jié)點(diǎn)焊縫為例，對基于超聲相控陣的焊縫缺陷檢測理論與方法進(jìn)行了研究，給

6、出了相控陣檢測系統(tǒng)的硬件構(gòu)架和軟件模塊，重點(diǎn)探討了相控陣檢測中探測面的選擇、焊縫的區(qū)域劃分、不同檢測區(qū)域檢測角度的配置原則、聚焦柱的確定、檢測深度范圍、檢測“死區(qū)”、相控陣列換能器動態(tài)聚焦的算法實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)，為盡快將相控陣檢測技術(shù)在復(fù)雜焊縫缺陷檢測中的實(shí)用化提供了理論上的指導(dǎo)。 論文采用陣列換能器—試塊系統(tǒng)，對基于相控陣列換能器的超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，對相控線陣換能器波束偏轉(zhuǎn)和聚焦時間延遲規(guī)則理論、陣列波束參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)