軸類(lèi)零件的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的仿真建模研究

董月剛，張吉堂

(中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西 太原 030051)

超聲檢測(cè)是一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，超聲波的特點(diǎn)是傳播能量大、方向性好，而且在介質(zhì)內(nèi)傳播過(guò)程中遇到缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生界面發(fā)射或者引起聲速和能量衰減的變化，利用這一特性就可以達(dá)到檢測(cè)缺陷的目的。

近年來(lái)，超聲檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，且正在向定量化和無(wú)損評(píng)價(jià)(NDE)的方向發(fā)展。目前，超聲檢測(cè)是發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部裂紋類(lèi)缺陷最靈敏的技術(shù)之一。但是，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件的復(fù)雜性和超聲檢測(cè)設(shè)備的局限性，使現(xiàn)場(chǎng)探傷仍然以檢測(cè)波形為主，即通過(guò)傳感器位置與信號(hào)波形的關(guān)系判斷和評(píng)定缺陷。當(dāng)工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜或材質(zhì)特殊時(shí)，識(shí)別缺陷信號(hào)愈加困難，完全依賴(lài)于檢測(cè)人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平?？梢?jiàn)，要提高超聲檢測(cè)的可靠性與柔性化，必須利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬與仿真[1]。

本文以面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z(yǔ)言VC++6.0作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，以O(shè)penGL作為場(chǎng)景開(kāi)發(fā)工具，按照面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)了超聲無(wú)損檢測(cè)仿真系統(tǒng)。根據(jù)此系統(tǒng)來(lái)深入探討超聲波檢測(cè)軸類(lèi)零件的方法研究。

1 超聲波聚焦探頭檢測(cè)軸類(lèi)零件的原理

1.1 超聲波檢測(cè)原理

超聲波是指頻率高于20 kHz的聲波。超聲波具有指向性好、傳播能量大等特性，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。超聲波的聲速、衰減、阻抗和散射特性中包含了豐富的質(zhì)量信息。超聲波檢測(cè)的基本原理是：超聲波在不同的介質(zhì)中傳播時(shí)，將產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射和衰減等現(xiàn)象，使筆者由接收換能器上接收的超聲波信號(hào)的聲時(shí)、振幅、波形或頻率發(fā)生了相應(yīng)的變化，測(cè)定這些變化就可以判定建筑材料的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造,以達(dá)到測(cè)試的目的。當(dāng)超聲遇到缺陷面時(shí)，反射回波幅度會(huì)異常增大，根據(jù)反射幅度、延遲和相位等就可以判斷缺陷的位置、面積和形狀，原理圖如圖1所示。

1.2 超聲波聚焦探頭的選擇

超聲檢測(cè)信號(hào)與超聲檢測(cè)探頭有著密切的關(guān)系，檢測(cè)探頭的性能直接影響到檢測(cè)信號(hào)所包含的缺陷特征的信息量。

水浸法中，因?yàn)槁暿赶蛐圆?，?duì)檢測(cè)不利。為了保證恒定的入射角和不出現(xiàn)許多其他干擾波形，同時(shí)提高檢測(cè)精度和分辨率，多采用聚焦探頭，聚焦的原理是在探頭晶片配上一個(gè)凹面聲透鏡，只要透鏡材料的聲速大于水的聲速，就能使聲束聚焦，如圖2所示。

聚焦探頭以類(lèi)似于光聚焦方式，利用透鏡聚焦使射入工件內(nèi)的超聲波在一定深度范圍內(nèi)匯聚成一個(gè)聲束[2]。這個(gè)聲束有聲束細(xì)、聲能集中、分辨率高、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。聚焦探頭特別適用于高分辨率C掃描成像的檢測(cè)，因此為了利用聚焦探頭聲能集中入射聲壓高、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，把采用聚焦探頭作為解決軸類(lèi)零件檢測(cè)難題的最重要措施。

1.3 超聲波聚焦探頭檢測(cè)軸類(lèi)零件方法

在采用超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)軸類(lèi)零件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要求發(fā)射和接收超聲波的探頭時(shí)刻保持對(duì)準(zhǔn)工件被檢測(cè)點(diǎn)的法線(xiàn)方向,因此必須獲得工件型面的幾何外形參數(shù)[3]。由于軸類(lèi)零件被測(cè)面為圓柱面,必須知道其直徑和軸向尺寸，由此，根據(jù)被檢測(cè)工件的實(shí)際情況，提出了軸類(lèi)零件的超聲缺陷檢測(cè)方法。

首先根據(jù)外部數(shù)據(jù)源(零件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或者測(cè)量數(shù)據(jù))獲取被測(cè)工件的尺寸。然后根據(jù)被測(cè)工件的尺寸模型，通過(guò)對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和檢測(cè)路徑最優(yōu)規(guī)劃，進(jìn)行數(shù)控編程，系統(tǒng)運(yùn)用通用數(shù)控代碼，操作人員根據(jù)不同的零件編寫(xiě)數(shù)控代碼，以進(jìn)行超聲檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)控制。最后上位機(jī)軟件讀入數(shù)控程序，通過(guò)對(duì)零件尺寸參數(shù)和探頭參數(shù)進(jìn)行分析、插補(bǔ)和補(bǔ)償，得出檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 超聲波聚焦探頭檢測(cè)軸類(lèi)零件的仿真建模

2.1 超聲波聚焦探頭的模擬

因此，本文在設(shè)計(jì)模擬超聲波聚焦探頭時(shí)，考慮了探頭參數(shù)以及之間的相互關(guān)系，以達(dá)到實(shí)際探頭與模擬聚焦探頭能夠吻合，如圖5為所輸入的探頭參數(shù)。

2.2 超聲波傳播路徑的模擬

2.2.1 超聲波反/折射原理

超聲波檢測(cè)中分析計(jì)算通常采用幾何光學(xué)的簡(jiǎn)化模型,超聲波的傳播路徑的確定一般也利用光的折射和反射原理,即一般情況下,認(rèn)為超聲波被界面反射后,反射波線(xiàn)和入射波線(xiàn)在一個(gè)平面內(nèi),并且反射角等于入射角；或超聲波由第一媒質(zhì)進(jìn)入第二媒質(zhì)發(fā)生折射后，折射波線(xiàn)位于入射波線(xiàn)和界面法線(xiàn)所決定的平面內(nèi)，折射波線(xiàn)和入射波線(xiàn)分別在法線(xiàn)的兩側(cè)，并且入射角的正弦和折射角正弦的比值，對(duì)折射率一定的兩種媒質(zhì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)常數(shù)。為了方便實(shí)現(xiàn)編程模擬,根據(jù)反射和折射原理,超聲波在平面圖形內(nèi)的傳播過(guò)程可以歸結(jié)為6點(diǎn):

(1)波線(xiàn)遇到其傳播方向上最近的界面線(xiàn)發(fā)生反射與折射;

(2)反射角等于入射角；

(3)折射角的正弦等于折射率乘以入射角的正弦；

(4)反射線(xiàn)和入射線(xiàn)在界面同側(cè)；

(5)折射線(xiàn)和入射線(xiàn)在界面兩側(cè)；

(6)以上5點(diǎn)循環(huán)進(jìn)行。

2.2.2 聲線(xiàn)跟蹤法

“聲線(xiàn)跟蹤法”是目前各種聲學(xué)現(xiàn)象計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程中普遍采用的方法[5]。通常，介質(zhì)環(huán)境的邊界面可以離散成有限的平面。某時(shí)刻在邊界上的某一個(gè)位置向介質(zhì)內(nèi)發(fā)出脈沖波。假定把波引發(fā)振動(dòng)的分子稱(chēng)之為波粒子，按照波的傳播理論，這些波粒子在未與邊界面相遇之前沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。稱(chēng)由當(dāng)前波粒子引發(fā)的下一個(gè)波粒子振動(dòng)的過(guò)程為單步跟蹤過(guò)程，其中把2個(gè)具有因果關(guān)系波粒子之間的連線(xiàn)稱(chēng)之為波線(xiàn)。

將波源對(duì)介質(zhì)內(nèi)提供的能量離散到波源周?chē)邢薜牟Ｗ由?。開(kāi)始時(shí)，每個(gè)波粒子所攜帶能量的方向及大小取決于發(fā)射方向和波源發(fā)射的總能量。當(dāng)波線(xiàn)與所有的邊界面都沒(méi)有交點(diǎn)時(shí)，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的跟蹤計(jì)算；當(dāng)波線(xiàn)與邊界面存在交點(diǎn)時(shí),計(jì)算出波線(xiàn)與邊界面的所有交點(diǎn),取其與傳播方向上最近的交點(diǎn)作為反射點(diǎn),波線(xiàn)在該面上做鏡面反射,反射后的方向由反射定律確定。以后對(duì)該波粒子的跟蹤沿著反射后的新方向進(jìn)行。每次碰撞后,波粒子的能量減少為原來(lái)的(1-λ)(λ為邊界面反射衰減系數(shù))，如果其攜帶的能量低于事先設(shè)定的閾值時(shí),計(jì)算機(jī)將停止對(duì)該波粒子的跟蹤。如此跟蹤完所有波粒子之后,即完成一步跟蹤過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中,當(dāng)波粒子到達(dá)預(yù)先設(shè)定的接收面積或接收體積時(shí),計(jì)算機(jī)將記錄該波粒子的到達(dá)時(shí)間、能量等,以此得到一個(gè)能量的時(shí)間分布,只要時(shí)間間隔、步長(zhǎng)以及波粒子數(shù)目取得合適,就可以把所有波粒子在介質(zhì)中當(dāng)前位置所形成的圖形作為超聲波傳播的仿真圖形。

2.2.3 路徑模擬的總體流程設(shè)計(jì)

按照上述思想,超聲波傳播路徑模擬程序的實(shí)現(xiàn)可以按照一定的步距向各個(gè)界面線(xiàn)搜索，或直接由入射線(xiàn)依次與各界面線(xiàn)求交點(diǎn)，在滿(mǎn)足條件反/折射原理的交點(diǎn)中，求出與上一個(gè)反射點(diǎn)(入射點(diǎn))距離最小的交點(diǎn)即為新的反射點(diǎn)與折射點(diǎn)。一般地，按數(shù)學(xué)方法與界面線(xiàn)方程求交點(diǎn)同按一定的步距搜索相比，程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單一些，運(yùn)行速度要快一些。所以在平面結(jié)構(gòu)的超聲波傳播路徑模擬中采用后面的方案實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)上述基本原理,實(shí)現(xiàn)以長(zhǎng)方形(軸的剖面形狀)結(jié)構(gòu)的超聲波傳播路徑模擬的方法簡(jiǎn)述如下：先根據(jù)方便計(jì)算的原則，把長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)放在一個(gè)合適的直角坐標(biāo)系中，建立所有檢測(cè)工件界面線(xiàn)的數(shù)學(xué)方程。根據(jù)有關(guān)參數(shù)，確定入射線(xiàn)方程。然后依次求解入射線(xiàn)和界面線(xiàn)的交點(diǎn)，并把與入射線(xiàn)不同側(cè) (對(duì)該界面線(xiàn))的交點(diǎn)剔除，再求解剩余各交點(diǎn)和入射點(diǎn)的距離，并比較這些距離的大小，記憶距離最小的交點(diǎn)和其所在的界面線(xiàn)，該交點(diǎn)即為反射點(diǎn)和下一次的入射點(diǎn)，界面線(xiàn)即為反射界面線(xiàn)，下一次反射線(xiàn)必須在該界面線(xiàn)的內(nèi)側(cè)(對(duì)工件而言)。依次類(lèi)推，可以求解并繪制出超聲波的傳播路徑。其路徑模擬的總體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 路徑模擬流程圖

路徑模擬的結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7是模擬聚焦探頭斜入射時(shí)無(wú)缺陷的超聲波傳播路徑情況，圖8是模擬聚焦探頭垂直入射時(shí)有缺陷的超聲波傳播路徑情況。如果采用斜入射方法，需要一發(fā)一收兩個(gè)探頭，若工件內(nèi)部無(wú)缺陷，則可根據(jù)入射角與工件尺寸確定接收探頭的位置，而當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，有時(shí)缺陷會(huì)改變路徑，從使已確定好的接收探頭無(wú)法接收到超聲波。而當(dāng)采用垂直入射方法時(shí)，只需一個(gè)探頭就可以發(fā)射聲波和接收聲波，而當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，有時(shí)缺陷會(huì)改變路徑，從而使探頭無(wú)法接收到超聲波。

3 波形仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)采用水浸法聚焦探頭垂直入射檢測(cè)軸類(lèi)零件的方法，當(dāng)工件內(nèi)部沒(méi)有缺陷時(shí)，探頭可接收到工件表面反射回來(lái)的波與底面多次反射回來(lái)的波。圖9是表面波與第一次底面回波的波形圖。圖10是圖9的模擬波形圖。當(dāng)工件內(nèi)部的缺陷與軸向方向不平行時(shí)，此時(shí)缺陷會(huì)改變超聲波傳播的路徑，從而使探頭無(wú)法接收到底面回波或缺陷面反射回來(lái)的回波，圖11是只有表面波的波形圖，圖12是圖11的模擬波形圖。當(dāng)工件內(nèi)部的缺陷與軸向方向平行時(shí)，探頭會(huì)接收到工件表面波和缺陷面多次反射回來(lái)的波形，圖13是表面波與第一次、第二次缺陷面反射回來(lái)的波形圖，圖14是圖13的模擬波形圖。

前面提到的聲場(chǎng)模型是一種理想的聲場(chǎng)模擬，實(shí)際工程要復(fù)雜得多。聲場(chǎng)模擬可以說(shuō)是整個(gè)模型中最困難的部分。所以這個(gè)部分有很大的提升空間。將模型的波形和實(shí)際獲得的波形進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模型對(duì)系統(tǒng)的模擬比較準(zhǔn)確。

整個(gè)系統(tǒng)具有操作性、界面友好、擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，為用戶(hù)提供了一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，幫助用戶(hù)選擇探頭入射角度、檢測(cè)模式和不同的聚焦深度。不僅可用于超聲檢測(cè)的分析計(jì)算、可檢性評(píng)定，還可用于現(xiàn)場(chǎng)輔助檢測(cè)，對(duì)了解超聲檢測(cè)的覆蓋范圍、工件中某些位置的可檢性、確定實(shí)際檢測(cè)工件中缺陷的位置具有重要意義。

[1]李衍.超聲波探傷的簡(jiǎn)化模型[J].無(wú)損探傷，1997，2：26-29.

[2]《超聲波探傷》編寫(xiě)組.超聲波探傷.北京：電力工業(yè)出版社，1980.

[3]楊辰龍,周曉軍.復(fù)雜曲面工件的超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)研制[J].中國(guó)機(jī)械工程,2005,16(18)：1622-1625.

[4]美國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)，美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)(下)[M],上海:世界圖書(shū)出版公司，1996：143-152.

[5]石教英，虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)及使用算法[M].北京:科學(xué)出版社,2002:262-272.