柔性相控陣動(dòng)態(tài)聚焦理論與仿真

王中亞，劉欣平，史猛，李曉利，閆浩明，趙新玉

柔性相控陣動(dòng)態(tài)聚焦理論與仿真

王中亞1，劉欣平2，史猛2，李曉利2，閆浩明3，趙新玉3

(1. 中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，安徽合肥 230088；2. 駐北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司代表室，黑龍江齊齊哈爾 161046；3. 大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116028)

曲面構(gòu)件被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵部位，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題將造成不可估量的后果，為確保曲面構(gòu)件在服役期間安全可靠，對(duì)其定期進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)尤為重要。因超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)靈敏度高、速度快，適用于曲面構(gòu)件的快速檢測(cè)，特別是柔性相控陣換能器的成功研制滿足了復(fù)雜曲面構(gòu)件的檢測(cè)需求，但目前仍缺乏相應(yīng)的理論支撐。因此，提出了復(fù)雜曲面柔性相控陣動(dòng)態(tài)聚焦理論，并建立有限元聲場(chǎng)時(shí)域仿真模型。結(jié)果表明，基于所提出的聚焦理論，采用柔性相控陣換能器可解決復(fù)雜曲面構(gòu)件內(nèi)部微小缺陷檢測(cè)難題，為柔性相控陣換能器參數(shù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，推動(dòng)了柔性相控陣換能器的應(yīng)用與發(fā)展。

柔性相控陣換能器；動(dòng)態(tài)聚焦；時(shí)域仿真研究

0 引言

隨著航空航天、軌道交通等裝備制造領(lǐng)域的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的曲面結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，例如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、鋼軌及船舶結(jié)構(gòu)件等。這類(lèi)復(fù)雜曲面構(gòu)件在制造和服役期間受到生產(chǎn)工藝、復(fù)合載荷以及外界環(huán)境等多重因素影響，致使其表面及內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)氣孔、疏松、裂紋甚至斷裂等各種損傷缺陷，若不能及時(shí)檢出和定量評(píng)價(jià)，將嚴(yán)重影響關(guān)鍵裝備的安全運(yùn)行，甚至?xí)斐蓢?yán)重事故。因此迫切需要曲面構(gòu)件內(nèi)部缺陷的量化檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)而對(duì)構(gòu)件的可靠性和壽命進(jìn)行評(píng)估[1-3]。

超聲相控陣換能器可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)聚焦、探傷靈敏度高、檢測(cè)速度快，近些年得到了廣泛關(guān)注[4-6]。北京航空航天大學(xué)的馬立印等[7]針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片根部裂紋檢測(cè)需求，研制了帶有弧形楔塊的線陣換能器，并進(jìn)行了葉片試件的S掃描試驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的相控陣換能器可實(shí)現(xiàn)葉片根部缺陷檢測(cè)。針對(duì)L型構(gòu)件R區(qū)超聲檢測(cè)難題，徐娜等[8]提出了線陣換能器檢測(cè)方案并開(kāi)展檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了線陣換能器檢測(cè)方法可行；張冬梅等[9]利用弧陣換能器和線陣換能器進(jìn)行了超聲相控陣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)弧陣換能器的檢測(cè)結(jié)果優(yōu)于線陣換能器。但是帶有楔塊的換能器和固定曲率的弧陣換能器加工復(fù)雜且適用范圍有限，難以滿足各類(lèi)復(fù)雜曲面工件檢測(cè)需求。

為檢測(cè)復(fù)雜形廓曲面構(gòu)件，南昌航空大學(xué)[10]和多浦樂(lè)公司分別研制了柔性相控陣換能器，并開(kāi)展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。利用柔性相控陣換能器檢測(cè)曲面構(gòu)件時(shí)，受構(gòu)件曲率影響，很難控制換能器的輻射聲場(chǎng)。因此，本文推導(dǎo)了一維線陣在二維復(fù)雜曲面的動(dòng)態(tài)聚焦算法以準(zhǔn)確計(jì)算輻射聲場(chǎng)偏轉(zhuǎn)聚焦時(shí)各陣元的延遲時(shí)間，并在此基礎(chǔ)上，建立柔性相控陣換能器輻射聲波時(shí)域仿真模型。

1 柔性相控陣動(dòng)態(tài)聚焦方法

超聲相控陣技術(shù)是通過(guò)精確控制每個(gè)陣元的延遲時(shí)間，靈活而方便地控制聲束，實(shí)現(xiàn)波束動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)與聚焦，從而提高超聲檢測(cè)的分辨力、靈敏度，增大信噪比。利用柔性相控陣檢測(cè)復(fù)雜曲面構(gòu)件時(shí)，由于構(gòu)件表面曲率發(fā)生變化，構(gòu)件中聲場(chǎng)分布情況極其復(fù)雜，需深入研究復(fù)雜曲面聲場(chǎng)聚焦特性及分布規(guī)律。本文首先推導(dǎo)了柔性相控陣動(dòng)態(tài)聚焦方法，在此基礎(chǔ)上，采用聲場(chǎng)有限元理論，建立超聲時(shí)域動(dòng)態(tài)仿真模型。

圖1 曲面檢測(cè)的掃描原理示意圖

圖2 曲面工件檢測(cè)的柔性相控陣聚焦原理

尾陣元序列號(hào)為：

點(diǎn)左邊緊鄰陣元的序列號(hào)：

工件曲面能放置的陣元總數(shù)：

其中：

。

基于曲面柔性相控陣聚焦理論，采用相控陣技術(shù)對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的最大特點(diǎn)是，陣元組完成一次電子線性掃描后，用戶可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整聲波偏轉(zhuǎn)角、聚焦深度，實(shí)現(xiàn)超聲波束的動(dòng)態(tài)聚焦，再進(jìn)行下一次探傷掃描，極大地提高了探測(cè)能力和檢測(cè)效率，滿足日益提高的工業(yè)無(wú)損檢測(cè)需求。

2 柔性相控陣時(shí)域仿真分析

結(jié)果表明：按照?qǐng)D3計(jì)算的延遲時(shí)間對(duì)各陣元進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，能實(shí)現(xiàn)柔性相控陣波束動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)與聚焦，驗(yàn)證了曲面柔性相控陣聚焦理論的正確性。

圖3 凹凸面檢測(cè)時(shí)各陣元延遲時(shí)間

(a)=0,=10 mm

(b)=30°,=10 mm

(c)=0,=15 mm

(d)=30°,=15 mm

圖4 基于圖3各陣元延遲時(shí)間的聲束聚焦仿真結(jié)果

Fig.4 Simulation results of beam focusing based on delay times of array element shown in Fig.3

圖5顯示，缺陷半徑為0.05 mm的回波信號(hào)不太明顯，當(dāng)波束遇到小孔缺陷時(shí)方向發(fā)生改變，大部分聲束能量被散射到其他方向；缺陷半徑為0.1、0.2、0.4 mm的回波信號(hào)比較明顯，且信號(hào)峰值隨缺陷半徑增大而增大。為確定缺陷信號(hào)信息，需要利用多個(gè)陣元采集回波信號(hào)，回波信號(hào)到達(dá)各個(gè)陣元的延遲時(shí)間也由上述推導(dǎo)的聚焦法則決定，按照其時(shí)間差對(duì)各陣元接收的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)行延遲疊加，就能得到增強(qiáng)的缺陷回波。以上分析表明，本文推導(dǎo)的延遲聚焦理論，采用柔性相控陣技術(shù)能夠有效檢測(cè)復(fù)雜形廓工件內(nèi)部微小缺陷。

本文也模擬了當(dāng)曲面工件內(nèi)部有多個(gè)孔形缺陷時(shí)，聚焦聲波在不同位置孔缺陷處的散射位移場(chǎng)分布情況。工件結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，探頭的16個(gè)陣元為一組對(duì)工件從凹面到凸面進(jìn)行電子線性掃描，仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 檢測(cè)不同尺寸孔缺陷的仿真結(jié)果

(a) 陣元都在凹面

(b) 凹面、凸面都有陣元

(c) 陣元都在凸面

圖6顯示，無(wú)論是在凹面、凹凸結(jié)合面還是在凸面，探頭根據(jù)計(jì)算得到的各個(gè)陣元延遲時(shí)間進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，輻射波束能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)聚焦，多角度、多方位掃描探傷，可有效提高工件內(nèi)部微小缺陷檢出的能力。

針對(duì)復(fù)雜曲面工件檢測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)高精度、高分辨率的柔性相控陣換能器時(shí)，換能器參數(shù)如陣元數(shù)目、陣元寬度、陣元芯距、中心頻率等都會(huì)影響超聲相控陣換能器輻射聲場(chǎng)特性，僅依靠經(jīng)驗(yàn)難以保證換能器參數(shù)正確。因此，利用本文建立的聚焦延遲方法和聚焦聲場(chǎng)有限元仿真模型，可以分析換能器參數(shù)對(duì)輻射聲場(chǎng)的影響，優(yōu)化換能器參數(shù)以避免較大波束旁瓣和柵瓣產(chǎn)生，進(jìn)而有效提高換能器質(zhì)量。

3 總結(jié)

針對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)難題，本文推導(dǎo)了柔性超聲相控陣聚焦算法，并建立時(shí)域聲場(chǎng)仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)雜曲面聚焦算法的正確性，為柔性陣列換能器的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，促進(jìn)柔性相控陣換能器在曲面工件檢測(cè)中的高效研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。

致謝 感謝吉林大學(xué)鄭艷芳的校改完善。

[1] 林莉, 楊平華, 張東輝, 等. 厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)概述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012, 48(4): 12-20.

LIN Li, YANG Pinghua, ZHANG Donghui, et al. Review of phased array ultrasonic testing for thick wall cast austenitic stainless steel pipeline welds[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(4): 12-20.

[2] 陳世利, 常文爽, 靳世久. 汽輪機(jī)輪緣超聲相控陣檢測(cè)中缺陷方向識(shí)別[J]. 納米技術(shù)與精密工程, 2013, 11(4): 328-333.

CHEN Shili, CHANG Wenshaung, JIN Shijiu. Recognition of defect direction in ultrasonic phased array testing of turbine disc rims[J]. Nanotechnology and Precision Engineering, 2013, 11(4): 328-333.

[3] 陳昌華, 湯志貴, 陳能進(jìn), 等. 列車(chē)車(chē)輪缺陷的超聲波相控陣分析[J]. 物理測(cè)試, 2012, 30(1): 34-39.

CHEN Changhua, TANG Zhigui, CHEN Nengjin, et al. Ultrasonic phased array analysis of railway wheel flaws[J]. Physics Examination and Testing,2012, 30(1): 34-39.

[4] LI C, PAIN D, WILCOX P D, et al. Imaging composite material using ultrasonic arrays[J]. NDT & Einternational(S0963-8695), 2013, 53(16) :8-17.

[5] 趙新玉, 剛鐵, 張碧星. 非近軸近似多高斯聲束模型的相控陣換能器聲場(chǎng)計(jì)算[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 33(5): 475-480.

ZHAO Xinyu, GANG Tie, ZHANG Bixing. Prediction of radiation beam fields from an array transducer with nonparaxial multi-Gaussian beam model[J]. Acta Acustica, 2008, 33(5): 475-480.

[6] 劉曉睿, 劉斯以, 吳斌斌. 超聲相控陣技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用[J]. 硅谷, 2012, 5(17): 125-127.

LIU Xiaorui, LIU Siyi, WU Binbin. Ultrasound phased array technology applications in industry[J]. Silicon Valley, 2012, 5(17): 125-127.

[7] 馬立印, 李洋, 周正干. 檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的相控陣超聲換能器設(shè)計(jì)[J]. 壓電與聲光, 2017, 39(5): 669-672.

MA Liyin, LI Yang, ZHOU Zhenggan. Design of phased array ultrasonic transducer for detection of aero engine turbine blade[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics, 2017, 39(5): 669-672.

[8] 徐娜, 周正干, 劉衛(wèi)平, 等. L型構(gòu)件R區(qū)的超聲相控陣檢測(cè)方法[J]. 航空學(xué)報(bào), 2013, 34(2): 419-425.

XU Na, ZHOU Zhenggan, LIU Weiping, et al. Ultrasonic phased array inspection method for the corner of L-shaped componeents[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(2): 419-425.

[9] 張冬梅, 于光, 周正干, 等. 復(fù)合材料構(gòu)件R區(qū)的超聲相控陣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 39(5): 688-692.

ZHANG Dongmei, YU Guang, ZHOU Zhenggan, et al. Ultrasonic phased array inspection for the corner of composite components[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(5): 688-692.

[10] ?？〗? 魏強(qiáng), 盧超, 等. 寬帶高靈敏度柔性相控陣換能器的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2016, 38(6): 24-27.

CHANG Junjie, WEI Qiang, LU Chao, et al. Development and application of broadband high sensitive flexible array probe[J]. Nondestructive Testing, 2016, 38(6): 24-27.

Dynamic focusing theory and simulation study of flexible phased array

WANG Zhong-ya1, LIU Xin-ping2, SHI Meng2, LI Xiao-li2, YAN Hao-ming3, ZHAO Xin-yu3

(1. China Datang Corporation Science and Technological Research Institute Co., Ltd. Eastern China Branch, Hefei 230088, Anhui, China;2. Representative office of North Hua’an Industry Group Co., Ltd. Qiqihar 161046, Heilongjiang, China;3. School of Material Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, Liaoning, China)

Curved workpieces are widely used in the key parts of various fields, once quality problems arise, it will cause incalculable consequences. In order to ensure the safety and reliability of the curved workpieces during service, it is particularly important to carry out non-destructive testing regularly. The ultrasonic phased array technology is suitable for the rapid detection of curved workpieces due to its high sensitivity and high speed. Especially, the flexible phased array transducer has been successful developed to meet the needs of complex curved workpiece detection, but there is still a lack of corresponding theoretical support. Therefore, a dynamic focusing theory of flexible phased array with complex curved surface is presented in this paper, and a finite element sound field model in time domain is established for simulation. The results show that based on the proposed theory, the flexible phased array transducer can solve the problem of small defect detection in complex curved workpieces, which provides a theoretical basis for the parameter design of flexible phased array transducers and promotes its application and development.

flexible phase array transducer; dynamic focusing; simulation study in time domain

TB553

A

1000-3630(2019)-05-0585-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.05.017

2018-06-02;

2018-07-18

國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目(2016YFF0203000)資助。

王中亞(1986－), 男, 安徽合肥人, 工程師, 碩士, 研究方向?yàn)殡娏π袠I(yè)無(wú)損檢測(cè)工藝及仿真技術(shù)。

趙新玉, E-mail: xyz@djtu.edu.cn