模擬仿真軟件在超聲檢測教學(xué)中的應(yīng)用

曹恩銘，楊 銘

渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 興城 125105

超聲波檢測技術(shù)由于其設(shè)備輕便、易于攜帶且普通碳鋼的焊接接頭檢測靈敏度適合、檢出率佳等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)、航天航空工業(yè)、核工業(yè)、武器裝備、鐵路與傳播、石油與化工[1-2]、壓力容器與管道和建筑等領(lǐng)域。超聲波檢測技術(shù)是理化測試及質(zhì)檢技術(shù)（無損檢測方向）的專業(yè)核心課程，掌握超聲波檢測技術(shù)對于無損檢測專業(yè)的大學(xué)生來說是必要的。超聲檢測的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識是對于超聲波聲場分布及聲束傳播的理解和應(yīng)用。因此，將模擬軟件應(yīng)用于超聲檢測教學(xué)中，使學(xué)生能夠“直觀”地觀察聲束傳播及聲場分布是一種有效的手段。

1 AnyPhasedArray模擬軟件

AnyPhasedArray是一款具有工件制定、探頭制定、波束線分析和聲場分布分析等功能的超聲檢測模擬軟件。工件制定模塊，可對工件的形狀和尺寸實(shí)時設(shè)置，與其他聲場仿真軟件不同的是，AnyPhased Array能夠直接在工件制定步驟中制定坡口形式、坡口角度、焊縫寬度和下坡口距離等焊縫參數(shù)，減少了建模部分的細(xì)化網(wǎng)格步驟；對于除卻長方體焊件、圓柱體焊件和T型焊件之外的特殊形狀工件，通過加載DXF格式的焊件文件的方式進(jìn)行工件導(dǎo)入；工件模型導(dǎo)入后可直接設(shè)定工件內(nèi)聲速傳播速度，可以制作聲速接近但不同工件的聲場仿真。

探頭制定，可選擇包括常規(guī)水浸探頭、常規(guī)接觸探頭、超聲相控陣[3-4]、TOFD、面陣探頭和柔性相控陣探頭等探頭類型，且具有一定數(shù)量的探頭參數(shù)儲存信息，可供直接使用或基于原有參數(shù)的基礎(chǔ)上調(diào)整為所需參數(shù)后使用。對于超聲檢測的模擬計算中，楔塊參數(shù)設(shè)定通常為學(xué)習(xí)過程中的重難點(diǎn)，由于楔塊聲場添加后增加整體計算量，因此楔塊仿真部分通常被省略，該軟件可直接添加楔塊且楔塊參數(shù)可控，優(yōu)化了楔塊設(shè)定的問題。

2 AnyPhasedArray模擬軟件在理論教學(xué)中應(yīng)用

2.1 超聲波在異質(zhì)界面?zhèn)鞑ブ械睦碚撚嬎?/h3>

超聲波由介質(zhì)1傳播到介質(zhì)2有同種波型的反、折射的同時，伴隨著異種波型的反、折射現(xiàn)象，以入射波為縱波為例，波的傳播及波型轉(zhuǎn)換如圖1所示。

圖1 波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換示意圖

各波的角度可計算并遵循菲涅耳定理，公式如下：

當(dāng)聲波垂直入射時，θ=0時，由公式（1）得，θL1=θL2=θS1=θS2=0。介質(zhì)2中只有縱波；θ大于零度，小于第一臨界角時，介質(zhì)2中有折射橫波、縱波；θ處于第一、二臨界角之間時，介質(zhì)2中只有折射橫波；θ大于第二臨界角，介質(zhì)2里沒有折射波，入射波全反射[5]。

聲壓發(fā)射率為：

其 中，Z為 聲 阻 抗，Z1=ρ1CL1/COS θ；Z2=ρ2CL2/COSθL2；Zt=ρ2CS2/COSθS2。

固體Ⅱ介質(zhì)中的折射縱波聲壓透射率為：

固體Ⅱ介質(zhì)中的折射橫波聲壓透射率為：

綜合公式2、3、4分析可得，介質(zhì)1、2之間的聲壓反射率、折射橫波聲壓透射率、折射縱波的聲壓透射率都與第一介質(zhì)和第二介質(zhì)中的聲阻抗Z1、Z2和Zt有關(guān)。當(dāng)Z2＞＞Z1時，超聲波傳播到異質(zhì)界面，不論異質(zhì)界面是否存在反射體，都會有反射聲波發(fā)生，聲波的兩種介質(zhì)之間的傳播能力差。當(dāng)Z2≈Z1，超聲波垂直入射時，界面無缺陷不存在界面回波，只有第二介質(zhì)的反射體回波存在。超聲波斜入射，超聲波同樣全透射。

實(shí)際檢測中的耦合層厚度控制在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長后，即可忽略耦合層厚度對于超聲傳播過程中的界面影響。因此，模擬仿真過程中，接觸法超聲檢測中的耦合層不需要考慮其對超聲波傳播的影響。

2.2 超聲波在異質(zhì)界面?zhèn)鞑ブ械哪M計算

超聲檢測中常用的檢測方法有橫波斜探頭檢測和縱波直探頭檢測，分別以兩種方式為例，為學(xué)生演示并講解聲場分布時[6]。其中縱波直探頭檢測的重難點(diǎn)在于理解垂直入射聲波的入射和反射；橫波斜探頭檢測的重難點(diǎn)在于傾斜入射聲波的折射和反射。以板對接焊接接頭、單V坡口焊縫為被檢工件，線陣列激發(fā)晶片分別垂直入射和傾斜入射為激發(fā)換能器為例，進(jìn)行仿真計算。

垂直入射演示中聲束線的傳播路徑，垂直入射的聲束是垂直于工件表面、工件底面和超聲換能器晶片傳播的，與理論計算得到的結(jié)論相同；工件上下表面與換能器的晶片處于平行關(guān)系，根據(jù)幾何聲學(xué)的計算，幾何聲學(xué)垂直入射的聲束的反射聲束沿原路徑回到探頭中，不發(fā)生聲束偏移，理論計算結(jié)論與仿真結(jié)果相同。

傾斜入射的聲束與楔塊上表面垂直，與下表面具有入射角度，楔塊下表面與工件界面與楔塊下表面平行。通過理論計算，聲束在入射楔塊上表面時為垂直入射，傳播至楔塊下表面時，發(fā)生聲束折射且符合折射定律，由于楔塊材料為有機(jī)玻璃，縱波聲速為2 730 m/s；工件材料為鋼，橫波聲速為3 230 m/s；通過計算可得，折射橫波角度大于入射縱波角度。

觀察圖2傾斜入射演示中聲束線入射傳播路徑，與理論計算結(jié)論相同。由楔塊與工件界面入射的聲波繼續(xù)沿折射橫波角度在工件內(nèi)傳播至工件與空氣界面時，聲波入射角度等于上一界面中的折射橫波角度且大于工件-空氣界面的第三臨界角，聲波在工件內(nèi)全反射。觀察圖傾斜入射演示中聲束線的反射傳播路徑，與理論計算結(jié)論相同，皆為45°縱波入射角，56.8°橫波折射角。

圖2 傾斜入射演示（折射、反射）

模擬仿真軟件計算結(jié)果和圖像顯示結(jié)論與理論計算結(jié)論相同，證明模擬仿真軟件的可靠。學(xué)生對聲波在超聲換能器內(nèi)部及工件內(nèi)傳播的學(xué)習(xí)和理解，有了可見的學(xué)習(xí)資料。學(xué)生可通過理論計算得到傳播結(jié)論以外，可通過觀察計算圖像結(jié)論在腦中擁有圖像記憶。對于理論計算能力較差的學(xué)生來說，模擬仿真軟件的計算圖像結(jié)論對其理解結(jié)論是有益的。

3 結(jié)論

利用AnyPhasedArray仿真軟件在工藝制定探頭選擇的應(yīng)用，不僅可以驗證選擇K值是否正確，而且能夠驗證掃查聲場覆蓋情況，降低制作模擬試塊的費(fèi)用。

利用AnyPhasedArray仿真軟件，在縱波直探頭和橫波斜探頭激發(fā)超聲波在異質(zhì)界面上的折射和反射傳播過程的仿真計算、一二次波的聲波傳播過程計算、定位的應(yīng)用、不同K值探頭的聲場傳播過程計算和聲場覆蓋中進(jìn)行應(yīng)用，得到的數(shù)據(jù)以圖像顯示計算結(jié)果，更利于學(xué)生的理解，將文字記憶方式改編為圖像記憶，增強(qiáng)學(xué)生對超聲檢測中重難點(diǎn)的混合式記憶。學(xué)生可以把本來抽象的看不到的聲場，通過自己對于軟件的應(yīng)用，以計算圖像的形式觀察結(jié)論，提升了學(xué)生在學(xué)習(xí)超聲檢測重難點(diǎn)知識的信心，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和成就感。