锯齿形超声相控阵声场特性

发布时间：2019-11-07 11:51

【摘要】：针对空心轴类零件的外表面纵向裂纹,该文提出采用锯齿形超声相控阵换能器进行电子旋转扫查检测的方法。为研究锯齿形超声相控阵探头的聚焦声场特性,首先根据射线声学原理,研究该换能器在圆弧形分界面条件下的延迟法则计算方法;其次采用有限元仿真方法分析该换能器超声声场的聚焦声场特性,结合动态光弹实验方法,对聚焦声场进行观测实验;最后在含有人工缺陷试块中进行检测实验。实验结果表明:通过设计相应的聚焦法则,可以实现电子控制声场周向扫查,在聚焦点附近声场能量增大,在远离聚焦点处声场能量减弱,瞬态观测实验声场聚焦效果与仿真结果相符,检测实验缺陷信号明显,无底波干扰。
【图文】：

邹诚，等：锯齿形超声相控阵声场特性６０５空心轴类零件的外表面裂纹分为横向和纵向裂纹，其中横向裂纹的走向平行于横截面方向，，而纵向裂纹的走向沿着轴向方向。图１是机车车轴轴身部位的一种纵向裂纹［１２］。本文基于锯齿形超声相控阵换能器，研究对于空心轴类零件，从内孔检测其外表面纵向裂纹的成像检测方法。针对空心轴外表面纵向裂纹，本文在传统的凸型阵列的基础上进行改进，提出一种锯齿形超声相控阵探头。通过将凸阵表面的阵元旋转一定的角度，采用液体耦合剂将超声波能量传播到零件中去。基于射线追踪法研究锯齿形探头的聚焦法则，并通过有限元仿真方法，分析在曲面液固耦合条件下的锯齿形探头的超声声场的聚焦分布情况，并设计动态光弹实验，进一步对试件中的超声声场进行观测实验。图１机车车轴轴身表面纵向裂纹１锯齿形超声相控阵探头结构一般的相控阵探头采用一维线性探头，由于横波对裂纹的灵敏度高于纵波，因此常在探头与工件之间增加楔块，使发射声场在界面处发生波型转换。本文选取一个空心圆盘作为试块。采用一个锯齿形相控阵探头，从内孔的表面进行检测，通过调节各个阵元的发射时间，根据Ｈｕｙｇｅｎｓ原理，透射横波在线弹性的试块内部发生线性叠加，使得声束能够获得明显的偏转效果，并且能够在比较大的范围内获得偏转声束。阵元的长度方向远大于宽度方向，且检测裂纹为纵向裂纹，因此可以将研究模型简化成二维结构。图２是锯齿形超声相控阵探头在空心轴类零件内的横截面示意图，其中：Ｒ１为通孔半径；Ｒ２为外圆半径；α为各个阵元的偏转角度；δ为阵元之间的间距角；ｗ为各阵元的宽度；β为纵向裂纹相对垂直线的位置角度；ｈ

声相控阵探头结构一般的相控阵探头采用一维线性探头，由于横波对裂纹的灵敏度高于纵波，因此常在探头与工件之间增加楔块，使发射声场在界面处发生波型转换。本文选取一个空心圆盘作为试块。采用一个锯齿形相控阵探头，从内孔的表面进行检测，通过调节各个阵元的发射时间，根据Ｈｕｙｇｅｎｓ原理，透射横波在线弹性的试块内部发生线性叠加，使得声束能够获得明显的偏转效果，并且能够在比较大的范围内获得偏转声束。阵元的长度方向远大于宽度方向，且检测裂纹为纵向裂纹，因此可以将研究模型简化成二维结构。图２是锯齿形超声相控阵探头在空心轴类零件内的横截面示意图，其中：Ｒ１为通孔半径；Ｒ２为外圆半径；α为各个阵元的偏转角度；δ为阵元之间的间距角；ｗ为各阵元的宽度；β为纵向裂纹相对垂直线的位置角度；ｈ为裂纹深度；ｂ为裂纹宽度；ｑ为阵元中心到内孔表面的距离，也就是耦合液的厚度。探头在空心轴类零件内孔中检测的过程如图３所示，探头在前进的过程中无须旋转，即可实现在前进的同时完成整个圆周的检测（耦合液采用机油）。图２横截面及几何尺寸定义图３检测方案三维图（轴段部分剖切）与传统的凸阵或柱形阵不同，锯齿形阵列采用了阵元偏转的结构，通过机油等液体耦合剂，将阵元发射的声波透射到固体工件中，通过设置合适的偏转角α，各个阵元激发出的超声在界面处会发生波型转换，在被测固体工件内产生相应偏转角度的横波。由多通道超声发射接收装置调节各个阵元发射超声的延迟时间，使横波声场在工件内能够发生聚焦偏转。２聚焦声场计算２．１曲形界面透射延迟法则计算方法各个阵元通过液体耦合剂将超声透射到被检测工件中，

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