董月剛，張吉堂

(中北大學 機械工程與自動化學院，山西 太原 030051)

超聲檢測是一種重要的無損檢測技術(shù)，超聲波的特點是傳播能量大、方向性好，而且在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中遇到缺陷時會產(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到檢測缺陷的目的。

近年來，超聲檢測技術(shù)在工業(yè)中的應用越來越普遍，且正在向定量化和無損評價(NDE)的方向發(fā)展。目前，超聲檢測是發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部裂紋類缺陷最靈敏的技術(shù)之一。但是，現(xiàn)場檢測條件的復雜性和超聲檢測設(shè)備的局限性，使現(xiàn)場探傷仍然以檢測波形為主，即通過傳感器位置與信號波形的關(guān)系判斷和評定缺陷。當工件結(jié)構(gòu)復雜或材質(zhì)特殊時，識別缺陷信號愈加困難，完全依賴于檢測人員的實際經(jīng)驗和技術(shù)水平?？梢?，要提高超聲檢測的可靠性與柔性化，必須利用計算機技術(shù)進行模擬與仿真[1]。

本文以面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言VC++6.0作為系統(tǒng)開發(fā)工具，以O(shè)penGL作為場景開發(fā)工具，按照面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想開發(fā)了超聲無損檢測仿真系統(tǒng)。根據(jù)此系統(tǒng)來深入探討超聲波檢測軸類零件的方法研究。

1 超聲波聚焦探頭檢測軸類零件的原理

1.1 超聲波檢測原理

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，在無損檢測領(lǐng)域中得到了廣泛應用。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。超聲波檢測的基本原理是：超聲波在不同的介質(zhì)中傳播時，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的聲時、振幅、波形或頻率發(fā)生了相應的變化，測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,以達到測試的目的。當超聲遇到缺陷面時，反射回波幅度會異常增大，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

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

水浸法中，因為聲束指向性差，對檢測不利。為了保證恒定的入射角和不出現(xiàn)許多其他干擾波形，同時提高檢測精度和分辨率，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)匯聚成一個聲束[2]。這個聲束有聲束細、聲能集中、分辨率高、信噪比高等優(yōu)點。聚焦探頭特別適用于高分辨率C掃描成像的檢測，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，把采用聚焦探頭作為解決軸類零件檢測難題的最重要措施。

1.3 超聲波聚焦探頭檢測軸類零件方法

在采用超聲檢測系統(tǒng)對軸類零件進行檢測時，要求發(fā)射和接收超聲波的探頭時刻保持對準工件被檢測點的法線方向,因此必須獲得工件型面的幾何外形參數(shù)[3]。由于軸類零件被測面為圓柱面,必須知道其直徑和軸向尺寸，由此，根據(jù)被檢測工件的實際情況，提出了軸類零件的超聲缺陷檢測方法。

首先根據(jù)外部數(shù)據(jù)源(零件設(shè)計數(shù)據(jù)或者測量數(shù)據(jù))獲取被測工件的尺寸。然后根據(jù)被測工件的尺寸模型，通過對檢測機構(gòu)運動學分析和檢測路徑最優(yōu)規(guī)劃，進行數(shù)控編程，系統(tǒng)運用通用數(shù)控代碼，操作人員根據(jù)不同的零件編寫數(shù)控代碼，以進行超聲檢測的運動控制。最后上位機軟件讀入數(shù)控程序，通過對零件尺寸參數(shù)和探頭參數(shù)進行分析、插補和補償，得出檢測的實際運動軌跡。

2 超聲波聚焦探頭檢測軸類零件的仿真建模

2.1 超聲波聚焦探頭的模擬

因此，本文在設(shè)計模擬超聲波聚焦探頭時，考慮了探頭參數(shù)以及之間的相互關(guān)系，以達到實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

超聲波檢測中分析計算通常采用幾何光學的簡化模型,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,認為超聲波被界面反射后,反射波線和入射波線在一個平面內(nèi),并且反射角等于入射角；或超聲波由第一媒質(zhì)進入第二媒質(zhì)發(fā)生折射后，折射波線位于入射波線和界面法線所決定的平面內(nèi)，折射波線和入射波線分別在法線的兩側(cè)，并且入射角的正弦和折射角正弦的比值，對折射率一定的兩種媒質(zhì)來說是一個常數(shù)。為了方便實現(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)的傳播過程可以歸結(jié)為6點:

(1)波線遇到其傳播方向上最近的界面線發(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)反射線和入射線在界面同側(cè)；

(5)折射線和入射線在界面兩側(cè)；

(6)以上5點循環(huán)進行。

2.2.2 聲線跟蹤法

“聲線跟蹤法”是目前各種聲學現(xiàn)象計算機模擬過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。某時刻在邊界上的某一個位置向介質(zhì)內(nèi)發(fā)出脈沖波。假定把波引發(fā)振動的分子稱之為波粒子，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運動。稱由當前波粒子引發(fā)的下一個波粒子振動的過程為單步跟蹤過程，其中把2個具有因果關(guān)系波粒子之間的連線稱之為波線。

將波源對介質(zhì)內(nèi)提供的能量離散到波源周圍有限的波粒子上。開始時，每個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。當波線與所有的邊界面都沒有交點時，只需進行簡單的跟蹤計算；當波線與邊界面存在交點時,計算出波線與邊界面的所有交點,取其與傳播方向上最近的交點作為反射點,波線在該面上做鏡面反射,反射后的方向由反射定律確定。以后對該波粒子的跟蹤沿著反射后的新方向進行。每次碰撞后,波粒子的能量減少為原來的(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,計算機將停止對該波粒子的跟蹤。如此跟蹤完所有波粒子之后,即完成一步跟蹤過程。在這個過程中,當波粒子到達預先設(shè)定的接收面積或接收體積時,計算機將記錄該波粒子的到達時間、能量等,以此得到一個能量的時間分布,只要時間間隔、步長以及波粒子數(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

按照上述思想,超聲波傳播路徑模擬程序的實現(xiàn)可以按照一定的步距向各個界面線搜索，或直接由入射線依次與各界面線求交點，在滿足條件反/折射原理的交點中，求出與上一個反射點(入射點)距離最小的交點即為新的反射點與折射點。一般地，按數(shù)學方法與界面線方程求交點同按一定的步距搜索相比，程序?qū)崿F(xiàn)簡單一些，運行速度要快一些。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現(xiàn)。

根據(jù)上述基本原理,實現(xiàn)以長方形(軸的剖面形狀)結(jié)構(gòu)的超聲波傳播路徑模擬的方法簡述如下：先根據(jù)方便計算的原則，把長方形結(jié)構(gòu)放在一個合適的直角坐標系中，建立所有檢測工件界面線的數(shù)學方程。根據(jù)有關(guān)參數(shù)，確定入射線方程。然后依次求解入射線和界面線的交點，并把與入射線不同側(cè) (對該界面線)的交點剔除，再求解剩余各交點和入射點的距離，并比較這些距離的大小，記憶距離最小的交點和其所在的界面線，該交點即為反射點和下一次的入射點，界面線即為反射界面線，下一次反射線必須在該界面線的內(nèi)側(cè)(對工件而言)。依次類推，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無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)一收兩個探頭，若工件內(nèi)部無缺陷，則可根據(jù)入射角與工件尺寸確定接收探頭的位置，而當工件內(nèi)部有缺陷時，有時缺陷會改變路徑，從使已確定好的接收探頭無法接收到超聲波。而當采用垂直入射方法時，只需一個探頭就可以發(fā)射聲波和接收聲波，而當工件內(nèi)部有缺陷時，有時缺陷會改變路徑，從而使探頭無法接收到超聲波。

3 波形仿真與實驗驗證

本實驗采用水浸法聚焦探頭垂直入射檢測軸類零件的方法，當工件內(nèi)部沒有缺陷時，探頭可接收到工件表面反射回來的波與底面多次反射回來的波。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。當工件內(nèi)部的缺陷與軸向方向不平行時，此時缺陷會改變超聲波傳播的路徑，從而使探頭無法接收到底面回波或缺陷面反射回來的回波，圖11是只有表面波的波形圖，圖12是圖11的模擬波形圖。當工件內(nèi)部的缺陷與軸向方向平行時，探頭會接收到工件表面波和缺陷面多次反射回來的波形，圖13是表面波與第一次、第二次缺陷面反射回來的波形圖，圖14是圖13的模擬波形圖。

前面提到的聲場模型是一種理想的聲場模擬，實際工程要復雜得多。聲場模擬可以說是整個模型中最困難的部分。所以這個部分有很大的提升空間。將模型的波形和實際獲得的波形進行比較，發(fā)現(xiàn)模型對系統(tǒng)的模擬比較準確。

整個系統(tǒng)具有操作性、界面友好、擴展性強、可靠性高等優(yōu)點，為用戶提供了一個試驗平臺，幫助用戶選擇探頭入射角度、檢測模式和不同的聚焦深度。不僅可用于超聲檢測的分析計算、可檢性評定，還可用于現(xiàn)場輔助檢測，對了解超聲檢測的覆蓋范圍、工件中某些位置的可檢性、確定實際檢測工件中缺陷的位置具有重要意義。

[1]李衍.超聲波探傷的簡化模型[J].無損探傷，1997，2：26-29.

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

[3]楊辰龍,周曉軍.復雜曲面工件的超聲無損檢測系統(tǒng)研制[J].中國機械工程,2005,16(18)：1622-1625.

[4]美國無損檢測學會，美國無損檢測手冊(下)[M],上海:世界圖書出版公司，1996：143-152.

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