凡麗梅，王從科，于 波，段 劍，苗德山

（1.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031；2.必維船級(jí)社（中國(guó)）有限公司，青島 266000）

Imagine 3D是加拿大UTEX公司開(kāi)發(fā)的一款聲線跟蹤超聲模擬軟件。它可以通過(guò)三維界面，精確地展現(xiàn)材料中的聲場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)三維旋轉(zhuǎn)展現(xiàn)任意視角；也可根據(jù)設(shè)定的探頭模擬聲場(chǎng)分布，并為待測(cè)工件選擇最佳探頭和工藝條件，大大提高了檢測(cè)效率。該軟件不僅可以模擬A掃描和B掃描，還具有報(bào)告輸出功能，同時(shí)能夠進(jìn)行各種縱波和橫波模式的轉(zhuǎn)換，以及精確識(shí)別不明A掃描信號(hào)的來(lái)源。

作者采用Imagine 3D仿真模擬軟件，模擬不同探頭、不同頻率、不同水距下的超聲檢測(cè)效果，從而得出最佳檢測(cè)工藝條件；用此最佳檢測(cè)工藝條件，模擬檢測(cè)玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷，并與超聲脈沖反射法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 水浸聚焦探頭聲場(chǎng)原理

晶片直徑為D 的探頭所發(fā)射的聚焦聲束在水中傳播距離H后，進(jìn)入試件，由于界面折射作用，使聲束進(jìn)一步會(huì)聚于焦點(diǎn)A′，這時(shí)在試件中的聚焦深度為l，如圖1所示。

圖1 水浸聚焦檢測(cè)示意

探頭的焦距F和l，H的關(guān)系可由下式計(jì)算：

式中：H為水層距離，mm；F為焦距，mm；l為聚焦深度，mm；cL為試件中的縱波聲速，m／s；c水為水中聲速，m／s。

從式（1）可以看出，確定了聚焦深度和焦距，即可計(jì)算出所需的水層距離H。

2 試驗(yàn)過(guò)程［2－4］

2.1 主要儀器和設(shè)備

儀器：加拿大R／D TECH公司生產(chǎn)的六軸水浸相控陣超聲C掃描成像系統(tǒng)。

探頭：聚焦探頭和平探頭，頻率分別為2.25，5，10MHz，直徑為25.4mm，聚焦探頭焦距為63mm，由加拿大R／D TECH公司生產(chǎn)。

軟件：加拿大UTEX公司生產(chǎn)的Imagine 3D超聲仿真軟件。

2.2 試樣制備

參照GJB－1038.1A－2004《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無(wú)損檢驗(yàn)方法第一部分：超聲波檢驗(yàn)的對(duì)比試樣的制作方法》，制備模擬分層缺陷的玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料試樣（250mm×150mm×10mm）。

在試樣的上表面、兩中心層和下表面不同厚度位置，預(yù)制模擬分層缺陷：每層面均含有邊長(zhǎng)為12.7，9.6，6.4，3.2mm 四種尺寸的人工正方形缺陷，三層缺陷埋深依次為1，5，9mm。

2.3 檢測(cè)工藝條件仿真模擬

2.3.1 模擬聲場(chǎng)

采用Imagine 3D仿真模擬界面，如圖2所示；采用頻率為2.25MHz，直徑為25.4mm，焦距為63mm的聚焦探頭模擬聲場(chǎng)，如圖3所示。

圖2 Imagine 3D模擬界面

從圖3的聲壓分布曲線可以看出，探頭的焦距約為63mm，與探頭標(biāo)稱的焦距相符，且模擬聲場(chǎng)分布與實(shí)際的聚焦探頭聲場(chǎng)分布相一致。

2.3.2 探頭頻率選擇

圖3 聚焦探頭的模擬聲場(chǎng)

采用Imagine 3D軟件，選用頻率分別為2.25，5，10MHz，直徑為25.4mm的平探頭和聚焦探頭進(jìn)行模擬檢測(cè)。模擬條件：平探頭水距40mm，聚焦探頭水距52mm，增益21dB，模擬檢測(cè)的缺陷大小為12.7mm×12.7mm，埋深依次為1，5，9mm。從A掃描信號(hào)圖中得到的信號(hào)幅值大小，如表1所示。

表1 2.25，5，10MHz聚焦探頭和平探頭在不同缺陷埋深下模擬檢測(cè)的回波信號(hào)幅值 V

根據(jù)表1繪制上述探頭的距離波幅曲線，如圖4所示。

圖4 不同探頭在不同頻率下模擬檢測(cè)的距離波幅曲線

從圖4中可以看出，平探頭對(duì)不同埋深下缺陷幅值的變化很小，而聚焦探頭對(duì)不同埋深下缺陷幅度的變化較大。2.25MHz聚焦探頭在不同埋深缺陷的幅值高于5MHz和10MHz聚焦探頭，且高于平探頭的幅值，得出2.25MHz的聚焦探頭的檢測(cè)靈敏度優(yōu)于其他探頭的結(jié)論。因此選擇2.25MHz聚焦探頭進(jìn)行檢測(cè)最佳。

2.3.3 水距選擇

采用2.25MHz聚焦探頭，在水距分別為48，50，52，54，56，58，60，62，63，64，66，68，70，72mm下對(duì)不同埋深的缺陷進(jìn)行模擬檢測(cè)，由A掃描信號(hào)圖得到的回波信號(hào)幅值大小如表2所示。

根據(jù)表2繪制2.25MHz聚焦探頭在不同水距下模擬檢測(cè)的距離幅度曲線，如圖5所示。

表2 2.25MHz聚焦探頭在不同水距下模擬檢測(cè)的幅值V

圖5 2.25MHz聚焦探頭在不同水距下模擬檢測(cè)的距離波幅曲線

從圖5中可以看出，水距為48，50，52，54mm時(shí)，雖然缺陷幅值變化規(guī)律相似，但是水距為52mm時(shí)，對(duì)于埋深5mm缺陷，其幅值高于其余三個(gè)水距下的幅值；對(duì)于埋深1mm和9mm缺陷的幅值相差最小，這有利于不同埋深下缺陷的檢出，并提高了橫向分辨率。而在其余水距下，隨著缺陷埋深的增加，幅值下降很快，容易造成缺陷漏檢，影響橫向分辨率。因此，采用2.25MHz聚焦探頭、水距為52mm進(jìn)行檢測(cè)最佳。

對(duì)于中厚板的檢測(cè)，一般把聚焦焦點(diǎn)放在試樣中間，即l＝5mm，cL＝3300m／s，c水＝1500m／s，從公式（1）計(jì)算出水層距離為52mm。因此用Imagine3D仿真軟件模擬的結(jié)果與理論公式計(jì)算的結(jié)果相吻合。

綜上所述，由Imagine3D仿真模擬得出的最佳檢測(cè)條件為：水浸聚焦探頭，頻率為2.25MHz，水距為52mm。

2.3.4 Imagine 3D仿真模擬檢測(cè)內(nèi)部人工缺陷

根據(jù)Imagine 3D仿真模擬得出的最佳檢測(cè)工藝條件，即采用頻率為2.25MHz，直徑為25.4mm，焦距為63mm的水浸聚焦探頭，在水距52mm，增益21dB，掃描間距0.5mm，掃描速率70mm／s條件下模擬檢測(cè)試樣中的三層缺陷。缺陷的模擬檢測(cè)A掃描圖和B掃描圖，分別如圖6～8所示。

從圖6～8中可以看出，各層中不同尺寸大小的缺陷均能清晰識(shí)別，且缺陷信號(hào)反射波較高。由于軟件的不足，筆者沒(méi)有考慮材料中的衰減及材料復(fù)雜的內(nèi)部性質(zhì)，只在理想條件下進(jìn)行仿真模擬檢測(cè)。2.3.5 聚焦探頭超聲脈沖反射法檢測(cè)內(nèi)部人工缺陷

采用頻率為2.25MHz，直徑為25.4mm，焦距為63mm聚焦探頭，在水距52mm，增益21dB，掃描間距0.5mm，掃描速率70mm／s的條件下檢測(cè)試樣中的三層缺陷。檢測(cè)結(jié)果分別如圖9～11所示。圖中由于聚焦探頭具有聲束細(xì)、聲能集中、分辨力高、信噪比高等特點(diǎn)，各層不同尺寸大小的缺陷均能檢出。

從圖9～11中可以看出，采用Imagine 3D仿真模擬得出的最佳檢測(cè)工藝條件，用聚焦探頭超聲脈沖反射法對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，能夠檢測(cè)出各層不同尺寸大小的缺陷，這與仿真模擬的結(jié)果相匹配。但是因?yàn)榇嬖诓牧系纳⑸渌p、擴(kuò)散衰減及復(fù)合材料復(fù)雜的內(nèi)部性質(zhì)，所以實(shí)際檢測(cè)信噪比不如Imagine 3D仿真模擬時(shí)理想。

3 結(jié)論

（1）采用Imagine 3D軟件仿真模擬，既能模擬已知探頭的聲場(chǎng)，又能模擬檢測(cè)條件，從而獲得最佳檢測(cè)工藝條件。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，用Imagine 3D軟件仿真模擬的結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果相吻合，因此，Imagine 3D仿真模擬是確定檢測(cè)工藝的最佳輔助工具之一。

［1］史亦韋.國(guó)防科技工業(yè)無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材.超聲檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］徐向群，張唯國(guó).電子束焊縫超聲C掃描檢測(cè)技術(shù)［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2007，30（4）：70－74.

［3］李家偉，陳積懋.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］王浩全，曾光宇.玻璃纖維復(fù)合材料超聲C掃描檢測(cè)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2005，26（4）：570－572.