王中亞，劉欣平，史猛，李曉利，閆浩明，趙新玉

柔性相控陣動態(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)用在各個領(lǐng)域的關(guān)鍵部位，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問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，對其定期進(jìn)行無損檢測尤為重要。因超聲相控陣技術(shù)檢測靈敏度高、速度快，適用于曲面構(gòu)件的快速檢測，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態(tài)聚焦理論，并建立有限元聲場時域仿真模型。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)部微小缺陷檢測難題，為柔性相控陣換能器參數(shù)設(shè)計提供了理論依據(jù)，推動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；動態(tài)聚焦；時域仿真研究

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，越來越多的曲面結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，例如發(fā)動機(jī)葉片、鋼軌及船舶結(jié)構(gòu)件等。這類復(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，若不能及時檢出和定量評價，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)部缺陷的量化檢測技術(shù)，進(jìn)而對構(gòu)件的可靠性和壽命進(jìn)行評估[1-3]。

超聲相控陣換能器可實現(xiàn)動態(tài)偏轉(zhuǎn)聚焦、探傷靈敏度高、檢測速度快，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]針對發(fā)動機(jī)葉片根部裂紋檢測需求，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，結(jié)果驗證所設(shè)計的相控陣換能器可實現(xiàn)葉片根部缺陷檢測。針對L型構(gòu)件R區(qū)超聲檢測難題，徐娜等[8]提出了線陣換能器檢測方案并開展檢測試驗，驗證了線陣換能器檢測方法可行；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，發(fā)現(xiàn)弧陣換能器的檢測結(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，難以滿足各類復(fù)雜曲面工件檢測需求。

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

1 柔性相控陣動態(tài)聚焦方法

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

圖1 曲面檢測的掃描原理示意圖

圖2 曲面工件檢測的柔性相控陣聚焦原理

尾陣元序列號為：

點左邊緊鄰陣元的序列號：

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)對復(fù)雜曲面構(gòu)件進(jìn)行無損檢測的最大特點是，陣元組完成一次電子線性掃描后，用戶可根據(jù)實際需要調(diào)整聲波偏轉(zhuǎn)角、聚焦深度，實現(xiàn)超聲波束的動態(tài)聚焦，再進(jìn)行下一次探傷掃描，極大地提高了探測能力和檢測效率，滿足日益提高的工業(yè)無損檢測需求。

2 柔性相控陣時域仿真分析

結(jié)果表明：按照圖3計算的延遲時間對各陣元進(jìn)行信號激勵，能實現(xiàn)柔性相控陣波束動態(tài)偏轉(zhuǎn)與聚焦，驗證了曲面柔性相控陣聚焦理論的正確性。

圖3 凹凸面檢測時各陣元延遲時間

(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的回波信號不太明顯，當(dāng)波束遇到小孔缺陷時方向發(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的回波信號比較明顯，且信號峰值隨缺陷半徑增大而增大。為確定缺陷信號信息，需要利用多個陣元采集回波信號，回波信號到達(dá)各個陣元的延遲時間也由上述推導(dǎo)的聚焦法則決定，按照其時間差對各陣元接收的信號進(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)部有多個孔形缺陷時，聚焦聲波在不同位置孔缺陷處的散射位移場分布情況。工件結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，探頭的16個陣元為一組對工件從凹面到凸面進(jìn)行電子線性掃描，仿真計算結(jié)果如圖6所示。

圖5 檢測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，無論是在凹面、凹凸結(jié)合面還是在凸面，探頭根據(jù)計算得到的各個陣元延遲時間進(jìn)行信號激勵，輻射波束能實現(xiàn)動態(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。

針對復(fù)雜曲面工件檢測問題，設(shè)計高精度、高分辨率的柔性相控陣換能器時，換能器參數(shù)如陣元數(shù)目、陣元寬度、陣元芯距、中心頻率等都會影響超聲相控陣換能器輻射聲場特性，僅依靠經(jīng)驗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有限元仿真模型，可以分析換能器參數(shù)對輻射聲場的影響，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)

針對復(fù)雜曲面構(gòu)件無損檢測難題，本文推導(dǎo)了柔性超聲相控陣聚焦算法，并建立時域聲場仿真模型，仿真結(jié)果驗證了復(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中的高效研發(fā)和實際應(yīng)用。

致謝 感謝吉林大學(xué)鄭艷芳的校改完善。

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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

國家重點研究項目(2016YFF0203000)資助。

王中亞(1986－), 男, 安徽合肥人, 工程師, 碩士, 研究方向為電力行業(yè)無損檢測工藝及仿真技術(shù)。

趙新玉, E-mail: xyz@djtu.edu.cn