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。超聲檢測的重點和難點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，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)超聲檢測重難點知識的信心，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和成就感。