双层介质中超声线性相控阵横波检测的辐射声场模拟

摘要

目前,超声相控阵技术是无损检测领域的研究热点之一,由于其众多的明显优势,在航空、核能、机械、电力、石化铁道以及土木工程等领域得到了越来越广泛的应用。实际无损探伤时,超声探头所产生的超声波往往需要穿过双层甚至多层介质才能到达检测物体,这就需要对超声波在多层介质的辐射声场进行系统的研究。同时,在实际检测中往往应用横波进行检测,但是之前的研究多集中于单层介质中,或即使扩展到双层介质中,计算模型也有不少弊端。超声相控阵辐射声场的计算作为超声相控阵检测的重要基础问题,其声场计算模型的优劣直接关系着超声检测的精确性和准确性,一直是本领域的研究重点之一。基于此,本文主要开展了以下工作:
　　首先,在双层介质情况下,采用弹性力学理论对超声波在不同工况下的反射与折射系数进行了公式推导,得到了入射角度与折(反)射系数之间的关系曲线。其中,包括固—固界面、液—固界面、光滑界面条件下的固—固界面以及固—空气界面等情形的反射与折射系数的计算。
　　然后,分别对瑞利积分模型和多元高斯声束模型进行了阐述,并就计算精度、计算速度以及模型应用广度等对这两种模型进行了比较,发现多元高斯声束模型在满足精度条件的基础上,计算速度和应用范围均优于瑞利积分模型,故本文选择多元高斯声束模型进行双层介质下横波检测的辐射声场模拟分析。
　　最后,采用多元高斯声束模型对横波在水—钢界面下的近场长度及远场长度区域辐射声场进行了模拟计算,得到了不同深度下的辐射声场计算效果。对优化后探头进行了辐射声场模拟计算,得到了不同探头参数的模拟结果。对横波在丙烯酸树脂—钢界面下的辐射声场进行模拟计算。对有限界面情况进行了模拟,得到了实际情况下的声束传播。初步探索了超声波在三层介质下的辐射声场。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 超声相控阵基本工作原理

1.3 超声相控阵辐射声场计算的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 双层介质界面处的折(反)射系数计算

2.1 引言

2.2 双层介质中固—固界面的折(反)射系数

2.3 双层介质中的液—固界面折(反)射系数

2.4 光滑界面条件下的固—固界面折(反)射系数

2.5 超声波在自由界面的反射

2.6 本章小结

第3章 线阵横波检测的辐射声场模型选择

3.1 引言

3.2 Rayleigh—Sommerfeld模型

3.3 多元高斯声束模型

3.4 两种模型之间的比较

3.5 本章小结

第4章 双层介质中横波检测辐射声场的计算

4.1 引言

4.2 水—钢界面的辐射声场计算

4.3 丙烯酸树脂—钢界面

4.4 有限界面情况下的双层介质

4.5 三层介质下的辐射声场计算

4.6 本章小结

结论与展望

参考文献

声明

致谢