基于相控阵的声传播规律及在缺陷定量中的应用研究

摘要

超声相控阵检测技术是当前超声检测领域最先进的无损检测技术之一，其优越的声束聚焦特性、快速的扫查能力和清晰、直观的成像结果等优点迅速被人们所认知，并开始应用于航空航天、压力容器、船舶等行业的检测。对于检测工作来说，除了知道缺陷的位置外，还希望精确定量缺陷的大小，甚至判别缺陷的类型等。目前，超声相控阵检测技术仅能实现缺陷定位，而关于缺陷的定量以及定性，仍然存在许多问题尚待解决。定量评价方法的缺乏限制了超声相控阵技术的广泛推广与应用。
　　本文以超声相控阵技术的聚焦优势为前提，研究声波在横孔空腔处的传播规律，以此规律特性为依据对缺陷进行定量评价，并对影响缺陷定量评价的因素进行了分析。
　　本文首先对超声相控阵检测方法进行了理论研究，分析了一维线性阵列探头的辐射声场特性、聚焦模式和偏转特性，并概述了国内外超声相控阵检测的相关标准和规范。声波在空腔处传播时发生波形转换，产生爬波，超声相控阵的声束聚焦优势能够接收识别出爬波辐射回波，利用空腔处声波传播产生的爬波能够对缺陷进行定量评价。
　　其次，制作尺寸为Ф20mm的光学玻璃横孔空腔试块，利用动态光弹系统观察声波在横孔空腔处的传播规律，声波在空腔处的反射、衍射和散射，发现了爬波的存在，并对爬波的传播规律和频谱特性进行分析。在动态光弹的试验结果基础上，提出了利用空腔处声传播规律对缺陷定量评价方法的数学模型和定量过程。
　　最后，参考CSK-IIIA型试块的几何尺寸，设计制作了尺寸分别Ф1mm、Ф2mm、Ф3mm、Ф4mm的横孔试块以及尺寸为Ф0.8mm~Ф4.8mm，公差为Ф0.2mm的等差横孔试块，利用空腔处的声传播规律对其进行定量评价研究。此外，还对实际焊缝检测中发现的缺陷进行了定量评价。
　　在定量结果的基础上，进行了误差分析，并对实验过程中的检测参数、缺陷的状态以及检测条件等影响因素进行了分析，并提出了解决的方法。
　　研究结果表明：相控阵的声束聚焦特性，能够提高声波的利用率，结合缺陷对声波的衍射作用，采用声波在空腔处的传播规律能够对缺陷尺寸进行定量评价。对于尺寸在3λ以内的横孔，定量误差均在5％以内，且定量的最小缺陷尺寸为Φ1mm。利用该方法能快速、有效的测定工件中的缺陷尺寸，为相控阵的缺陷定量评价研究提供了一种新的方法。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超声相控阵技术

1.3 超声相控阵定量方法

1.4 本课题研究内容

第2章 超声相控阵检测方法及相关检测规范

2.1 超声相控阵探头

2.2 超声相控阵的声束控制方式

2.3超声相控阵的声束扫描方式

2.4 超声相控阵的检测结果的显示方式

2.5 超声相控阵的技术要点

2.6 超声相控阵的相关检测规范

2.7 本章小结

第3章 空腔处声传播规律

3.1 爬波理论模型

3.2 声传播规律观测与分析

3.3 小横孔空腔处声传播规律分析

3.4 空腔处声传播规律缺陷定量方法

3.5 本章小结

第4章 空腔处声传播规律定量方法研究

4.1 实验设备与器材

4.2 试块设计

4.3 空腔处声传播规律缺陷定量分析

4.4 实际焊缝检测缺陷定量研究

4.5 本章小结

第5章 空腔处声传播规律缺陷定量影响因素分析

5.1 相控阵检测参数影响分析

5.2 缺陷状态影响因素分析

5.3 耦合剂的影响分析

5.4 人为因素的影响分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢

附录

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