超声无损检测技术在设备检测中的数值仿真研究

张 鹏，邹励扬，李光曼，徐传华

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

1 研究背景

超声无损检测技术是广泛应用的无损检测技术之一，相比于其他无损检测技术，它具有：被测定对象范围广、检测深度深；缺陷定位准确、检测灵敏度高；成本低、使用方便；速度快，对人体无害以及现场使用方便等特点[1]。因此超声无损检测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术，对于产品质量的提升以及相关结构产品安全具有重要意义[2]。

超声波在均匀、连续、弹性介质传播过程中，能量损失较少，但当介质中存在着晶界、缺陷等特征时，会产生反射、折射、散射以及衰减等现象，导致损失较多的能量，使接收端的超声波信号的声时、振幅、波形或频率发生对应变化，通过测定校核这些变化可以判定检测样品某方面的性质和结构内部的缺陷等特征。超声波遇到缺陷特征时，反射回波幅度会增加，根据接收端的反射幅度、延迟和相位等可以推测出缺陷的位置、大小和形状等特征。

本文主要是通过数值仿真的方法，研究了超声无损检测技术在设备检测中的应用，利用CAE（Computer Aided Engineering，工程设计中的计算机辅助工程）结果可视化展示了超声无损检测技术检测样品缺陷的过程，为超声无损检测技术的灵敏度影响因素研究提供了基础与方法。

2 物理模型描述

2.1 模型描述（图1）

图1 超声波检测示意

本模型中超声传感器模块主要包括丙烯酸（酯）类塑料和测试样品两种材质，超声波传感器沿其法相位置发射高斯脉冲波，其中心频率f0=1.5 MHz（图2）。超声波通过塑料传到金属样品中，分为横波和压力波两种路径传播，遇到缺陷后反射，并被超声波传感器模块接收，根据接收的反射波可以判断缺陷的位置以及形状特征。

2.2 物理方程

图2 调制高斯脉冲波的波形

其中，ρ 为密度，v 为结构速度，Fv为外力，E 为结构张力，S为应力张量。

3 结果展示

3.1 不同时间超声波波形图（图3）

图3 不同时间超声波波形

从图3 中可以看出，超声波从传感器模块传到被测样品的界面时，一部分被样品表面直接反射，一部分进入被测样品继续传播，在被测样品传播过程中分为横波和纵波两种波形。超声波遇到被测样品的缺陷时，产生了反射，有部分波反射到传感器模块，并被传感器模块接收。

3.2 缺陷样品和无缺陷样品波形图（图4）

从图4 中可以看出，超声波传感器模块发射的是调制高斯脉冲波，并接收微弱的有界面反射回的超声波信号，而在时间为1.4×10-5s 时，超声波传感器模块接收到由被测样品缺陷导致的反射波。

图4 缺陷样品和无缺陷样品不同时间波形

4 结论

本项目利用数值仿真的方法，实现了超声波无损检测技术在检测缺陷过程中的可视化展示，并为后续超声无损检测技术灵敏度研究奠定了基础。