论文部分内容阅读
裂纹是很多工程结构中最常见的缺陷，广泛存在于重大部件如叶轮、轴类、气缸和水涡轮叶片等金属结构中，裂纹的产生为工程实际带来了巨大的安全隐患，因此，及时检测承载部件的应力集中和表面裂纹有着非常重要的意义。超声显微镜利用声波在物体里的传播特性来显示物体内部的结构信息，而线聚焦超声换能器作为超声显微镜的核心部件，其功能和特性在无损检测应用中具有关键性的影响，因此，对线聚焦超声换能器激励声波的传播特性研究具有重要的学术意义和应用价值。 本文基于线聚焦超声换能器工作原理，结合阵列化布置感测元件的思想，建立了阵列式超声换能器有限元模型，针对斜角表面裂纹检测问题，进行了相应仿真、理论和实验研究。主要研究内容如下： (1)建立线聚焦超声换能器有限元模型，通过声波传播云图，分别在聚焦和散焦位置时对线聚焦超声换能器接收到的上表面回波、漏表面波和底面回波进行了分析。并通过铝块仿真测量结果与模型中原始参数的表面波波速理论计算结果进行对比，验证了模型的准确性。 (2)为获取线聚焦超声换能器的背向散射声场在空间和时间上的完整分布信息，建立了阵列式超声换能器有限元模型，分别对聚焦和散焦位置时阵列式超声换能器的声波传播特性进行数值仿真。同时对阵列式超声换能器激励声波传播路径进行了理论推导，其阵列式感测元件所接收的上表面回波、漏表面波和底面回波到达时间点计算结果与仿真波形完全吻合，揭示了线聚焦超声换能器接收的反射回波形成机理。 (3)根据声波反射回波形成机理，结合阵列式超声换能器模型不同角度感测元件接收到的斜角表面裂纹反射回波信号的声场特性，提出了一种斜角表面裂纹特征（倾斜角度和深度）检测的方法。设计制作了斜角表面裂纹专用检测换能器，并搭建了超声自动检测实验平台，实现了斜角表面裂纹倾斜角度和深度的快速、准确测量。