基于超声的无损检测系统设计[精选]

1、目录摘要1abstract2第1章 绪论41.1 论文的研究背景及意义41.2 超声波的数值仿真41.3 时域有限差分法（fdtd）51.4 论文的研究工作及结构安排51.4.1 论文的研究工作51.4.2 论文结构安排6第2章 超声波无损检测及其数值仿真62.1 声波在介质中的传播62.1.1 声波在介质中的传播62.1.2 超声波传播的波动特性72.2 时域有限差分法的基础理论82.3 吸收边界条件92.4 计算机模拟软件102.4.1 simsonic2d仿真102.4.2 时间交错网格102.4.3 材料参数的设置11第3章 超声波无损检测在圆柱形构件中的应用143.1 超声在圆柱形构

2、件中的的检测及传播143.2 基于圆柱件的超声检测163.2.1 建立simsonic 2d仿真模型16第4章 超声波无损检测的频率对在不同基质和散射体中的影响194.1 水-金属模型的建立和应用194.2.2 超声波频率对钢水模型检测的影响23第5章 总结和展望265.1 工作总结265.2 研究展望27参考文献28致谢30基于超声的无损检测系统设计摘要超声波在固体中的应用，首先是在超声无损检测中发展起来的。声波在不同的结构中表现出不同的特性，可用于检测。而超声波无损检测技术是现代科学技术发展的产物，在无损检测领域中发展速度快、使用频率高，已成为四项常规检测方法（rt、ut、mt、pt）中的

3、一种成熟检测技术手段。由于目前有关微电子方面的科技水平在不断提高，同时人们生活水平也逐渐提高，因此对于超声波无损检测的期望和要求也就越来越高。超声在固体中传播的数值模拟成果更直观地反映了超声传播的过程，对研究和发展超声波检测具有重要意义。论文的主要研究包括：（1）介绍了超声波无损检测研究发展的国内外现状，以及数值方法仿真的发展现状。（2）理论分析了时域有限差分法的和超声波传播的原理。介绍了超声检测中的频谱分析。有限元分析方法(femm)和差分法对复杂结构和介质具有很强的适应性，是波动的数值模拟的有力工具。另一方面，较小的缺陷(如裂纹)信息反映在信号的高频信息部分，噪声叠加在高频信息上。在检测过

4、程中，超声波不易检测，因此超声波在障碍物中散射研究将提高测试结果的可靠性。（3）针对超声无损检测介绍了matlab的第三方软件包simsonic以及通过设置合理的材料参数建立声波的传播模型，实现对声传播特性的数值仿真。（4）fdtd算法的实现以及在固体中超声波的应用仿真。结合超声在介质中的传播理论，分析了超声波在圆柱工件检测过程中的传播特性和传播路径。通过仿真技术对缺陷回波信号进行了仿真。（5）因为实践过程汇总对近场波动能造成的因素有很多，所以理论层面的分析方法通常只适用于情况较为简单的模型问题之中。此外由于条件准备得不够充分，现场测试的最终结果很难保证其精准性，所以超声波声波传播的具体过程无

5、法完全呈现。超声波图像能够提供直观、大量的信息，有效地减少了因检测物品存在的缺陷导致的人为干扰，提高了无损检测的可靠性。关键词：超声检测；时域有限差分法；simsonic仿真；数值方法模拟design of nondestructive testing system based on ultrasoundabstractthe application of ultrasound in solids has been developed, first of all，in ultrasonic nondestructive testing.sound waves exhibit different

6、 characteristics in different structures and can be used for detection. the ultrasonic nondestructive testing technology is the product of the development of modern science and technology. it has been developed rapidly and with high frequency in the field of nondestructive testing. it has become a m

7、ature detection technique in the four conventional detection methods(rt, ut, mt, pt). with the continuous development of microelectronics technology, people have put forward higher requirements for ultrasonic nondestructive testing. the numerical simulation results of ultrasonic propagation in solid

8、s reflect the process of ultrasonic propagation more directly, which is of great significance to the research and development of ultrasonic testing. the main research of this paper includes:(1) the development of ultrasonic nondestructive testing at home and abroad is introduced, as well as the deve

9、lopment of numerical simulation.(2) theoretical analysis of the finite difference time domain method and the principle of ultrasonic propagation. the spectrum analysis in ultrasonic testing is introduced. the finite element analysis (femm) and the difference method have strong adaptability to comple

10、x structures and media, and are powerful tools for numerical simulation of wave motion. on the other hand, the smaller defects (such as cracks) are reflected in the high-frequency information part of the signal, and the noise is superimposed on the high frequency information. in the detection proces

11、s, ultrasonic is not easy to detect, so the study of ultrasonic scattering in obstacles will improve the reliability of the test results.(3) according to the ultrasonic nondestructive testing, the third party software package of matlab and the propagation model of sound wave are set up by setting re

12、asonable material parameters to realize the numerical simulation of sound propagation characteristics.(4) the implementation of fdtd algorithm and the simulation of ultrasonic application in solids. because of the complexity of the near-field wave problem, the theoretical analysis method can only st

13、udy relatively simple model problems. the method of field test is restricted by many objective conditions. it is difficult to obtain the whole picture of ultrasonic propagation from measured data. the ultrasonic image can provide constitution and large amount of information, effectively reducing the

14、 human interference caused by the detection of the existing defects, and improving the reliability of ndt.key words: ultrasonic testing；finite difference time domain method；simsonic simulation；numerical simulation of defects第1章 绪论 论文的研究背景及意义超声检测是无损检测中应用最广泛的方法之一。它是基于超声波测量和检查工件和材料。超声波检测技术作为一种常见的无损检测技术

15、，具有灵敏度高、操作安全、渗透性大、便携设备、速度快等优点。并且该技术被广泛使用，从检验对象来看，它可以是各种机械金属或非金属材料零件、结构件、压力容器和化学容器、动力设备、船体等。它还可以是各种形状和尺寸的锻件、焊接件、复合材料等；超声波无损检测材料。材料的物理性能、厚度和其他缺陷。无损检测（ndt）是保证材料质量和质量控制的有效手段。它已广泛应用于航空航天、铁路、造船、冶金、机械制造等行业，带来了显著的经济效益。超声检测是无损检测研究和应用中最活跃的方法之一。通过研究超声波在检测材料中的传播，可以检测材料性能和结构变化的变化。超声波无损检测主要具有以下优点：（1）检测范围宽，可用于金属、非

16、金属及复合材料的检测。（2）波长短，方向性好，穿透能力强，定位准确，探测深度大。（3）不危害人体和周围环境。（4）施加在工件上的超声应力远低于弹性极限，不会对工件造成损伤。 超声波的数值仿真超声检测结果与超声换能器的声场特性密切相关。在超声传播特性的模拟中，主要有两种方法：解析法和数值法。分析方法的求解过程是满足该条件的超声模型方程的精确解。因为实践过程汇总对近场波动能造成的因素有很多，所以理论层面的分析方法通常只适用于情况较为简单的模型问题之中。此外由于条件准备得不够充分，从测量数据中获得精确的解析解是困难的。由于声学的实际应用，很少有严格的理论解析解。因此，随着计算机技术的不断进步，工件的

17、数值计算已成为研究声场特性的重要手段。固体中超声的数值分析将更直观地显示超声波在固体中的传播过程。利用固体中超声传播的计算机模拟部分，对材料组缺陷引起的超声波的反射和散射进行了分析，并分析了超声波在检测过程中的传播特性。计算结果可用于检测过程中的波形分析。它提供了非常有用的信息，并在分析缺陷与回调信号之间的关系具有重要的实际意义。有限元分析（fem）和差分法能够有效地适用于各类复杂的情况，一般进行数值模拟时都会优先选取这两种分析方法。此外，利用两者进行分析时，一些细小缺陷，比如裂纹，都会准确地体现在其信号的信息部分。依靠对整个检测过程中噪声叠加的研究，提高了检测结果的可靠性。 时域有限差分法（

18、fdtd）目前，电磁场的时域计算方法越来越受到人们的关注。时域有限差分法（时域有限差分法）是电磁场时域计算的主要方法，是k.s.yee于1966首次提出的。通过将麦斯威尔方程转变为有限差分方程，该方法选择在时域上进行求解。通过建立离散时间的渐进序列，最终在叫错网络的控制键之中交替地计算实际电厂以及磁场。它是直接从时域计算出来的，而且容易理解。随着几十年来后人们的不断完善，该方法被逐步推广，现已遍及各个领域。matlab是一款应用较为广泛的仿真工具。针对时域有限差分法，该工具还能简化程序设计。fdtd方法研究的重点是计算机的低需求，节省了存储空间和计算时间，而不必花费太多的时间在编程上。 论文的

19、研究工作及结构安排1.4.1 论文的研究工作本文主要研究基于超声波的无损检测系统的设计。根据超声波在无损检测中的应用现状和前景，利用连续介质弹性理论和时域有限差分法（简称时域有限差分法），建立了不同的几何模型。通过改变模型中的变量参数，系统地分析了波传播的变化以及超声波频率对波传播的影响。本文采用计算机软件仿真的研究方法。利用计算机对超声波在不同材料中的传播进行了模拟。研究了超声波在不同材料中的传播规律。利用matlab编程，在基体材料中加入另一种材料，将异质界面添加到基体材料中。分析了超声在介质中的传播过程和路径，以及声波在材料中传播的声压图和频率极图，研究了超声波频率对不同金属材料无损检测

20、的影响。另一方面，对仿真软件中的仿真模型建立技术进行了研究。对超声回波信号进行了仿真，分析了超声传播过程的回波信号和不同缺陷的仿真结果。1.4.2 论文结构安排本文的结构框架为：第一章主要研究了课题的背景以及国内外研究现状，大概介绍了目前超声波无损检测的应用状况，介绍了超声无损检测和数值模拟在实际中的理论基础和实际意义，并给出了研究工作和结构安排。第二章叙述了超声波无损检测的原理及计算机模拟的概述，具体的介绍了超声波在介质中的传播理论和波动特性，对于时域有限差分法在超声波的计算机模拟过程进行阐述，最后对本文中使用的计算机模拟软件simsonic2d的基本原理和参数进行了介绍。第三章结合超声在介

21、质中的传播理论，分析了超声波在圆柱工件检测过程中的传播特性和传播路径。研究了仿真软件中的仿真模型技术，并利用声压图分析了声传播过程,通过仿真技术对缺陷回波信号进行了仿真。第四章通过超声波无损检测，建立了不同类型的散射体和散射体的模型。利用固定散射体改变超声波频率研究和分析了不同模型下散射体的超声波传播和探测。第五章总结与展望。叙述了本文研究内容中的不足之处，同时以后的研究工作做出一定的期盼。第2章 超声波无损检测及其数值仿真 声波在介质中的传播 声波在介质中的传播粒子在其平衡位置附近的往复运动称为机械运动1。机械振动在弹性介质中传播，产生机械波。机械波的产生需要两个必要的条件。首先，有一个波源

22、，它为粒子在平衡位置提供力。其次，有一个弹性介质可以传播振动。振动从振动源进入弹性介质，并连续地传播到距离，形成机械波。机械波可以用波长、波速以及频率这三个物理量来描述，三者之间的关系为：（2.1）在上式中，波的频率主要是由波源决定的，波速是介质的固定参数，所以在同一种材料中，频率越高，波长越小。在波传播过程中，介质中的粒子不随波运动。它们在与源相同频率的初始位置振动，并在相邻粒子施加的力的作用下将能量传递给周围的粒子。因此，机械波的传播不是物质的传播，而是能量的传播2。超声波是一种机械波。在超声无损检测中，利用探针上的压电晶片产生高平率的机械振动。这种振动在介质中传播，从而形成超声波3。超声

23、波存在的区域称为超声场。声压和声强是描述声场的重要物理量。声压是指声波在介质中的传播，在介质中一点的压力与没有声波的存在之间的差值4。在超声场中，每个点的声压是一个随时间和距离而变化的变量，对于不衰减的余弦波。声压可以使用式（2.2）来描述5：（2.2）式（2.2）中：是指介质的密度；是指介质中的声速；是指质点位移振幅；是指角频率；是指质点振动的速度。是声压的振幅。在实际中真正代表超声波强弱的是声压振幅，所以通常把声压振幅简称为声压。2.1.2 超声波传播的波动特性在超声无损检测中，材料缺陷的判断和定位主要基于超声波在介质中传播后的超声波压力和波形分析结果。超声波在材料中的传播将反映不同的波动

24、特性。叠加：当波在介质中传播时，如果它在某个点相遇，那么点处的振动就是在这个点上由各种列波引起的振动的合成，因此点处的声压等于声音的矢量和矢量。每一波的压力。散射和衍射：波在均匀和各向同性介质中沿直线传播，但在传播过程中遇到障碍物时会出现一些现象，这些现象与障碍物的大小和材料有关。当波遇到材料中的非均匀界面时，声波的一部分将在界面处的原始介质中反射，另一部分将通过界面进入新介质，声波的传播方向将发生变化。如果障碍物的大小是有限的，就会发生衍射和散射。如果障碍物的大小是有限的，远远大于超声波的波长，并且障碍物的声阻抗与周围介质有很大的不同，障碍物的波几乎会被反射，形成障碍物后的声音膜。如果障碍物

25、的大小与超声波的波长相似，则超声波不会根据几何规律反射，而是会发生不规则的反射和衍射；若超声波波长远大于障碍物的尺寸,超声波的传播几乎不受障碍物的干扰。干涉：当同一频率的两个波，相同的振动方向或相同的相位在介质中相遇时，声波的叠加产生一个非常特殊的现象。合成声波的频率与两波的频率完全相同，合成声压的振幅随两波的波程的不同而周期性地出现。某些位置的振动总是被加强，并且在某些位置的振动总是减弱；合成声压的最大振幅是两个波振幅的和，最小振幅是声压振幅的差值5。双柱波这种现象是波的干扰。在实际检测中，由声源产生的超声波会出现在声源附近干扰，因此声压在该区域内具有最大值和最小值。2.2 时域有限差分法的

26、基础理论本文中采用时域有限差分法（fdtd）的数值方法。该方法通过利用差商代替微分方程中的偏导数，接下来把求解的微分方程式转变成一组微分方程，借助t最终求得了近似解。这种数值方法的最大优势就是计算界面简明，格式简单。同时非常适用于求解那种规则几何问题，且程序设计得十分简单。这种数值方法目前应用比较广泛，不论是物理学，还是电磁学，还是力学中都能看到这种方法的身影。时域有限差分法中运用的是离散时域波动方程的方法，其特点就是无仁和推导公式，所以其适用范围更加广泛，绝不仅仅局限于数学模型中。差分格式中涉及到全面的介质参数，所以只需要将参数代入网格中，将自动模拟出，因此只需要向网格给出相应的参数。它就可

27、以自动模拟出各类较为复杂的结构，这也是其较为突出的优点。同时，因为时域有限差分计算方法采取的是步长法，能够较为简便地，并且可以容易模拟各类较为复杂的时域宽带信号，同时在获得空间信号中某个点的时域信号波形方面也具有一定的优势6。在1966中yee7首次提出了有限差分时域法，给出了麦斯威尔方程的差分形式，用于计算电磁脉冲的传播和发射。然后virieux将其应用于中的弹性动力学中8，9。（2.3）它是一个具有空间和时间变量的部件，其空间沿x轴和z轴分散成多个网格单元，然后进行时域离散化，然后在时间域和空间域中的离散值如下：其中t表示时间增量步长，x和z分别表示x轴和z轴方向的网格步长，i,k和n分别

28、表不空间步长和时间步长的个数。为了求解与f(x，z，t)有关的偏微分方程，用有限差分的形式表示f(z,t)对空间和时间变量的微分，并采用二阶精度的中心差分近似，可以得到：（2.4）上导数通过离散点上的差商逼近空间和时间的偏导数，从而将要求解的偏微分方程转化为一组相应的微分方程。2.3 吸收边界条件在实际的仿真中，计算机的内存大小和运算速度不是无限的，计算机的计算能力和存储容量都是仿真中需要考虑的因素。在大多数情况下，能否实现硬件水平是必须考虑仿真的首要条件，因此时域有限差分法只能计算面积。在有限的范围内，为了提高计算机操作的效率，在大多数情况下，在计算区域的边缘上设置吸收边界，以吸收传输到边界

29、的声学信号，从而避免对模拟结果的不必要干扰。模拟中常用的吸收边界是mur吸收边界10和完全匹配层（pml）吸收边界。pml介质的声阻抗与相邻层的声阻抗完全相同，因此入射波在pml与相邻层之间的界面上不会有任何反射，而是直接进入pml。因此，pml模拟是一种在实际中不存在的材料，它能完全吸收超声波。使用pml边界可以使仿真结果更容易被分析，因为在有限的区域内也接收到实际的模拟，因此设置pml边界可以更好地模拟实际的超声无损检测。2.4 计算机模拟软件2.4.1 simsonic2d仿真simsonic是matlab应用环境下的第三方软件包。它是基于一阶中心差分法计算弹性动力学方程，它可以用来模拟

30、声波在各向异性或各向同性流体和固体中的传播。该软件包已被广泛应用于许多研究11-15。（2.6）（2.5）在数值计算中，随着6696仿真模型维数的增加，计算所占用的计算机资源将迅速增加。在仿真结果不会受到很大影响的情况下，有必要简化仿真模型。因此，考虑二维模型，选择simsonic2d进行二维数值模拟。simsonic2d的计算基础如下：其中x和t是时空变量，(x)是质量密度，c(x)是四阶刚性张量。这些参数完全定义了材料的性质和几何结构。（2.7）在二维系统中，可以将上式改写成如下矩阵形式： 时间交错网格时间交错网格如图所示。速度变量是交叉进行计算的。也就是说，t+t时刻的速度是根据t时刻的

31、速度和t+t/2时刻的应力计算而得的。这种算法被称为蛙跳算法。在simsonic2d中，第一步计算需要得到t=t/2时刻的应力计算得到的。16 图2.1 时间交错网格示意图图2.2 空间交错网格示意图与此同时，空间中的盈利变量同样按照交叉进行计算。其空间交错网格如图2.2所示。从图中可以看到，和处在同一位置。由于处在流体中，它们必须是相同的数值。为了使计算有较高的精度，和取得越小，网格描述模拟的空间就越接近实际情况，然而和的取值必须遵循稳定性条件17，即：（2.8）在公式（2.8）中，它指的是在所有介质中的最大声速。介质的声速是介质的固有性质。超声波在不同介质中的传播速度不同。在simsoni

32、c2d仿真软件中，可以在参数文件中改变声速。在改变模拟材料时，必须改变参数文件中的声速。为了保证计算机仿真的准确性，参数是指模拟空间尺寸，因为simsonic2d仿真软件模拟二维材料，因此本文采用2。2.4.3 材料参数的设置simsonic2d中的材料由密度和材料的弹性模量、这五个参数来定义。其中、和这四个参数来源于弹性系数矩阵中的值，材料的杨氏模量和泊松比是材料的固有特性，每种材料的杨氏模量和泊松比是不同的，这两个参数可以通过材料弹性模量表查得18。（2.9） 0）体积模量尤与杨氏模量五和泊松比v的关系式为: （2.11）根据各向同性材料的弹性介质中应变-应力之间的转换关系，就可以得到弹性

33、系数矩阵如式（2.12）所示： （2.12）将用来代换，就可以得到：（2.13）通过查阅材料弹性模量表，并根据前文推导得出的公式（2.9）、公式（2.11）和公式（2.13），计算材料的弹性系数矩阵，然后根据密度、这五个参数在simsonic2d中定义论文中用到的材料。具体材料参数见表2.1：表2.1 simsonic2d中仿真材料参数表水0铝钢空气0弹性常数互换关系如示。表2.2 弹性常数互换表参照上表中的变换关系能够明确弹性系数矩阵，进而可以对材料进行明确定义。第3章 超声波无损检测在圆柱形构件中的应用3.1 超声在圆柱形构件中的的检测及传播在超声波向散射体垂直入射的过程中，声能的一部分通

34、过界面进入散射体并成为透射波。波的传播方向不会发生改变，而声能中的一部分能量会被界面反射，并且沿着入射波的反方向进行传播，并成为反射波19。在这一章中，本章使用了脉冲反射法这一常用的检测方法。该方法的原理是，由声源产生的脉冲波在一定方向上传播，当声波阻抗的两侧不同时，反射部分声波并检测和接收回声。对缺陷的大小、形状和位置进行处理和分析。我们使用超声波特性来检测材料中的缺陷。但是，有多少波被传播，透射波和反射波的比例，以及什么因素决定了透射波和反射波的比例，这是一个值得关注的问题，因为它与散射体的材料的判断有关。因为介质本身有关声音阻抗的物理属性不同，所以在声波由一种介质传入另一种介质中时，其中

35、的一部分能量会反射到原介质之中，这就是常说的反射波；而另外一部分的能量穿透了界面一致进行传播，也就是常说的折射波。且声波的反射和折射同样遵循光学中的反射和折射定律。两种圆柱构件在检测过程中，超声都是垂直入射到介质中的。反射波的声压与入射波的声压之比称为声压的反射率，透射波的声压与入射波的声压之比称为声压的透射率20：（3.1）（3.2）其中，中为反射波声压；为透射波声压；为入射波声压；为基质的声阻抗；为散射体的声阻抗。本文将研究基于单圆柱截面的二维边界缺陷检测。相应的二维截面图如图3.1所示。该研究涉及超声在水-金属界面和金属-空气界面的传播。根据式（3.1）和式（3.2），下面针对超声传播过

36、程进行分析：（1）当探头发出的超声波在部件的下表面传递到m点（水-金属界面）时，金属的声阻抗约为水阻抗的30倍，反射声压与入射声压相等，同时分界面处的合成声压是会逐渐上升。所以此时声波会出现反射同时生成下表面的回波，还伴随着透射活动，但由于声压的实际透射率是大于声压的反射率，所以这种情况下透射声压应大于反射的声压。（2）传输声波在部件内部传播到n点（金属-空气界面）缺陷时，因为单比较声阻抗这项指标时，空气是要明显小于金属。声波的实际透射率非常小但是其反射率却很大，进而造成透射声压要明显小于反射声压。当声波被界面反射之后，探头会进行搜集，进而产生了缺陷波。而未反射的声波保持原传播方向一致进行传播

37、，直到碰到上表面后反射上表面回波。若未出现缺陷，超声波会在声阻抗特性相同的介质中进行传播，并且将全部投射，那么将没有缺陷波，声波将一直传播到圆柱体的上表面，然后再次反射。（3）如果没有缺陷，超声波在相同的声阻抗介质中传播，并且将全部透射，那么将没有缺陷波，声波将一直传播到圆柱体的上表面，然后再次反射。图3.1 圆柱件超声检测原理图由于缺陷存在状况不同，探头最终搜集到的回波信息也会出现不同表现形式。所以判断缺陷是否存在，可以依靠缺陷回波来进行判断：同时参考两个反射回波传播路径、时间间隔和基于m和n的超声回波的声速，确定缺陷点的位置。为了理解反射波与透射波之间的能量关系，我们使用声强反射率和声强透

38、射比来描述它。声强反射率是反射波的声强与入射波强度的比值。声强透射率是透射波的声强与入射波强度的比值。根据上述声压与声强之间的关系，可以得到声强反射率和声强透过率的两个公式21。（3.3）（3.4）由于该系统满足能量守恒定律，所以，通过式（4.3）和式（4.4），可以推导出+=1。因此，可以得出，反射能量和透射能量的比值取决于界面两侧的声阻抗。两种介质之间的声阻抗差越大，反射的能量越多。两个介质的声阻抗越接近，传输的能量就越多。根据这一结论，根据无损检测中是否存在反射波，可以根据反射波与透射波的比值来判断缺陷的材料和类型。3.2 基于圆柱件的超声检测3.2.1 建立simsonic 2d仿真模

39、型本章以铝缸组件为研究对象，建立了simsonic 2d中超声检测的二维仿真模型，为简化模型，采用全沉浸耦合技术。如图3.2所示，最外面的蓝色部分表示水。紫色部分指代圆柱体的横截面，材料被设为金属铝，圆柱截面半径设定为50mm，绿色部分表示气孔缺陷，材料变成空气。改变相应的参数能够明显地更变缺陷的位置、形状以及尺寸。表3.1为材料属性表。表3.1 材料属性表图3.2 圆柱件模型图网格大小的设置是仿真的关键步骤。网格尺寸过小，单元数量大，求解速度慢。网眼尺寸变得过大，则会使得求解速度下降。所以在设置网格大小时应当明确所需的求解速度以及精度。对于用于simsonic的二阶时域有限差分格式，最小空间

40、步长为典型的/10。图3.2中底部的红色举行代表探头，为了避免模型边界的影响，将模型的最外边界设置为吸收边界，并且超声波对外边界的传播将被完全吸收，并且不会发生反应。此外应当把激励函数整体加载到接近实际激励的探头表面，净该激励函数的频率设置为1mhz。实时地求解声场图和探头表面的压力曲线（回波信号）。在检测过程中，可以直观地看到超声波在圆柱形零件中的传播。在声场变化图中，深红色部分代表波峰，深蓝部分代表波谷，其余颜色部分位于波峰和波谷之间。图3.3.1是探头发出的超声波。图3.3.2是声波传输到铝件下表面，发生反射和透射。反射波传播到探头并被接收，对应右侧回波信号上会出现下表面回波，如图3.3

41、.4所示。当透射声波通过缺陷时，反射再次发生。如图3.3.3所示，反射后又会传播到探头处，被探头接收，缺陷回波将出现相应的右侧回波信号中，如图3.3.5所示。图3.图3.图3.图3.图3.通过建立圆柱形铝件超声检测仿真模型，对超声回波信号进行了仿真。在对仿真模型的声压图进行观察后，分析了超声波的传播过程和传播路径。由于声波阻抗的两侧不同时，反射部分声波并检测和接收回声。对缺陷的大小、形状和位置进行处理和分析。我们使用超声波特性来检测材料中的缺陷。通过实时地求解声场图和探头表面的压力曲线（回波信号），对缺陷的大小、形状和位置进行处理和分析具有实际意义。第4章 超声波无损检测的频率对在不同基质和散

42、射体中的影响 水-金属模型的建立和应用水-金属模型在超声无损检测中有着广泛的应用。根据以上情况，两种材料的声阻抗相差很大，因此大部分波的能量将变成反射波，并且几乎没有透射声能，只反射声能。但空气的声阻抗几乎可以忽略不计，这将带来非常恶劣的情况。超声波信号很难通过空气耦合进入固体材料。在超声波检测中，通常使用液体材料，如水和油作为耦合剂。此外，在检测固体材料的非平行表面上的缺陷时，经常采用浸水法，将固体材料浸入水中，然后将超声波发射到水中。通过分析超声波反射波的信息，固体材料的缺陷是否与表面不平行17。因此，本文认为，水金属模型的模拟不仅可以了解超声波在液体和金属中的传播，而且具有重要的现实意义

43、。在实际生产中，金属制品容易混入液态杂质，如金属零件铸造中的混合水，容易与油混合冲压金属零件。因此，建立金属作为基质和液体作为散射体的仿真模型具有重要的现实意义。在液态金属模型中，超声在金属铝中使用，具有较大的声阻抗阻抗，而金属-液体模型是从具有较大声阻抗的金属发射到小声阻抗的超声波。在这两种模型中，声波在基质中的传播和透射、反射以及声波传播能量与反射声波能量的比例是不一样的。为了探究单一变量超声波频率对损损检测的影响，保持两种模型信号均使用高斯脉冲超声波，持续时间为4微秒，接收器使用半径为12mm和总共128个点的圆形接收器。在simsonic2d仿真软件中，将材料的密度、五个参数输入到参数

44、文件(parameters.ini2d)中，以定义两种材料（例如水和金属）；然后，在matlab应用环境中，诸如信号的频率等参数，simsonic2d工具箱完成了信号的持续时间、信号类型等，并构造了矩阵和散射体。形状、面积和其他几何结构；设置接收器和其他操作，然后生成simsonic2d所需的信号文件（.sgl）和几何结构文件（.map2d）来运行仿真，从而可以运行仿真。通过计算机计算生成结果文件（rcv2d2/ .snp2d），在matlab中使用simsonic2d工具箱对。因此，可以通过计算文件来获得仿真结果（材料的声压图和频率极图）。4.2 超声波频率对水钢模型检测的影响论文首先在液体

45、金属模型中，基于固定大小的圆盘形钢件，研究不同超声波频率对定尺寸工件检测的影响。基质定义为25mm的正方形水面，设置半径为12mm的圆形接收器，钢件的直径保持不变，使用直径为1mm的钢件作为待检测的材料并放置在水面的正中心，保持仿真步长为0.025mm，超声波持续时间4s的情况不变，分别施加1mhz、4mhz、6mhz和10mhz的高斯脉冲波。使用1mhz的超声波进行检测，信号示意图如图4.1所示，检测结果如图4.2和图4.3所示：图4.1 1mhz超声波示意图图4.2 1mhz超声波检测声压图图4.3 1mhz超声波检测频率极坐标图和图4.6所示：图4.4 4mhz超声波示意图图4.5 4m

46、hz超声波检测声压图图4.6 4mhz超声波检测频率极坐标图使用6mhz的超声波进行检测，信号示意图如图4.7所示，检测结果如图4.8和图4.9所示：图4.7 6mhz超声波示意图图4.8 6mhz超声波检测声压图图4.9 6mhz超声波检测频率极坐标图从模拟结果来看，在应用1mhz信号后，可以看到接收器边缘附近的强反射波，并且随着信号频率的升高，接收到的距离较远的反射波被接收，这表明基质内部确实存在散射体；在施加4mhz信号后可以看到声压。散射体表面的反射波可以被模糊地看到，具有更强的数目和更多的反射波，并且在6mhz信号的应用之后，介质表面上的反射波可以被完全看到，并且其他反射波以圆盘散射

47、体为圆心辐射开来。这不但可以直观地证明基质内部存在散射体这一事实而且可以确定散射体的位置就在基质的正中心。因此我们可以得出，在透射和反射方面，水作为基质金属钢作为散射体的模型中，水的声阻抗小于钢的声阻抗，信号频率较低。大量的水和钢结的信号被传输，也就是说，它直接沿直线行进，直接进入铝。随着信号频率的增加，越来越多的信号在结中反射，这有利于散射体的位置信息，但信号的频率不能持续增加。信号的过多频率导致过多的反射波，并且反射波在矩阵中的叠加导致无序的声压，不利于判断散射体的位置。4.2.2 超声波频率对钢水模型检测的影响基质定义为25mm的正方形铝面，设置半径为12mm的圆形接收器，水构成的圆盘形

48、散射体的直径保持不变，使用直径为2.5mm的杂质水作为待检测的材料并放置在铝面的正中心，设置仿真步长为0.025mm，超声波持续时间保持为4s，分别施加1mhz、4mhz、8mhz的高斯脉冲波。使用1mhz的脉冲波进行检测，检测结果如图4.10和图4.11所示： 图4.10 1mhz超声波检测声压图图4.11 1mhz超声波检测频率极坐标图使用4mhz的超声波进行检测，检测结果如图4.12和图4.13所示：图4.12 4mhz超声波检测声压图图4.13 4mhz超声波检测频率极坐标图使用示：图4.14 10mhz超声波检测声压图图4.15 10mhz超声波检测频率极坐标图从模拟结果来看，在应用

49、1mhz信号后，散射体表面的声压比基体强，而当信号增加时，仍能识别出散射体，但表面上的声压仅略高于基质。结果表明，随着超声波频率的增加，液体散射体的尺寸不发生变化，散射体在声压图上的映射变得越来越模糊。因此我们可以得出，从透射和反射方面来看，在金属基质模型和液体作为散射体中，超声波的频率越高，在矩阵和散射体的交界处就越容易产生传输波，也就是说较高的频率信号将使更多的信号能量穿透到散射体中，并且更少的能量将被反射。不过，要注意的是，散射体的声阻抗小于基质铝的声阻抗，因此反射波的比率必须高于透射波。第5章 总结和展望5.1 工作总结由于材料特性和结构的不同，声波的传播具有不同的特性。通过研究声传播

50、特性的变化，可以达到检测的目的。利用超声波在介质中传播时的反射、散射和波形变化现象，可以快速有效地检测材料相关参数而不损伤材料。论文研究了超声波在不同介质中传播的波形变化情况，进而完成无损检测研究。论文研究工作如下：（1）系统地阐述了超声在介质中的传播理论以及时域有限差分法（fdtd）在计算机模拟中的应用。探讨了simsonic2d软件仿真的原理，研究了软件中不同材料的定义方法，导出了刚性张量等相关材料参数，为进一步的仿真和检测提供了理论基础。（2）论文以圆柱体工件超声检测过程为分析对象，研究了在计算机模拟软件simsonic 2d中建立全浸没水中的带有气孔的铝件仿真模型的技术，来仿真超声回波

51、信号，并且利用声压图，分析了超声在遇到缺陷前后的传播过程和传播路径，发现与超声传播理论相符。（3）建立了以水为基体钢的水性钢模型和以水为散射体的金属水模型。在这两种不同类型的模型中，建立了固定尺寸的矩阵和固定直径的圆盘散射体，并系统地分析了超声波频率的变化对无损检测的影响。在散射体大小固定的情况下，在水金属模型中，散射体表面反射波的比值随超声频率的增加而增大。因此，在声压图中，频率越高，越容易检测散射体的位置和尺寸信息。然而，所选择的超声波频率不能太高，较高频超声波会导致材料中的内部反射波过多，导致声压图混乱，这将对观察产生不利影响，甚至会导致没有可用的信息。在金属-水模型中，散射体表面的透射

52、波比随着超声频率的增加而增大。因此，在声压图上，较高频超声将降低散射体尺寸信息的精度和位置信息的获取。5.2 研究展望本文的工作取得了一定的成果，但由于时间和计算条件的限制，还有很多方面工 作有待进一步开展：（1）本文没有系统地研究信号持续时间以及散射体大小对检测的影响。在无损检测中发现，超声波的持续时间也会对检测结果产生一定的影响。信号的持续时间越短，检测精度越高，甚至影响散射体的检测；另外，散射体的大小对获取其位置信息和大小信息也产生影响。（2）由于在对很小的散射体进行检测时会出现尺寸效应，频率过高，会产生杂乱的声压图；而频率过低，将无法获得该散射体的位置信息或大小信息。针对这种特殊情况，研究有待进一步调整频率等参数。（3）论文研究和讨论的模型和缺陷较为单一和规则，而实际检测时的构件和缺陷形状有可能是不规则的，因此需要结合计算机模拟进一步研究针对更贴近实际情况的构件的超声无损检测。参考文献1 蒋危平.超声检测学m.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1991.2 李家伟.无损检测手册m.北