柔性相控陣動態聚焦理論與仿真

王中亞，劉欣平，史猛，李曉利，閆浩明，趙新玉

柔性相控陣動態聚焦理論與仿真

王中亞1，劉欣平2，史猛2，李曉利2，閆浩明3，趙新玉3

(1. 中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司，安徽合肥 230088；2. 駐北方華安工業集團有限公司代表室，黑龍江齊齊哈爾 161046；3. 大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連 116028)

曲面構件被廣泛應用在各個領域的關鍵部位，一旦出現質量問題將造成不可估量的后果，為確保曲面構件在服役期間安全可靠，對其定期進行無損檢測尤為重要。因超聲相控陣技術檢測靈敏度高、速度快，適用于曲面構件的快速檢測，特別是柔性相控陣換能器的成功研制滿足了復雜曲面構件的檢測需求，但目前仍缺乏相應的理論支撐。因此，提出了復雜曲面柔性相控陣動態聚焦理論，并建立有限元聲場時域仿真模型。結果表明，基于所提出的聚焦理論，采用柔性相控陣換能器可解決復雜曲面構件內部微小缺陷檢測難題，為柔性相控陣換能器參數設計提供了理論依據，推動了柔性相控陣換能器的應用與發展。

柔性相控陣換能器；動態聚焦；時域仿真研究

0 引言

隨著航空航天、軌道交通等裝備制造領域的飛速發展，越來越多的曲面結構被廣泛應用，例如發動機葉片、鋼軌及船舶結構件等。這類復雜曲面構件在制造和服役期間受到生產工藝、復合載荷以及外界環境等多重因素影響，致使其表面及內部會出現氣孔、疏松、裂紋甚至斷裂等各種損傷缺陷，若不能及時檢出和定量評價，將嚴重影響關鍵裝備的安全運行，甚至會造成嚴重事故。因此迫切需要曲面構件內部缺陷的量化檢測技術，進而對構件的可靠性和壽命進行評估[1-3]。

超聲相控陣換能器可實現動態偏轉聚焦、探傷靈敏度高、檢測速度快，近些年得到了廣泛關注[4-6]。北京航空航天大學的馬立印等[7]針對發動機葉片根部裂紋檢測需求，研制了帶有弧形楔塊的線陣換能器，并進行了葉片試件的S掃描試驗，結果驗證所設計的相控陣換能器可實現葉片根部缺陷檢測。針對L型構件R區超聲檢測難題，徐娜等[8]提出了線陣換能器檢測方案并開展檢測試驗，驗證了線陣換能器檢測方法可行；張冬梅等[9]利用弧陣換能器和線陣換能器進行了超聲相控陣試驗，發現弧陣換能器的檢測結果優于線陣換能器。但是帶有楔塊的換能器和固定曲率的弧陣換能器加工復雜且適用范圍有限，難以滿足各類復雜曲面工件檢測需求。

為檢測復雜形廓曲面構件，南昌航空大學[10]和多浦樂公司分別研制了柔性相控陣換能器，并開展了相應的實驗研究。利用柔性相控陣換能器檢測曲面構件時，受構件曲率影響，很難控制換能器的輻射聲場。因此，本文推導了一維線陣在二維復雜曲面的動態聚焦算法以準確計算輻射聲場偏轉聚焦時各陣元的延遲時間，并在此基礎上，建立柔性相控陣換能器輻射聲波時域仿真模型。

1 柔性相控陣動態聚焦方法

超聲相控陣技術是通過精確控制每個陣元的延遲時間，靈活而方便地控制聲束，實現波束動態偏轉與聚焦，從而提高超聲檢測的分辨力、靈敏度，增大信噪比。利用柔性相控陣檢測復雜曲面構件時，由于構件表面曲率發生變化，構件中聲場分布情況極其復雜，需深入研究復雜曲面聲場聚焦特性及分布規律。本文首先推導了柔性相控陣動態聚焦方法，在此基礎上，采用聲場有限元理論，建立超聲時域動態仿真模型。

圖1 曲面檢測的掃描原理示意圖

圖2 曲面工件檢測的柔性相控陣聚焦原理

尾陣元序列號為：

點左邊緊鄰陣元的序列號：

工件曲面能放置的陣元總數：

其中：

。

基于曲面柔性相控陣聚焦理論，采用相控陣技術對復雜曲面構件進行無損檢測的最大特點是，陣元組完成一次電子線性掃描后，用戶可根據實際需要調整聲波偏轉角、聚焦深度，實現超聲波束的動態聚焦，再進行下一次探傷掃描，極大地提高了探測能力和檢測效率，滿足日益提高的工業無損檢測需求。

2 柔性相控陣時域仿真分析

結果表明：按照圖3計算的延遲時間對各陣元進行信號激勵，能實現柔性相控陣波束動態偏轉與聚焦，驗證了曲面柔性相控陣聚焦理論的正確性。

圖3 凹凸面檢測時各陣元延遲時間

(a)=0,=10 mm

(b)=30°,=10 mm

(c)=0,=15 mm

(d)=30°,=15 mm

圖4 基于圖3各陣元延遲時間的聲束聚焦仿真結果

Fig.4 Simulation results of beam focusing based on delay times of array element shown in Fig.3

圖5顯示，缺陷半徑為0.05 mm的回波信號不太明顯，當波束遇到小孔缺陷時方向發生改變，大部分聲束能量被散射到其他方向；缺陷半徑為0.1、0.2、0.4 mm的回波信號比較明顯，且信號峰值隨缺陷半徑增大而增大。為確定缺陷信號信息，需要利用多個陣元采集回波信號，回波信號到達各個陣元的延遲時間也由上述推導的聚焦法則決定，按照其時間差對各陣元接收的信號進行進行延遲疊加，就能得到增強的缺陷回波。以上分析表明，本文推導的延遲聚焦理論，采用柔性相控陣技術能夠有效檢測復雜形廓工件內部微小缺陷。

本文也模擬了當曲面工件內部有多個孔形缺陷時，聚焦聲波在不同位置孔缺陷處的散射位移場分布情況。工件結構示意如圖1所示，探頭的16個陣元為一組對工件從凹面到凸面進行電子線性掃描，仿真計算結果如圖6所示。

圖5 檢測不同尺寸孔缺陷的仿真結果

(a) 陣元都在凹面

(b) 凹面、凸面都有陣元

(c) 陣元都在凸面

圖6顯示，無論是在凹面、凹凸結合面還是在凸面，探頭根據計算得到的各個陣元延遲時間進行信號激勵，輻射波束能實現動態偏轉聚焦，多角度、多方位掃描探傷，可有效提高工件內部微小缺陷檢出的能力。

針對復雜曲面工件檢測問題，設計高精度、高分辨率的柔性相控陣換能器時，換能器參數如陣元數目、陣元寬度、陣元芯距、中心頻率等都會影響超聲相控陣換能器輻射聲場特性，僅依靠經驗難以保證換能器參數正確。因此，利用本文建立的聚焦延遲方法和聚焦聲場有限元仿真模型，可以分析換能器參數對輻射聲場的影響，優化換能器參數以避免較大波束旁瓣和柵瓣產生，進而有效提高換能器質量。

3 總結

針對復雜曲面構件無損檢測難題，本文推導了柔性超聲相控陣聚焦算法，并建立時域聲場仿真模型，仿真結果驗證了復雜曲面聚焦算法的正確性，為柔性陣列換能器的設計提供理論基礎和技術支持，促進柔性相控陣換能器在曲面工件檢測中的高效研發和實際應用。

致謝 感謝吉林大學鄭艷芳的校改完善。

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Dynamic focusing theory and simulation study of flexible phased array

WANG Zhong-ya1, LIU Xin-ping2, SHI Meng2, LI Xiao-li2, YAN Hao-ming3, ZHAO Xin-yu3

(1. China Datang Corporation Science and Technological Research Institute Co., Ltd. Eastern China Branch, Hefei 230088, Anhui, China;2. Representative office of North Hua’an Industry Group Co., Ltd. Qiqihar 161046, Heilongjiang, China;3. School of Material Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, Liaoning, China)

Curved workpieces are widely used in the key parts of various fields, once quality problems arise, it will cause incalculable consequences. In order to ensure the safety and reliability of the curved workpieces during service, it is particularly important to carry out non-destructive testing regularly. The ultrasonic phased array technology is suitable for the rapid detection of curved workpieces due to its high sensitivity and high speed. Especially, the flexible phased array transducer has been successful developed to meet the needs of complex curved workpiece detection, but there is still a lack of corresponding theoretical support. Therefore, a dynamic focusing theory of flexible phased array with complex curved surface is presented in this paper, and a finite element sound field model in time domain is established for simulation. The results show that based on the proposed theory, the flexible phased array transducer can solve the problem of small defect detection in complex curved workpieces, which provides a theoretical basis for the parameter design of flexible phased array transducers and promotes its application and development.

flexible phase array transducer; dynamic focusing; simulation study in time domain

TB553

A

1000-3630(2019)-05-0585-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.05.017

2018-06-02;

2018-07-18

國家重點研究項目(2016YFF0203000)資助。

王中亞(1986－), 男, 安徽合肥人, 工程師, 碩士, 研究方向為電力行業無損檢測工藝及仿真技術。

趙新玉, E-mail: xyz@djtu.edu.cn