模擬仿真軟件在超聲檢測教學中的應用

曹恩銘，楊 銘

渤海船舶職業學院，遼寧 興城 125105

超聲波檢測技術由于其設備輕便、易于攜帶且普通碳鋼的焊接接頭檢測靈敏度適合、檢出率佳等優勢，被廣泛應用于機械制造行業、航天航空工業、核工業、武器裝備、鐵路與傳播、石油與化工[1-2]、壓力容器與管道和建筑等領域。超聲波檢測技術是理化測試及質檢技術（無損檢測方向）的專業核心課程，掌握超聲波檢測技術對于無損檢測專業的大學生來說是必要的。超聲檢測的重點和難點知識是對于超聲波聲場分布及聲束傳播的理解和應用。因此，將模擬軟件應用于超聲檢測教學中，使學生能夠“直觀”地觀察聲束傳播及聲場分布是一種有效的手段。

1 AnyPhasedArray模擬軟件

AnyPhasedArray是一款具有工件制定、探頭制定、波束線分析和聲場分布分析等功能的超聲檢測模擬軟件。工件制定模塊，可對工件的形狀和尺寸實時設置，與其他聲場仿真軟件不同的是，AnyPhased Array能夠直接在工件制定步驟中制定坡口形式、坡口角度、焊縫寬度和下坡口距離等焊縫參數，減少了建模部分的細化網格步驟；對于除卻長方體焊件、圓柱體焊件和T型焊件之外的特殊形狀工件，通過加載DXF格式的焊件文件的方式進行工件導入；工件模型導入后可直接設定工件內聲速傳播速度，可以制作聲速接近但不同工件的聲場仿真。

探頭制定，可選擇包括常規水浸探頭、常規接觸探頭、超聲相控陣[3-4]、TOFD、面陣探頭和柔性相控陣探頭等探頭類型，且具有一定數量的探頭參數儲存信息，可供直接使用或基于原有參數的基礎上調整為所需參數后使用。對于超聲檢測的模擬計算中，楔塊參數設定通常為學習過程中的重難點，由于楔塊聲場添加后增加整體計算量，因此楔塊仿真部分通常被省略，該軟件可直接添加楔塊且楔塊參數可控，優化了楔塊設定的問題。

2 AnyPhasedArray模擬軟件在理論教學中應用

2.1 超聲波在異質界面傳播中的理論計算

超聲波由介質1傳播到介質2有同種波型的反、折射的同時，伴隨著異種波型的反、折射現象，以入射波為縱波為例，波的傳播及波型轉換如圖1所示。

圖1 波的反射、折射和波型轉換示意圖

各波的角度可計算并遵循菲涅耳定理，公式如下：

當聲波垂直入射時，θ=0時，由公式（1）得，θL1=θL2=θS1=θS2=0。介質2中只有縱波；θ大于零度，小于第一臨界角時，介質2中有折射橫波、縱波；θ處于第一、二臨界角之間時，介質2中只有折射橫波；θ大于第二臨界角，介質2里沒有折射波，入射波全反射[5]。

聲壓發射率為：

其 中，Z為 聲 阻 抗，Z1=ρ1CL1/COS θ；Z2=ρ2CL2/COSθL2；Zt=ρ2CS2/COSθS2。

固體Ⅱ介質中的折射縱波聲壓透射率為：

固體Ⅱ介質中的折射橫波聲壓透射率為：

綜合公式2、3、4分析可得，介質1、2之間的聲壓反射率、折射橫波聲壓透射率、折射縱波的聲壓透射率都與第一介質和第二介質中的聲阻抗Z1、Z2和Zt有關。當Z2＞＞Z1時，超聲波傳播到異質界面，不論異質界面是否存在反射體，都會有反射聲波發生，聲波的兩種介質之間的傳播能力差。當Z2≈Z1，超聲波垂直入射時，界面無缺陷不存在界面回波，只有第二介質的反射體回波存在。超聲波斜入射，超聲波同樣全透射。

實際檢測中的耦合層厚度控制在遠遠小于波長后，即可忽略耦合層厚度對于超聲傳播過程中的界面影響。因此，模擬仿真過程中，接觸法超聲檢測中的耦合層不需要考慮其對超聲波傳播的影響。

2.2 超聲波在異質界面傳播中的模擬計算

超聲檢測中常用的檢測方法有橫波斜探頭檢測和縱波直探頭檢測，分別以兩種方式為例，為學生演示并講解聲場分布時[6]。其中縱波直探頭檢測的重難點在于理解垂直入射聲波的入射和反射；橫波斜探頭檢測的重難點在于傾斜入射聲波的折射和反射。以板對接焊接接頭、單V坡口焊縫為被檢工件，線陣列激發晶片分別垂直入射和傾斜入射為激發換能器為例，進行仿真計算。

垂直入射演示中聲束線的傳播路徑，垂直入射的聲束是垂直于工件表面、工件底面和超聲換能器晶片傳播的，與理論計算得到的結論相同；工件上下表面與換能器的晶片處于平行關系，根據幾何聲學的計算，幾何聲學垂直入射的聲束的反射聲束沿原路徑回到探頭中，不發生聲束偏移，理論計算結論與仿真結果相同。

傾斜入射的聲束與楔塊上表面垂直，與下表面具有入射角度，楔塊下表面與工件界面與楔塊下表面平行。通過理論計算，聲束在入射楔塊上表面時為垂直入射，傳播至楔塊下表面時，發生聲束折射且符合折射定律，由于楔塊材料為有機玻璃，縱波聲速為2 730 m/s；工件材料為鋼，橫波聲速為3 230 m/s；通過計算可得，折射橫波角度大于入射縱波角度。

觀察圖2傾斜入射演示中聲束線入射傳播路徑，與理論計算結論相同。由楔塊與工件界面入射的聲波繼續沿折射橫波角度在工件內傳播至工件與空氣界面時，聲波入射角度等于上一界面中的折射橫波角度且大于工件-空氣界面的第三臨界角，聲波在工件內全反射。觀察圖傾斜入射演示中聲束線的反射傳播路徑，與理論計算結論相同，皆為45°縱波入射角，56.8°橫波折射角。

圖2 傾斜入射演示（折射、反射）

模擬仿真軟件計算結果和圖像顯示結論與理論計算結論相同，證明模擬仿真軟件的可靠。學生對聲波在超聲換能器內部及工件內傳播的學習和理解，有了可見的學習資料。學生可通過理論計算得到傳播結論以外，可通過觀察計算圖像結論在腦中擁有圖像記憶。對于理論計算能力較差的學生來說，模擬仿真軟件的計算圖像結論對其理解結論是有益的。

3 結論

利用AnyPhasedArray仿真軟件在工藝制定探頭選擇的應用，不僅可以驗證選擇K值是否正確，而且能夠驗證掃查聲場覆蓋情況，降低制作模擬試塊的費用。

利用AnyPhasedArray仿真軟件，在縱波直探頭和橫波斜探頭激發超聲波在異質界面上的折射和反射傳播過程的仿真計算、一二次波的聲波傳播過程計算、定位的應用、不同K值探頭的聲場傳播過程計算和聲場覆蓋中進行應用，得到的數據以圖像顯示計算結果，更利于學生的理解，將文字記憶方式改編為圖像記憶，增強學生對超聲檢測中重難點的混合式記憶。學生可以把本來抽象的看不到的聲場，通過自己對于軟件的應用，以計算圖像的形式觀察結論，提升了學生在學習超聲檢測重難點知識的信心，提高了學生學習的積極性和成就感。