● 摘要
超声检测是工业无损检测领域应用最广泛且最有效的方法之一。作为一种新型的超声检测方法，相控阵超声检测技术具有检测分辨率高、灵敏度好、检测速度快等特点，正在快速发展并逐渐代替传统单/多通道超声检测，已应用于高端工业领域的无损检测与评价中。然而，目前该技术仍存在很多问题亟待研究。为了进一步发展和完善该技术，针对复杂型面及各向异性材料构件的检测难点，从相控阵超声的换能器及波束控制、虚拟聚焦两类方法入手，开展相控阵超声检测技术的基础及应用研究。 首先，开展了相控阵超声换能器声场理论计算及参数优化设计研究。基于惠更斯原理，推导了相控阵超声换能器在各向同性固体介质中的辐射声场分布及指向性函数的表达式；在最小化声束主瓣宽度、消除栅瓣、抑制旁瓣的基本原则下，分析了相控阵换能器基本参数对波束指向性的影响，确定了相控阵换能器参数的优化设计方法；通过分析相控阵超声合成波束的声场特性，验证了换能器参数的设计方法。研究结果为选取相控阵换能器参数、获得良好的声学特性提供了理论依据。 其次，开展了基于波束控制的相控阵超声检测技术研究。提出了相控阵超声波束的时域有限差分数值仿真方法，并针对相邻两层介质声学参数突变所引起的算法不稳定问题，提出了差分算法的改进方法；延时算法是相控阵超声波束控制的核心，为了精确控制超声波束实现对复杂型面构件的检测，提出了声波在双层平界面和非平界面间传播时的延迟时间计算方法；通过模拟相控阵超声波束在均匀各向同性和层状各向异性介质中的传播过程，分析了合成波束在不同介质中的传播特性，为波束控制相控阵超声检测的应用研究奠定了基础。 再次，开展了基于虚拟聚焦的相控阵超声检测技术研究。描述了全矩阵数据的采集方法，基于声波近似射线原理，建立了单层介质和双层介质下的全矩阵数据模型；在虚拟聚焦理论基础上，研究了经典的全聚焦检测算法，提出了动态孔径聚焦检测算法，缓解了阵元晶片指向性和试样复杂型面对检测结果的影响，提出了可自动获取被测试样界面轮廓的自适应聚焦检测算法；针对各向异性材料中声速的非均匀性，提出了基于全矩阵数据的声速测量方法和虚拟聚焦检测算法的声速校正方法，有效提高了各向异性材料构件检测时的分辨率和缺陷识别能力。 最后，开展了相控阵超声检测技术的应用研究。建立了包含硬件系统、波束追踪软件和检测软件的相控阵超声检测实验系统；在实验平台上，分别采用基于波束控制和基于虚拟聚焦的相控阵超声检测方法对均匀各向同性的金属材料试样和层状各向异性的复合材料试样开展实验研究；通过检测结果对比，分析了两种相控阵超声检测方法目前存在的技术问题及未来的发展方向。取得的研究成果为相控阵超声检测技术的工程应用提供了技术支持。 研究了相控阵超声换能器在固体介质中的辐射声场分布，为换能器参数的优化设计提供了指导；针对复杂型面构件提出了多种延迟时间计算方法，分析了超声合成波束在各向异性介质中的传播特性，完善了波束控制相控阵超声检测的基础理论；提出了动态孔径聚焦和自适应聚焦检测算法，利用声速校正方法对各向异性材料进行了实验研究，推动了虚拟聚焦相控阵超声检测技术的发展。研究成果对提高我国相控阵超声检测技术的理论水平具有重要意义。