Page 129 - 《应用声学》2022年第1期

第 41 卷 第 1 期 沙正骁等： 应用超声干涉特征识别微小缺陷 125

the method can effectively identify the ϕ0.1 mm micro defects at the depth of 5–80 mm, and can effectively
distinguish the adjacent ϕ0.2 mm micro defects with a transverse spacing of 1 mm when the defect depth is
less than 5 mm.
Keywords: Micro defects; Scattered waves; Ultrasonic interference; Finite element simulation

时的声场变化以及波形变化进行了研究。设计制作
0 引言 了 6 块铝合金微小缺陷试样，利用超声特征扫描成
像系统对铝合金试样全面扫查，采集包含干涉特性
随着金属材料制造水平的提高，航空飞行器中
的完整底波，进行底波尾部波列特征成像，成功检出
的合金材料性能提升巨大，同时质量验收标准也越
所有预置的平底孔缺陷。
发严格，材料内部允许存在的微小缺陷，如微夹杂、
微气孔、微裂纹等的当量尺寸越来越小，这给无损
1 入射波与缺陷散射波的干涉理论
检测带来了更大的挑战。超声检测是常用的无损检
测方法，具有灵敏度高、高效、无污染等优点。但是 如在一球坐标系 rθϕ，θ = 0 是 z 轴，坐标原点
传统超声脉冲反射法存在诸多限制，当待测工件厚 存在一个半径为 r 的圆形小缺陷，一列沿 z 轴正方
度较大、缺陷微小时，缺陷的底波幅值低，极易使得 向传播的平面入射波入射到微小缺陷表面，并以缺
小缺陷波信号湮没在噪声中。针对微小缺陷的超声 陷为二级声源向四周辐射球面声波，球面波在缺陷
识别遇到的困难，本文开展了以下研究：一是研究声 周围叠加形成 “散射波” [11] ，微小缺陷的散射波声
波经过微小缺陷后的传播规律；二是改进和发展新 场表示为球面波的叠加。
的超声检测技术。
前人对于微小缺陷的超声检测进行了理论和 r
P i
实践研究。Rose 等 [1] 对超声波在金属材料内部的 θ
Z
传播和散射作用进行了详细的推导。杨辰龙等 [2] 对
含微小缺陷金属材料超声脉冲反射信号的成分进
行分析，建立了基于散射声场与高斯底波理论的优 图 1 圆形小缺陷处的散射
化超声底波模型。Zhong等 [3] 通过对梁结构的振型 Fig. 1 Scattering from small circular defects
数据使用小波变换和振型曲率的方法进行了微小
入射平面波可以写成
缺陷识别。刘述煌 [4] 采用超声动态聚焦技术和时间
反转自适应聚焦技术成功检测出 ϕ0.4 mm 平底孔， P i = P 0 exp(izk) = P 0 exp(ikr cos θ), (1)
信噪比可达 6 dB 以上。林起本等 [5] 在 Zhong 的研
式(1)中，k 为波数。
究成果基础上，提出了基于离散小波变换和移动质
散射波为P r ，总声场为P = P i + P r 。在球坐标
量法对板梁结构进行微小缺陷识别。王少军等 [6] 用
系下，入射波展开为多个球函数的级数，表示为
超声散射法成功检测 ϕ0.1 mm 的微小缺陷及埋藏
深度 1 mm 的近表面缺陷。唐晓明等 [7] 提出波形干 P i = P 0 exp(ikz)
涉法，利用管波和地层波干涉来调制阵列波数据。 ∑
∞
l
(2l + 1)i P l (cos θ)j l (kr), (2)
= P 0
Pacheco 等 [8] 根据激励点和接收点位置，给出了散
l=0
射波对散射介质特性、尾波观察时间等微小缺陷敏
式 (2) 中，l 为球函数的阶数，P 0 ∼ P l 为球函数 0∼ l
感性的解析式。张涛等 [9] 提出介质散射形成的尾波
阶的声压，j l 为l 阶贝塞尔函数。
由于多次经过缺陷，比入射波更易发现介质的微小
散射波公式为
变化。赵元明等 [10] 简要介绍了尾波干涉理论，并搭
∞ l
∑ (2l + 1)i [j l (kr 0 )] ′
建数值仿真平台，反演了微小缺陷的大小、形状和 P r = −P 0 h (1) (kr)P l (cos θ),
[h (1) (kr 0 )] ′ l
位置分布。 l=0 l
(3)
本文研究了入射波与微小缺陷散射波的干涉
机理，利用有限元仿真方法对超声波经过微小缺陷 式(3)中，h l 为l 阶球汉克函数。