Page 234 - 《应用声学》2024年第6期

1410 2024 年 11 月

1.4 数值求解过程 本文使用 128 阵元极坐标圆面阵探头，直径
基于上述计算原理，建立如图 7 所示的极坐标 80 mm，频率为 2.5 MHz 的探头对长为 750 mm、直
计算模型，以螺栓中心为三维纵轴，顶面圆心点为 径为130 mm的螺栓进行检测，螺栓如图8 所示。针
极坐标系极点，其中A点为发射阵元或者接收阵元， 对所有反射能量场进行场能重建，得到相关的成
B m 点为满足条件的侧壁反射点。声波从发射 A 点 像结果如图 9 所示，1 层场能成像结果中只存在 1#、
经过 B m 点到达焦点 C 点再返回接收 A 点 (或与发 2# 两个缺陷且缺陷的声压幅值较小，缺陷面积较
射A点不同的阵元)。 小，而在 3 层及以上层级场能的结果中，可以明显检
测到 3#、4# 两个小缺陷，缺陷面积增加，而且缺陷

回波声压幅值随着层级叠加而增加。从不同场能层

级的成像结果可以看出，将多层声场能量累加后，缺
ᡔܦฉԧ࠱૝ЋA
 陷处的信号逐步增强，原来检测不到的缺陷，在应用
Ԧ࠱གB m
 了此项技术后可以检出。
֓
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֓
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֓ ֓ ֓    

图 7 极坐标计算模型
Fig. 7 Polar coordinate calculation model
在图 7 所示的端面投影极坐标系中，设置迭代
步长小于超声波的半波长，求在圆周上反射点的穷
尽解的集合，再筛选去除夹角的绝对值相等但极角 图 8 螺栓实物图
相反的反射点，最终从合理解集合中计算出各点所 Fig. 8 Physical drawing of bolts
对应的纵轴坐标。然后通过 TFM 来计算每一个焦
点的传播时间，获取相应声压值完成图像重建，将直 1#
3# 4#
射声场图像定义为一层场能图像，叠加一个折射声 2#
场称为二层场能，随着场能层级数量增加可以实现 ڤᑟ1ࡏ ڤᑟ2ࡏ ڤᑟ3ࡏ
对微弱信号的增强。
在使用枚举法求方程组的穷尽解时，需要对迭
代步长和允许误差做设置，依照超声波聚焦相干增
强的原理，求穷尽解的迭代步长不应大于所发射超 ڤᑟ4ࡏ ڤᑟ5ࡏ ڤᑟ6ࡏ
声波波长的半波长，极角迭代步长应选取小于其在
圆周上所形成的步进量等效的发射波半波长。

2 实验结果 ڤᑟ7ࡏ ڤᑟ8ࡏ ڤᑟ9ࡏ

在实际应用中，可以根据声程范围、能量层级、 图 9 场能重建图 (不同层级)
反射次数等，设定不同的场能层级，依据上述计算原 Fig. 9 Field energy reconstruction diagram (dif-
理分别计算其传播路径和聚焦时间。一般来说，场 ferent levels)
能层级累加越多，对微小缺陷的检测灵敏度越高，但
3 结论
也应该注意到随场能层级累加增加，计算所需要的
时间越长，同时噪声水平也会相应上升，因此累加场 使用阵列超声 TFM 成像对大型螺栓进行在役
能层级选择需要综合考虑。 检测时，由于单个阵元发射能量限制，对探头远端的