柔性相控阵动态聚焦理论与仿真

王中亚，刘欣平，史猛，李晓利，闫浩明，赵新玉

柔性相控阵动态聚焦理论与仿真

王中亚1，刘欣平2，史猛2，李晓利2，闫浩明3，赵新玉3

(1. 中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，安徽合肥 230088；2. 驻北方华安工业集团有限公司代表室，黑龙江齐齐哈尔 161046；3. 大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连 116028)

曲面构件被广泛应用在各个领域的关键部位，一旦出现质量问题将造成不可估量的后果，为确保曲面构件在服役期间安全可靠，对其定期进行无损检测尤为重要。因超声相控阵技术检测灵敏度高、速度快，适用于曲面构件的快速检测，特别是柔性相控阵换能器的成功研制满足了复杂曲面构件的检测需求，但目前仍缺乏相应的理论支撑。因此，提出了复杂曲面柔性相控阵动态聚焦理论，并建立有限元声场时域仿真模型。结果表明，基于所提出的聚焦理论，采用柔性相控阵换能器可解决复杂曲面构件内部微小缺陷检测难题，为柔性相控阵换能器参数设计提供了理论依据，推动了柔性相控阵换能器的应用与发展。

柔性相控阵换能器；动态聚焦；时域仿真研究

0 引言

随着航空航天、轨道交通等装备制造领域的飞速发展，越来越多的曲面结构被广泛应用，例如发动机叶片、钢轨及船舶结构件等。这类复杂曲面构件在制造和服役期间受到生产工艺、复合载荷以及外界环境等多重因素影响，致使其表面及内部会出现气孔、疏松、裂纹甚至断裂等各种损伤缺陷，若不能及时检出和定量评价，将严重影响关键装备的安全运行，甚至会造成严重事故。因此迫切需要曲面构件内部缺陷的量化检测技术，进而对构件的可靠性和寿命进行评估[1-3]。

超声相控阵换能器可实现动态偏转聚焦、探伤灵敏度高、检测速度快，近些年得到了广泛关注[4-6]。北京航空航天大学的马立印等[7]针对发动机叶片根部裂纹检测需求，研制了带有弧形楔块的线阵换能器，并进行了叶片试件的S扫描试验，结果验证所设计的相控阵换能器可实现叶片根部缺陷检测。针对L型构件R区超声检测难题，徐娜等[8]提出了线阵换能器检测方案并开展检测试验，验证了线阵换能器检测方法可行；张冬梅等[9]利用弧阵换能器和线阵换能器进行了超声相控阵试验，发现弧阵换能器的检测结果优于线阵换能器。但是带有楔块的换能器和固定曲率的弧阵换能器加工复杂且适用范围有限，难以满足各类复杂曲面工件检测需求。

为检测复杂形廓曲面构件，南昌航空大学[10]和多浦乐公司分别研制了柔性相控阵换能器，并开展了相应的实验研究。利用柔性相控阵换能器检测曲面构件时，受构件曲率影响，很难控制换能器的辐射声场。因此，本文推导了一维线阵在二维复杂曲面的动态聚焦算法以准确计算辐射声场偏转聚焦时各阵元的延迟时间，并在此基础上，建立柔性相控阵换能器辐射声波时域仿真模型。

1 柔性相控阵动态聚焦方法

超声相控阵技术是通过精确控制每个阵元的延迟时间，灵活而方便地控制声束，实现波束动态偏转与聚焦，从而提高超声检测的分辨力、灵敏度，增大信噪比。利用柔性相控阵检测复杂曲面构件时，由于构件表面曲率发生变化，构件中声场分布情况极其复杂，需深入研究复杂曲面声场聚焦特性及分布规律。本文首先推导了柔性相控阵动态聚焦方法，在此基础上，采用声场有限元理论，建立超声时域动态仿真模型。

图1 曲面检测的扫描原理示意图

图2 曲面工件检测的柔性相控阵聚焦原理

尾阵元序列号为：

点左边紧邻阵元的序列号：

工件曲面能放置的阵元总数：

其中：

。

基于曲面柔性相控阵聚焦理论，采用相控阵技术对复杂曲面构件进行无损检测的最大特点是，阵元组完成一次电子线性扫描后，用户可根据实际需要调整声波偏转角、聚焦深度，实现超声波束的动态聚焦，再进行下一次探伤扫描，极大地提高了探测能力和检测效率，满足日益提高的工业无损检测需求。

2 柔性相控阵时域仿真分析

结果表明：按照图3计算的延迟时间对各阵元进行信号激励，能实现柔性相控阵波束动态偏转与聚焦，验证了曲面柔性相控阵聚焦理论的正确性。

图3 凹凸面检测时各阵元延迟时间

(a)=0,=10 mm

(b)=30°,=10 mm

(c)=0,=15 mm

(d)=30°,=15 mm

图4 基于图3各阵元延迟时间的声束聚焦仿真结果

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

图5显示，缺陷半径为0.05 mm的回波信号不太明显，当波束遇到小孔缺陷时方向发生改变，大部分声束能量被散射到其他方向；缺陷半径为0.1、0.2、0.4 mm的回波信号比较明显，且信号峰值随缺陷半径增大而增大。为确定缺陷信号信息，需要利用多个阵元采集回波信号，回波信号到达各个阵元的延迟时间也由上述推导的聚焦法则决定，按照其时间差对各阵元接收的信号进行进行延迟叠加，就能得到增强的缺陷回波。以上分析表明，本文推导的延迟聚焦理论，采用柔性相控阵技术能够有效检测复杂形廓工件内部微小缺陷。

本文也模拟了当曲面工件内部有多个孔形缺陷时，聚焦声波在不同位置孔缺陷处的散射位移场分布情况。工件结构示意如图1所示，探头的16个阵元为一组对工件从凹面到凸面进行电子线性扫描，仿真计算结果如图6所示。

图5 检测不同尺寸孔缺陷的仿真结果

(a) 阵元都在凹面

(b) 凹面、凸面都有阵元

(c) 阵元都在凸面

图6显示，无论是在凹面、凹凸结合面还是在凸面，探头根据计算得到的各个阵元延迟时间进行信号激励，辐射波束能实现动态偏转聚焦，多角度、多方位扫描探伤，可有效提高工件内部微小缺陷检出的能力。

针对复杂曲面工件检测问题，设计高精度、高分辨率的柔性相控阵换能器时，换能器参数如阵元数目、阵元宽度、阵元芯距、中心频率等都会影响超声相控阵换能器辐射声场特性，仅依靠经验难以保证换能器参数正确。因此，利用本文建立的聚焦延迟方法和聚焦声场有限元仿真模型，可以分析换能器参数对辐射声场的影响，优化换能器参数以避免较大波束旁瓣和栅瓣产生，进而有效提高换能器质量。

3 总结

针对复杂曲面构件无损检测难题，本文推导了柔性超声相控阵聚焦算法，并建立时域声场仿真模型，仿真结果验证了复杂曲面聚焦算法的正确性，为柔性阵列换能器的设计提供理论基础和技术支持，促进柔性相控阵换能器在曲面工件检测中的高效研发和实际应用。

致谢 感谢吉林大学郑艳芳的校改完善。

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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

国家重点研究项目(2016YFF0203000)资助。

王中亚(1986－), 男, 安徽合肥人, 工程师, 硕士, 研究方向为电力行业无损检测工艺及仿真技术。

赵新玉, E-mail: xyz@djtu.edu.cn