模拟仿真软件在超声检测教学中的应用

曹恩铭，杨 铭

渤海船舶职业学院，辽宁 兴城 125105

超声波检测技术由于其设备轻便、易于携带且普通碳钢的焊接接头检测灵敏度适合、检出率佳等优势，被广泛应用于机械制造行业、航天航空工业、核工业、武器装备、铁路与传播、石油与化工[1-2]、压力容器与管道和建筑等领域。超声波检测技术是理化测试及质检技术（无损检测方向）的专业核心课程，掌握超声波检测技术对于无损检测专业的大学生来说是必要的。超声检测的重点和难点知识是对于超声波声场分布及声束传播的理解和应用。因此，将模拟软件应用于超声检测教学中，使学生能够“直观”地观察声束传播及声场分布是一种有效的手段。

1 AnyPhasedArray模拟软件

AnyPhasedArray是一款具有工件制定、探头制定、波束线分析和声场分布分析等功能的超声检测模拟软件。工件制定模块，可对工件的形状和尺寸实时设置，与其他声场仿真软件不同的是，AnyPhased Array能够直接在工件制定步骤中制定坡口形式、坡口角度、焊缝宽度和下坡口距离等焊缝参数，减少了建模部分的细化网格步骤；对于除却长方体焊件、圆柱体焊件和T型焊件之外的特殊形状工件，通过加载DXF格式的焊件文件的方式进行工件导入；工件模型导入后可直接设定工件内声速传播速度，可以制作声速接近但不同工件的声场仿真。

探头制定，可选择包括常规水浸探头、常规接触探头、超声相控阵[3-4]、TOFD、面阵探头和柔性相控阵探头等探头类型，且具有一定数量的探头参数储存信息，可供直接使用或基于原有参数的基础上调整为所需参数后使用。对于超声检测的模拟计算中，楔块参数设定通常为学习过程中的重难点，由于楔块声场添加后增加整体计算量，因此楔块仿真部分通常被省略，该软件可直接添加楔块且楔块参数可控，优化了楔块设定的问题。

2 AnyPhasedArray模拟软件在理论教学中应用

2.1 超声波在异质界面传播中的理论计算

超声波由介质1传播到介质2有同种波型的反、折射的同时，伴随着异种波型的反、折射现象，以入射波为纵波为例，波的传播及波型转换如图1所示。

图1 波的反射、折射和波型转换示意图

各波的角度可计算并遵循菲涅耳定理，公式如下：

当声波垂直入射时，θ=0时，由公式（1）得，θL1=θL2=θS1=θS2=0。介质2中只有纵波；θ大于零度，小于第一临界角时，介质2中有折射横波、纵波；θ处于第一、二临界角之间时，介质2中只有折射横波；θ大于第二临界角，介质2里没有折射波，入射波全反射[5]。

声压发射率为：

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

固体Ⅱ介质中的折射纵波声压透射率为：

固体Ⅱ介质中的折射横波声压透射率为：

综合公式2、3、4分析可得，介质1、2之间的声压反射率、折射横波声压透射率、折射纵波的声压透射率都与第一介质和第二介质中的声阻抗Z1、Z2和Zt有关。当Z2＞＞Z1时，超声波传播到异质界面，不论异质界面是否存在反射体，都会有反射声波发生，声波的两种介质之间的传播能力差。当Z2≈Z1，超声波垂直入射时，界面无缺陷不存在界面回波，只有第二介质的反射体回波存在。超声波斜入射，超声波同样全透射。

实际检测中的耦合层厚度控制在远远小于波长后，即可忽略耦合层厚度对于超声传播过程中的界面影响。因此，模拟仿真过程中，接触法超声检测中的耦合层不需要考虑其对超声波传播的影响。

2.2 超声波在异质界面传播中的模拟计算

超声检测中常用的检测方法有横波斜探头检测和纵波直探头检测，分别以两种方式为例，为学生演示并讲解声场分布时[6]。其中纵波直探头检测的重难点在于理解垂直入射声波的入射和反射；横波斜探头检测的重难点在于倾斜入射声波的折射和反射。以板对接焊接接头、单V坡口焊缝为被检工件，线阵列激发晶片分别垂直入射和倾斜入射为激发换能器为例，进行仿真计算。

垂直入射演示中声束线的传播路径，垂直入射的声束是垂直于工件表面、工件底面和超声换能器晶片传播的，与理论计算得到的结论相同；工件上下表面与换能器的晶片处于平行关系，根据几何声学的计算，几何声学垂直入射的声束的反射声束沿原路径回到探头中，不发生声束偏移，理论计算结论与仿真结果相同。

倾斜入射的声束与楔块上表面垂直，与下表面具有入射角度，楔块下表面与工件界面与楔块下表面平行。通过理论计算，声束在入射楔块上表面时为垂直入射，传播至楔块下表面时，发生声束折射且符合折射定律，由于楔块材料为有机玻璃，纵波声速为2 730 m/s；工件材料为钢，横波声速为3 230 m/s；通过计算可得，折射横波角度大于入射纵波角度。

观察图2倾斜入射演示中声束线入射传播路径，与理论计算结论相同。由楔块与工件界面入射的声波继续沿折射横波角度在工件内传播至工件与空气界面时，声波入射角度等于上一界面中的折射横波角度且大于工件-空气界面的第三临界角，声波在工件内全反射。观察图倾斜入射演示中声束线的反射传播路径，与理论计算结论相同，皆为45°纵波入射角，56.8°横波折射角。

图2 倾斜入射演示（折射、反射）

模拟仿真软件计算结果和图像显示结论与理论计算结论相同，证明模拟仿真软件的可靠。学生对声波在超声换能器内部及工件内传播的学习和理解，有了可见的学习资料。学生可通过理论计算得到传播结论以外，可通过观察计算图像结论在脑中拥有图像记忆。对于理论计算能力较差的学生来说，模拟仿真软件的计算图像结论对其理解结论是有益的。

3 结论

利用AnyPhasedArray仿真软件在工艺制定探头选择的应用，不仅可以验证选择K值是否正确，而且能够验证扫查声场覆盖情况，降低制作模拟试块的费用。

利用AnyPhasedArray仿真软件，在纵波直探头和横波斜探头激发超声波在异质界面上的折射和反射传播过程的仿真计算、一二次波的声波传播过程计算、定位的应用、不同K值探头的声场传播过程计算和声场覆盖中进行应用，得到的数据以图像显示计算结果，更利于学生的理解，将文字记忆方式改编为图像记忆，增强学生对超声检测中重难点的混合式记忆。学生可以把本来抽象的看不到的声场，通过自己对于软件的应用，以计算图像的形式观察结论，提升了学生在学习超声检测重难点知识的信心，提高了学生学习的积极性和成就感。