Page 41 - 无损检测2023年第二期

王九鑫, 等:

基于 MATLAB的超声换能器声场特性仿真及可视化研究

化算法。 π
2
P = 2P 0 sin R s+ r - r sin ( ωt- kr )
2

借鉴了医学超声的思想, 声场可视化技术逐步 λ

被应用在工业上。张杰等 [ 6 ] 使用 AutoCAD 软件模 ( 2 )
拟超声声场辅助超声波检测, 有效剔除了复杂工件 式中: R s 为圆形探头半径; P 为幅值, 是具体应用
检测时的可疑信号并提高了检测效率。 FENG 等 [ 7 ] 中的主要参考指标, 因此取其值为
通过三种可视化方法对超声数据进行可视化, 并测 π
P = 2P 0 sin R s+ r - r ( 3 )
2
2

λ
量波束宽度和扩展角, 为超声换能器的可靠测量与

通过模型建立、 积分求解, 可得到圆形超声换能
评定提供了依据。 ZHANG 等 [ 8 ] 通过流 - 固耦合谐
器轴向足够远处的声压为 [ 13 ]
波响应模拟和铝箔腐蚀试验, 表明超声波方向对声
2J 1 kR s sin θ )
(
P 0 F s
场强度和分布确有一定影响的结论, 模拟结果与试 P ( r , θ ) = × sin ( ωt- kr )( 4 )
λr kR s sinθ
验结果基本一致。 ZHAO 等 [ 9 ] 利用64个元件的线 为第一类一阶贝塞尔函
式中: F s 为圆盘面积; J 1
阵换能器模拟不同指向性约束下的转向声场, 模拟 数; r 为圆形探头端面圆心到声场轴线上某一点的
结果更接近实际声传播情况, 为相控阵传感器应用 距离; P ( r , θ ) 为轴线上距探头端面为 r 处的声压。
的设计和使用提供了更准确的技术支持。但很少有 同样地, 在实际工程应用中只需要研究声压幅
研究利用声场的虚拟扫描数据进行可视化以及通过 值, 即
可视化数据研究不同参数的影响。因此, 开发出了
(
P 0 F s 2 J 1 kR s sinθ )
一种超声声场可视化软件, 并通过仿真试验验证了 P ( r , θ ) = λr × kR s sin θ ( 5 )

其在超声声场仿真模拟中的可靠性。 将上述球坐标系中的变量转化为笛卡尔坐标
系, 变量之间的转化关系可表示为
1 超声波检测及声场理论
x= rsinθcos φ

1.1 超声检测原理 ( 6 )

y= rsinθsin φ

z= rcosθ
常见的超声检测探头有两种, 直探头和斜探头。

在检测板材、 铸件和锻件等时, 缺陷与待检测表面平 对于声压分布情况求解, 在距离超声换能器一
行, 直探头的实用性更高 [ 10 ] 。 定远处的平面上, 可以得到对应处声压的数学模
型 [ 14 ] , 即
考虑到横纵波斜探头工作时发射的是横纵波,
所以在检测锻件、 焊缝和管材等缺陷与检测面垂直 x +y 2
2

或成一定角度的对象时, 斜探头更为适用, 但是横波 2 2 J 1 kR s 2 2 2
k 1 R s x +y + z 0
)
y
P ( x , , z 0 = =
和纵波有时存在相互干扰的情况 [ 11 ] 。 λ kR s x +y 2
2
1.2 声场分布原理 ( 7 )
在不考虑介质对声波衰减的条件下, 圆形活塞 式中: x 为距离截面中心的横向距离; 为距离截面
y
换能器表面上的每一点都可以看作单一声源 [ 12 ] , 其
中心的纵向距离; z 0 为换能器中心到截面的距离。
辐射的声压P 可以表示为
2 仿真软件开发与设计
P 0 S
P = sin ( ωt- kr ) ( 1 )
r 2.1 界面设计原理
为点源处的初始声压; S 为点源面积; r
式中: P 0 2.1.1 GUI ( 用户图形界面) 页面设计原理
为声场中任一点到点状声源的距离; ω 为角频率; t GUI 页面设计包括两个方面: 一方面是可视化
为点源辐射的声波传播至距离 r 处所需的时间; λ 界面开发, 其中包括界面元素管理和图形绘制; 另一
为介质中的超声波波长; k 为波数, k= 2π / λ 。 方面是消息映射 [ 15 ] 。在可视化界面开发阶段, 首先
圆形超声换能器活塞表面上任意一点都相当于 对主窗口进行定义, 其次开发主窗口并创建元素, 然
一个单位声源, 为了使模型简化并方便计算, 假设每 后显示窗口, 最后进入到消息循环。消息映射阶段
一单位声源作简谐运动的振幅和相位都相同, 轴线 的开发包括定义回调函数和响应函数。用户通过操
上任一点处的声压大小为全部单位声源辐射到这一 作将系统信息传入到应用程序中, 消息处理函数对
点的声压之和, 即 消息进行处理。
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2023年 第45卷 第2期
无损检测