Page 37 - 无损检测2023年第十二期

刘祥康, 等:

在役井口阀门内部阀杆腐蚀的相控阵超声检测

270mm 处) 设置两个深度为 2mm , 宽度为 1mm 2.2 回波信号识别处理

的槽型缺陷, 设置晶片宽度为 1 mm , 晶片间距为 为了确定缺陷位置回波的准确性, 需要对阀杆特

1.4mm , 激发孔径尺寸为22mm , 探头中心频率为 征结构进行识别, 阀杆特征结构位置如图7所示。经

-1
10MHz , 材料中声速为5890m · s 。 过仿真得到存在模拟缺陷的情况下, 16个阵元接收到
为了简化仿真模型从而减少仿真时间以及内存 的阀杆端部激励的回波信号如图8所示, 仿真结果中
占用, 使用分割线段的方法建立超声探头模型, 在 出现的5个特征回波信号在有缺陷( 左) 和无缺陷( 右)
COMSOL软件中建立的二维阀杆模型以及简化后 情况下的信号对比如图9所示, 通过图8中信号出现
的阵元如图5所示。 的时间计算得到 5个信号的位置依次为 57 , 180 , 225.5 ,

270 , 364mm , 依次与两个特征结构与两处缺陷对应, 其

中364mm 处为底波信号。
缺陷1的回波信号出现在结构1以及结构2之
间, 缺陷2回波信号出现在结构2以及底波信号之
间, 可见回波信号可以很好地反映仿真模型中3个

重要结构位置以及2个缺陷位置。

图5 二维阀杆仿真模型结构示意
使用自由三角形网格对二维模型进行划分, 完 图7 阀杆特征结构位置示意

整网格包含8547个域单元和 887 个边界单元, 求 S扫描是相控阵超声检测技术特有的成像方

解的自由度数为642425 。 式, 通过控制延时法则, 使超声波以不同的角度对试
采用高斯脉冲信号作为相控阵超声仿真激励 件进行扇形扫查 [ 13 , 17 ] 。为了直观得到缺陷以及重
源, 高斯脉冲信号能量较为集中, 余波能量对信号影 要结构在工件中的深度位置信息, 笔者在仿真软件
响较小, 有较短的激发时间, 且其旁瓣对主波信号的 中设置一定的延时法则, 使用全部16晶片进行0°~
干扰比较小, 指向性强 [ 15 ] , 高斯脉冲信号的表达 1.5° 的扇形扫查, 得到多组回波信号, 再利用数据处
式为 理软件将回波信号转换为 S扫描图像, 转换后得到
t-T 的 S扫描图像如图10所示。

( 1 ) 对比无缺陷以及存在缺陷的 S扫描成像结果,
T
2 sin ( 2π f t )

可以进行缺陷深度定位, 从图10中可以明显观察到
V = 200ex p
式中: 为探头中心频率; T 为探头中心频率的倒
f
在180mm 位置出现了明显的回波信号( 缺陷 1 ),
数; t 为时间。
并且其成像位置在两个结构回波之间, 与实际模型
高斯脉冲波形示例如图6所示。
相匹配。但270mm 处缺陷2回波信号较为微弱。
为了确定该处信号是否为缺陷引起的回波, 对

270mm 处缺陷进行相控阵聚焦, 对比存在缺陷与不
存在缺陷位置的信号强度可以发现, 缺陷2的回波位
置恰好处于两螺纹回波之间, 并且对比图9 ( d ) 的回
波信号可以发现, 存在缺陷时信号会出现扰动, 可以

确定成像结果中270mm 位置处信号为缺陷引起。
3 试验验证
3.1 试验设备及试件
图6 高斯脉冲波形示例

试验仪器选用奥林巴斯 OmniscanX3 型超声
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2023年 第45卷 第12期
无损检测