Page 70 - 无损检测2024年第四期

程宝谊,等:
核电混凝土相控阵超声检测的数值模拟分析

和范围 [ 3 ] , 极具研究价值。
在雷达电磁波领域, 相控阵技术被广泛应用, 但
在混凝土超声波检测领域, 其应用还不算普及。李
广瑞 [ 3 ] 设计了相控线阵和合成相控阵列检测方式,
从理论上证明了可以通过相控线阵激发纯横波的方
式来检测预应力混凝土中的压浆空洞。鲁光银等 [ 4 ]
针对混凝土缺陷检测方法, 提出了相控阵成像的观
点, 在工程建筑行业起到了提高缺陷检测能力及定
量解释的作用。姚利君等 [ 5 ] 通过制作设有不同人工
缺陷的钢筋混凝土叠合板试件, 证明了相控阵超声
成像技术可以准确检测新旧混凝土结合面的孔洞、
浮土等缺陷。许鑫浩等 [ 6 ] 采用多种无损检测方 法
图 1 相控阵超声偏转原理示意
( 包括相控阵超声检测法), 对预制混凝土内部质量
由相控阵超声检测的基本原理 [ 11 ] 可知, 相控阵的
缺陷进行了检测, 结果表明相控阵法的检测结果更 聚焦偏转主要是通过控制延迟来实现的。将各阵元所
接近于混凝土内部实际情况, 但由于钢筋对超声波 d f
需延迟时间分为偏转延迟时间 t n 和聚焦延迟时间 t n 。
的干扰, 采 集 到 的 数 据 与 实 际 内 部 情 况 不 完 全 相 由图 1 可知, 相邻阵元的声程差可表示为
符 [ 7 ] 。刘亚辉等 [ 8 ] 通过对常用的几种无损检测技术
(
ΔS = a+d ) sinθ ( 1 )
进行适应性分析, 提出了适用于混凝土预制构件内 则第i 个阵元相对于第 0 个阵元的偏转延迟时
部缺陷检测的无损检测方法( 相控阵超声成像法), 间可表示为
并通过相关试验进行了分析验证。宋雄彬等 [ 9 ] 为了 d i ( a+d ) sinθ
t n = ( 2 )
验证相控阵超声成像法在装配式钢筋混凝土构件缺 c
陷检测方面的适用性, 进行了叠合板试验以及浆锚 式中: c 为超声声速。
搭接试验, 结果表明, 相控阵超声成像法可用于钢筋 相控阵超声聚焦原理如图2 所示, 设焦点为 P ,
聚焦距离为 F , 则任意阵元i 与焦点间的距离可表
混凝土叠合板构件的缺陷检测。
示为
目前利用 COMSOL 软件模拟混凝土的相控阵
检测方便的研究较为有限, 并且核电混凝土的无损 D = x i +F 2 ( 3 )
2
检测 研 究 也 相 对 较 少。 笔 者 以 表 观 密 度 为 式中: x i = i ( a+d )。
-3 则第i 个阵元相对于第 0 个阵元的聚焦延迟时
·
2800k g m 的核电混凝土为研究对象, 通过相
控阵超声仪实现含缺陷混凝土的超声断层成像。利 间可表示为
用 COMSOL 有限元仿真软件进行模拟分析和模型 F - x i +F 2
2
f
t n = ( 4 )
的可靠性验证, 分析了声波在核电混凝土中的传播 c + t 0
特性与规律, 并探究不同相控阵超声声束偏转角度 式中: t 0 为一个避免延迟时间为负的足够大的时间
和聚焦距离对核电混凝土缺陷检测的影响, 为相控 常数。
阵超声探头的设计与优化提供了参考。 综上, 相控阵的总延迟时间可表示为

ia+d +F
1 相控阵超声检测的基本原理 t n = idsinθ + F - 2 2
c c + t 0
以一维线形阵列为例, 设阵元总数为 N 。第一 ( 5 )
个阵元记为阵元 0 , 以阵元 0 为原点, 阵元排列方向
2 相控阵超声检测试验
为横轴, 垂直于阵元排列方向为 纵轴建立坐标系。
相控阵超声偏转原理如图 1 所示, 设阵元间距为 d , 在混凝土试件浇筑前, 采用将空心 PVC ( 聚氯乙
阵元尺寸为a , 相邻阵元的声程差为 ΔS ; 同时激励 烯) 管的根部固定在模板上的方式模拟混凝土内部孔
各阵元, 合成波束形成一个合成波阵面, 设阵元延迟 洞 等 缺 陷 情 况。 核 电 混 凝 土 试 件 的 尺 寸 为
[ 10 ]
得到的合成波阵面与阵列轴线的夹角为θ 。 400mm×400mm×200mm ( 长×宽×厚), 被测混凝
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2024 年 第 46 卷 第 4 期
无损检测