相控阵超声检测方案设计关键技术及其在航空航天领域的应用.pdf

第4 9 卷第4 期 2 0 1 7 年8 月 V 0 1 4 9N o 4 A u g 2 0 1 7 D O I ：1 0 1 6 3 5 6 j 1 0 0 5 2 6 1 5 2 0 1 7 0 4 0 0 2 相控阵超声检测方案设计关键技术及其 在航空航天领域的应用 周正干李尚凝李洋 ( 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京，1 0 0 0 8 3 ) 摘要：相控阵超声检测技术是一种多通道超声检测方法，与常规单通道水浸超声检测技术相比，检测方案的制定 更加灵活也更加复杂。在针对复杂型面结构进行检测方案设计时，错误的检测方案将可能产生缺陷的误检、漏 检等严重问题。为了针对航空航天领域广泛存在的复杂结构试件制定最优的相控阵超声检测方案，本文提出了 一套针对复杂型面结构的相控阵超声检测方案设计流程，并对其中涉及的关键技术和应用进行介绍。首先，对 流程框架进行总体概述，表明检测方案设计的重要性和必要性；然后针对其中涉及的5 项关键理论方法的核心 原理及用途进行介绍；最后搭建相控阵超声软硬件平台，实现上述关键理论方法，并用于航空航天典型结构件的 检测研究。研究结果表明，所制定方案能够准确检出结构内部的预埋缺陷，满足被测对象的检测要求，并且所提 出的检测方案设计流程及采用的关键理论方法有效地提高了检测方案的设计效率，对航空航天等重要领域复杂 结构试件的检测应用具有一定的理论指导及应用价值。 关键词：相控阵超声检测；射线追踪；声场分析；成像算法 中图分类号：V 2 6 2 ；T B 5 5 3文献标志码：A文章编号：1 0 0 5 2 6 1 5 ( 2 0 1 7 ) 0 4 0 4 6 1 0 7 K e yT e c h n i q u e so fU l t r a s o n i cP h a s e d a n dI t sA p p l i c a t i o n A r r a yT e s t i n gS o l u t i o nD e s i g n i nA e r o s p a c e Z H O U Z h e n g g a n ，L fS h a n g n i n g ，LIY a n g ( S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n ，B e i h a n gU n i v e r s i t y ，B e i i i n g ，1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：U l t r a s o n i cp h a s e da r r a y ( P A ) t e s t i n gi sam u l t i - c h a n n e lu l t r a s o n i ct e s t i n g ( U T ) m e t h o d C o m p a r e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a ls i n g u l a 卜c h a n n e lw a t e r - i m m e r s i o nu l t r a s o n i ct e s t i n gm e t h o d ，t h ed e s i g no fP At e s t i n gS O l u t i o ni sm o r ef l e x i b l ea n dm o r ec o m p l e x I nt h ed e s i g no faP At e s t i n gs o l u t i o nf o rt h es t r u c t u r e sw i t hc o m p l e x s u r f a c e 。s o m em i s t a k e sm a yl e a dt of a l s ed e t e c t i o no rm i s s i n gd e t e c t i o n T od e s i g na no p t i m a lP At e s t i n gs o l u t i o nf o rs t r u c t u r e sw i t hc o m p l e xs u r f a c ei na e r o s p a c e ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dad e s i g nm e t h o do fP At e s t i n gS O l u t i o na n di n t r o d u c e st h ei n v o l v e de s s e n t i a lt e c h n i q u e sa n di t sa p p l i c a t i o n s F i r s t l y ，ag e n e r a lo v e r v i e wo ft h ed e s i g nf r a m e w o r ki sm a d et oi n d i c a t ei t si m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t y T h e n ，t h ee s s e n t i a lt e c h n i q u e so f f i v ei n v o l v e d t h e o r e t i c a la p p r o a c h e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa r ei l l u s t r a t e d L a s t l y ，aP At e s t i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h ea b o v et e c h n i q u e si se s t a b l i s h e da n da p p l i e dt ot h et y p i c a ls t r u c t u r e si na e r o s p a c e T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ed e s i g n e dP At e s t i n gs o l u t i o nc a na c c u r a t e l yd e t e c tt h ee m b e d d e dd e f e c t sw i t h i nt h es t r u c t u r e T h e p r o p o s e dd e s i g nm e t h o da n dt h ea d o p t e dt h e o r e t i c a la p p r o a c h e sc a ni m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y ，a n dh a v et h e 一 基金项目：国家自然科学基金( 5 1 3 7 5 0 2 7 ) 资助项目。 收稿日期：2 0 1 7 0 5 1 5 ；修订日期：2 0 1 7 0 6 2 8 作者简介：周正干，男，1 9 6 7 年出生，博士，教授，博士生导师。主要研究方向为超声无损检测和计算机测控技术等；曾 获航天工业总公司科技进步二等奖；发表论文1 2 0 余篇。 通信作者：周正干，E - m a i l ：z z h e n g g a n b u a a e d u c n 。 引用格式：周正干，李尚凝，李洋相控阵超声检测方案设计关键技术及其在航空航天领域的应用 J 南京航空航天 大学学报，2 0 1 7 ，4 9 ( 4 ) ：4 6 1 4 6 7 Z H O UZ h e n g g a n ，L IS h a n g n i n g ，L IY a n g K e yt e c h n i q u e so fu l t r a s o n i cp h a s e da r r a y t e s t i n gs o l u t i o nd e s i g na n di t sa p p l i c a t i o ni na e r o s p a c e J J o u r n a lo fN a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s & A s t r o n a u t i c s ，2 0 1 7 ，4 9 ( 4 ) ：4 6 1 - 4 6 7 报帆m学A学螂 大一 盯天队O 尊吣 盯空山 航嘴 京“南“ 如 万方数据 4 6 2南京航空航天大学学报 第4 9 卷 o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c to nt h ed e t e c t i o no fc o m p l e xs t r u c t u r e si na e r o s p a c ea n do t h e ri m p o r t a n tf i e l d s K e yw o r d s ：u l t r a s o n i cp h a s e da r r a yt e s t i n g ；r a yt r a c i n g ；a c o u s t i cf i e l da n a l y s i s ；i m a g i n ga l g o r i t h m 相控阵超声检测技术是一种基于阵列换能器的 多通道检测法，可通过相位控制的手段使声波在试 件内部的指定区域进行偏转聚焦。与常规单通道的 超声检测技术相比，相控阵超声检测技术具有更灵 活的声束控制能力，以及更高的检测灵敏度、分辨率 以及覆盖率，在不移动换能器的前提下便可实现被 测对象内部区域的二维( 采用线阵换能器) 三维( 采 用矩阵换能器) 成像 1 ，是解决航空航天等领域中复 杂结构检测检测问题的有效手段。上述被测对象往 往具有复杂的型面轮廓或者狭小的探测空间，采用 常规单探头超声难以满足检测需求口4 。 与此同时，相控阵超声过度灵活的声束控制能 力也导致技术本身的复杂度远超常规超声，特别是 检测方案的设计。在换能器方面，常规超声可采用 的探头有聚焦探头和平探头，只需考虑焦距、中心 频率等参数；而相控阵超声可采用的探头种类繁 多，包括一维线阵、一维弧阵、二维矩阵、环阵、柔性 阵列等，每种探头都有超过3 个以上的参数指标， 参数的数量与换能器维度呈正相关，不同参数之间 还相互制约，需要结合一定的声学理论进行权 衡b 。7 j 。在检测声束发射接收策略方面，由于常规 超声换能器的焦距固定并且检测声束通道数仅为 1 ，需要考虑的主要是换能器空间姿态、水距等因 素；而在相控阵超声检测中，超声波声束的数量往 J m m ( a ) S o u n df i e l dw i t hw r o n gd e l a yl a w 0 5 1 0 1 5 2 0 往远大于l ，对于每一个检测通道的声束，都需要 结合被测试件的结构材料特点对激发和接收的阵 列孔径、声束的偏转角度、聚焦深度( 以上参数发射 和接收可以不同) 、阵列孑L 径中各阵元的延迟时间 以及增益配比等参数进行考虑凹J 。 在进行复杂结构试件的检测方案设计时，错误 的检测参数选择将可能导致缺陷漏检、误检等问题 的产生。图1 给出了一个采用一维线性阵列换能器 检测铝金属结构9 0 。圆弧区域的应用案例，由于结构 的特殊性常规的相控阵超声检测方法( 例如电子线 性扫描或者扇形扫描) 无法适用，需结合圆弧型面的 几何特点对每个通道的合成声束进行定制设计，如 图2 中所示。采用错误的阵列孑L 径和接收激发激励 延时将导致声束能量无法对试件内部的指定区域进 行偏转聚焦。导致严莺的缺陷误榆和漏榆问题 X t o n i b ) S o u n df i e l dw i t hw r o n ga p e r t u r e 0 、厂 铝金属结构9 0 。圆弧区域检测示意 r e s to na l u m i n u m9 0 。c u r v e ds t r u c t u r e 5 1 0 1 5 2 0 X m n l ( c ) S o u n df i e l d 丽t ho p t i m a lp a r a m e t e r s 0 A x i s - x | m i l lA x i s - x n 吼A x i s - xm m ( d ) I m a g i n gw i t hw r o n gd e l a yl a w( e ) l I n a g i n gw i t hw r o n ga p e r t u r e( DI m a g i n g 、v i t ho p t i m a lp a r a m e t e r s I 冬I2 不同检测参数下的声场能量分布和检测结果图像对比 F i g 2 A c o u s t i cf i e l da n dt e s t i n gr e s u l t sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s 5 1 0 1 5 2 0 0弓m加”“钙如 皿nU_ 0 I n m加巧如“邪 担nU 0 n m“加笛如弘钙如 以nU_ 万方数据 第4 期周正干，等：相控阵超声检测方案设计关键技术及其在航空航天领域的应用4 6 3 产生上述误检和漏检的主要原因是，在设计相 控阵超声检测方案时无法对声波的声场能量分布、 是否能够与缺陷发生作用及声束能量是否能将被 检测区域完全覆盖等因素进行理论量化预测分析 和可视化的观测。同时检测方案的设计过程存在 过多重复性的手工化操作，同样以铝金属结构9 0 。 角区域检测为例，为了保证正确的声束激发接收， 可能需要对9 0 个角度的声束发射接收策略进行逐 一设计尝试，如果被测对象具有更加复杂的变曲率 外形( 例如航空发动机叶片) ，那么检测方案的设计 将更加复杂。 为此，本文提出一套适用于复杂性面结构的相 控阵超声检测方案设计流程，并给出5 种能够有效 提高检测方案设计成功率和效率的关键技术，针对 某航空发动机叶片线性摩擦焊区域进行检测应用， 对检测结果进行分析和讨论。 1 检测方案设计流程 针对复杂型面结构的相控阵超声检测方案设 计流程如图3 所示，主要包括换能器设计、楔块设 计、发射接收方案设计、方案理论验证、成像算法设 计以及检测实验验证6 大部分。在设计的过程中， 分别运用换能器指向性、射线追踪、声束能量半解 析、缺陷响应仿真以及成像5 大关键技术对检测方 案的关键环节进行辅助支持。首先，根据缺陷的检 测尺寸、被测试样的材料特性采用换能器指向性理 论对阵列探头进行设计；其次，根据被测对象的几 何信息采用射线追踪算法对检测所采用的楔块和 每个通道的声束发射接收方案进行设计，设计时要 求检测声波能将待检测区域完全覆盖；接着，基于 缺陷响应仿真算法对声束发射接收全覆盖检测方 案进行理论仿真，验证特定位置的缺陷能否采用特 定通道的合成声束进行检测；然后，结合相控阵超 试样 ：检测方案设计I：关键理论方法 换能器设计卜H 换能器指向性理论l i 三三工三三ii = 二二= 堡墨塑盐I 叫盟垡堕堕堡堡I i 区亟壶圃H 匝巫噩圃 ：一一一一：j 。： 理论验证卜丰H 缺陷响应仿真理论l ：= 二二 = ：- I = 二二二二二= 缺陷成像卜卜+ H 成像方法理论 I ：= 二 二=：； 实验验证 ： 检测方案设计 图3 相控阵超声检测方案设计流程 F i g 3D e s i g np r o c e s so fP A U Ts o l u t i o n 声成像算法对构件的缺陷成像方法进行设计；最 后，基于检测软硬件系统对预埋缺陷的试样展开检 测实验，验证检测方案的正确性，如果检测结果满 足预期要求，则检测方案设计完成。上述检测理论 方法是能否高效、正确制定相控阵超声检测方案的 关键。 2 检测方案设计关键技术 2 1 换能器指向性理论 换能器指向性理论主要由S h iC h a n gW o o t h 等人 9 3 建立，主要应用于对阵列换能器的声场特性 进行初步定量分析，为换能器参数的优化设计提供 理论依据。指向性是一个以角度为自变量的函数， 对于阵列换能器上的单一阵元，其指向性满足 D ( 口) 一堂唑粤宴挲 ( 1 ) 丁c 口s i n L ， 式中：口为换能器阵元尺寸；A 为声波在材料内部传 播时的波长；对于具有N 个阵元晶片，阵元间距为 d 的一维线阵换能器，基于流体介质的假设，当声 束偏转角度为0 。时，其指向性满足 D ( 臼) 一I 也盟雩掣 7 【口s l n O s i n ( ( 7 【d ( s i n o o s i n 0 ) ) A ) N I，o 、 N s i nr ( 丌d ( s i n o o s i n 0 ) ) z 相关研究结果显示，当换能器参数不合理时， 合成声束在很小的偏转角度下便可能产生极大的 栅瓣能量，导致检测结果存在伪像。为了最大化声 束主瓣、抑制旁瓣并消除栅瓣，在设计换能器时阵 元个数应大于1 6 个，同时要综合考虑偏转方向上 的声压能量和近场长度的要求；阵元间距应大于 0 5 倍、小于1 倍波长；阵元宽度应在小于阵元间 距的情况下取尽可能大的值，声束波长应小于被检 测缺陷尺寸。 2 2 射线追踪算法 射线追踪算法基于高频假设，将超声波声束近 似成几何声线，对声柬在多层介质中的传播路径进 行正反演算，是声束发射接收全覆盖方案设计的理 论依据。其正演算部分，基于斯涅耳定律对由特定 发射方向的声线在被测试件反射、折射路径进行自 动推导，通过一定的图形绘制接口函数在屏幕上可 视化显示，辅助检测工艺人员对声束角度、反射次 数、波形模式等参数进行调节；其逆演算部分，基于 费马原理对制定的发射和接收点之间的声传播路 径以及传播试件进行计算，可用于确定激发特定合 成声束时，阵列孔径上各个阵元的发射接收延迟 时间。 为了对一般的复杂型面结构快速高效地进行 全覆盖设计，利用U G 二次开发接口函数对被测试 万方数据 4 6 4南京航空航天大学学报第4 9 卷 件的C A D 模型进行几何信息提取，获得被测对象 界面轮廓曲线曲面的相关信息，以便射线追踪算 法进行计算和推导。 2 3 声束能量半解析算法 声柬能量半解析算法基于格林函数和渐进积 分理论，对特定聚焦法则下的超声波声束能量场随 时间的变化规律进行快速求解，是分析各个通道声 束在实际检测中的主瓣、栅瓣以及旁瓣性质特点的 有效手段。对于特定的换能器、楔块以及试件组合 下，声束能量计算的流程如图4 所示。 翠罨一千 跑圃I ：l 路径映射表Il 衰减映射表l I 声束孔径ll 声束延时法则l L T 。lI 平移叠加 声柬能量分布 I 图4 声束能量半解析计算流程 F i g 4S e m i a n a l y t i c a lb e a me n e r g yc a l c u l a t i o np r o c e s s 首先，将换能器各个阵元以及被测试样内部区 域按一定的间距进行离散，利用费马原理计算各个 阵元上的离散点到达试件内部各个离散点的传播 声线路径以及传播时间；然后，根据声场的半解析 公式，确定各个阵元上的离散点到达试件内部各个 离散点的传播声衰减，相关公式为 I p ( x ，2 ，) 一IP ( x ，g ，c u ) e 一“ 。 一 l P ( x , z , c o ) 一等 v n ( 加 1厅r 管e x “_ j m 枞2 r 2 ” k 邓+ 勰一丽7 “ 1 r 2 ( c o s 执。C z ，_ c o s 0 2 ) ( 3 ) 式中：| 0 ，为介质1 密度；c 。为介质1 声速；C ：为介 质2 声速；r 。为声束在介质1 中的传播路径；r ：为 声束在介质2 中的传播路径；k 。为介质1 的波数； k z 为介质2 的波数；0 a 为声束的入射角；0 2 为声束 的折射角；| 0 为声束在介质交界处入射点的曲率半 径；V 。为阵元表面的振动速度频谱；T 。为折射系 数。最后，利用式( 3 ) 对各个参与激发的阵元声能 量贡献值进行计算和叠加，叠加的时候需要根据各 个阵元的延时激励时间对数据进行平移操作，获得 声场能量随时间变化的三维数组。通过一定的图 形绘制接口函数在屏幕上可视化显示，辅助检测工 艺人员对所设计合成声束的实际声场特性进行快 速分析。 2 4 缺陷响应仿真算法 缺陷响应仿真算法基于纯数值方法对声束全 覆盖检测方案能否与试件内部缺陷发生作用，并将 缺陷反射信号传递回换能器进行理论验证。一般 可采用时域有限差分或者有限元进行仿真计算，在 本文的检测方案设计之中，选择采用商业软件 A b a q u s 的有限元模块进行仿真计算，由于相控阵 超声检测技术参数复杂繁多，且被测试样可能具有 不规律的变曲率型面，建立了一套基于C A D 模型 的缺陷响应有限元仿真半自动建模系统，该系统的 工作流程如图5 所示。首先，根据利用U G 二次开 A P I 提取C A D 模型的轮廓信息，并基于N U R B S 曲线形式进行模型重构；然后，根据几何模型、检测 方案的换能器、楔块、声束发射接收参数生成用于 建立A b a q u s 仿真模型的P y t h o n 格式文件； A b a q u s 软件导入上述生成的文件，根据文件内部 的代码顺序执行模型建立、材料属性设置、力加载 设置、网格划分等操作，用户无需进行任何额外的 手工重复性操作便可完成仿真验证的工作。 i 茵。jI 哔型l ? 丽fl U G A P I l 一圆- - - T - - - 一一im 严 一一一一 l 有限元建模脚本 h l , m u s 仿真计算 图5 基于C A D 模型的有限元半自动建模流程 F i g 5 S e m i a u t o m a t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gp r o c e s s b a s e do nC A Dm o d e l 2 5 成像算法 相控阵超声检测成像算法主要包括两类，一类 是基于实际偏转聚焦合成声束与缺陷作用后的回 波A 扫信号进行检测成像，分别包括B 型、电子B 型、C 型、D 型及S 型显示，若采用矩阵换能器进行 体聚焦检测，还能实现实时的三维体数据成像显 示；另一类是基于全矩阵数据的检测成像算法，全 矩阵( F u l lm a t r i x ) 数据是一种存储了全部发射接 收阵元组合A 扫信号的特殊结构检测回波数据， 如图6 所示。检测成像过程中并不实际发射偏转 聚焦声束，而是通过对全矩阵数据施加特定的信号 处理算法，回波数据进行虚拟聚焦，从而获得采用 常规阵列超声检测方法得到的回波A 扫数据，全 聚焦成像方法( T o t a lf o c u s i n gm e t h o d ，T F M ) 是其 万方数据 第4 期周正干，等：相控阵超声检测方案设计关键技术及其在航空航天领域的应用4 6 5 中最经典的算法，该算法对被测试样内部的任意一 个点都进行虚拟聚焦，利用各个点聚焦后得到的回 波幅值进行成像，被誉为阵列超声检测中的“黄金 标准” 1 0 。1 1 。 发射阵冗：1发射阵i ：N f 口口口口口口口口口I f 口口口口口口口口口f 喜接收阵兀：I 接收阵元：1 N兽 I 口口口口口0 0 0 f l I l 口口0 0 0 口口口口l s 。( f 卜S t i t )s 。( f ) q 。J f ) 图6 全矩阵数据的定义 F i g 6 D e f i n i t i o no ff u l lm a t r i xd a t a 3 航空航天应用案例 3 1 被测对象 本文应用案例中的被测对象为采用线性摩擦 焊工艺制备而成的航空发动机叶片，叶片结构如图 7 所示。该结构的焊撬区域在服役过程中可能会 滋生裂纹，由于涡轮叶片之间空隙区域狭小，采用 常规单探头超声检测技术难以有效实现焊接区域 的全覆盖检测。为此本文结合相控阵超声检测技 术的优势，研究适用于上述结构的相控阵超声现场 检测方法。 ( a ) T e s ts p e c i m e n ( b ) C A Dm o d e l 图7 航空发动机叶片结构 F i g 7A e r o e n g i n eb l a d e 3 2 检测方案设计及验证 由于可探测空间的限制，在检测过程中换能器 难以在叶片表面进行自由移动。为此，本文将叶片 按照一定的间距划分为1 9 个独立的子截面，针对 每一个子截面按照检测方案进行检测，具体过程如 图8 所示。 在换能器设计方面，考虑到检测缺陷的最小尺 寸为0 8m m ，结合钛合金的材料特性以及换能器 指向性理论的半波长阵元间距设计准则，采用中心 频率7 5M H z 、阵元间距0 6m m 、阵元数量3 2 的 线性阵列换能器进行检测，检测采用横波波形。 采用U G 二次开发接口函数对叶片进行截面 划分，并在独立开发的检测方案设计程序中以自由 譬? ? 一 最终方案 F i n a ls o l u t i o n 换能器、楔块、声束设计 ，w e d g ea n d a c o u s t i cb e a md e s i g n 马 单区域验证 V a l i d a t i o n 图8 发动机叶片检测方案设计过程 F i g 8D e s i g np r o c e s so fa e r o e n g i n eb l a d et e s t i n gs o l u t i o n 样条曲线形式对各个截面进行重构。考虑到叶片 上下表面曲率变化均较为复杂，不适合采用一次底 面反射实现检测区域的声束全覆盖，采用如图9 所 示的方案，将每一个子截面划分为上下两个区域， 上区域表面为凸状、下区域表面为凹状。针对上区 域焊缝，设计贴合于下表面( 凹面) 的曲率楔块，采 用直接反射的斜入射横波扇形扫描进行检测；针对 下区域焊缝，设计贴合于上表面( 凸面) 的曲率楔 块，采用直接反射的斜入射横波扇形扫描进行 检测。 一i 么 、 ( a ) T e s to nt h el o w e rr e g i o no f t h ew e l d f b ) T e s to nt h eu p p e rr e g i o no f t h ew e l d 图9f 截面检测楔块、声束发射接收全覆盖方案 F i g 9 F u l lb e a mc o v e r a g es o l u t i o na n dt e s t i n gw e d g e s o l u t i o nd e s i g no fs u b - r e g i o n 万方数据 4 6 6南京航空航天大学学报 第4 9 卷 对每个子截面的检测方案分别采用声场能量半 解析算法和有限元算法进行仿真验证。基于 A b a q u s 平台，建立检测截面的叶片轮廓和楔块的二 维模型。为节省计算时间、提高计算效率，本文只对 靠近待检测区域两侧的区域进行计算。有限元模型 如图1 0 ( a ) 所示。模型上半部分为楔块，下半部分是 叶片。楔块的材料密度为10 5 0k g m 3 ，弹性模量 4 0 0 77G P a ，泊松比为0 3 2 ，叶片的密度45 4 0k g m 3 ，弹性模量为1 0 6 4G P a ，泊松比为0 3 4 ，裂纹的 宽度为0 5m m ，深度为0 5m r n 。楔块与叶片表面 完全耦合，且楔块的参数是设计的楔块参数，用施加 在楔块上间距为0 1m m ，长度为0 3m m 的3 2 个线 节点上的压力载荷来模拟线阵换能器的激励信号， 载荷方向垂直于楔块表面。激励信号为高斯窗调制 的3 周期正弦信号，中心频率为5M H z 。超声波的 聚焦点在待检测区域，基于延时聚焦法则对每个节 点的调制信号进行相位延迟。将有缺陷的模型得到 的超声信号与无缺陷模型得到的信号做差，得到缺 陷的超声信号，如图1 0 ( d ) 所示，其中幅度表示节点 的X 、y 方向的位移沿载荷施加方向的分量，且幅度 是由3 2 个节点的X 、y 位移经过相位延迟之后合成 的。结果表明所设计检测方案能够检测出预埋于仿 真模型中的缺陷，检测声束具有较低旁瓣，无栅瓣效 应的产生。 为了方便对检测方案进行实验验证，建立了一 套基于六自由度机械臂的相控阵超声检测方案验 证平台，如图1 1 ( a ) 所示，检测时将试样和换能器 浸泡于水槽当中，将换能器和试件之间的水介质当 成楔块，利用机械臂调整换能器的空间姿态，模拟 所设计参数的楔块进行检测。图1 1 ( b ) 给了检测 时的A 型及S 型显示结果。S 型成像是通过以不 同的延时聚焦法则激发阵元晶片，使声束按角度进 行扫查，得到每条扫描线上的A 扫数据，然后以极 坐标方式对A 扫数据进行重构，得到S 型图像。 从图中可以看出采用所设计的检测方法能够成功 检测出试件内部预埋的人工裂纹缺陷。 时间p s ( c ) F E Mc a l c u l a t i o np r o c e s s ( d ) D e f e c ts i g n a li I lf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 图1 0 检测方案理论仿真结果 F i g 10 S i m u l a t i o nr e s u l to ft e s t i n gs o l u t i o n 臂 控阵探头 。 。? ! ( b ) T e s t i n gr e s u l t s 图1 1检测系统及检测结果 F i g 11T e s t i n gs y s t e ma n dt e s t i n gr e s u l t s 一躺 ，。，一川舾一 万方数据 第4 期周正干，等：相控阵超声检测方案设计关键技术及其在航空航天领域的应用4 6 7 3 3 结果分析 对每一个子截面的检测方案按照上述方法进 行验证，结果表明针对航空发动机叶片线性摩擦焊 区域所设计的基于多组阵列换能器的检测方案符 合检测需求，根据设计结果对换能器、楔块进行制 备，结果如图1 2 所示，每一个截面的换能器楔块采 用一体化的方式进行制造，对于不同截面上的换能 器及楔块，采用精心设计的机械夹持机构进行绑定 形成阵列，在实际检测时，只需要将上述换能器楔 块阵列贴合于叶片表面便可进行检测。 图1 2 根据检测方案设计的换能器楔块阵列 F i g 1 2D e s i g n e dp r o b ea r r a yb a s e do nt e s t i n gs o l u t i o n 由于采用了基于5 大关键技术的检测方案设 计方法，上述1 9 个子截面的检测方案设计、理论验 证、实验验证工作仅用了不到3 个月的时间便得到 完成，大大提高了检测方案的设计效率以及检测方 案的可行性。 4 结论 ( 1 ) 针对被测试样的几何结构及材料特性设计 适当的检测方案是相控阵超声检测过程中最重要 的一个环节，不合适的检测参数将可能导致严重的 缺陷漏检和误检。 ( 2 ) 建立了一套针对复杂结构的相控阵超声检 测方案设计方法，其中涉及5 项关键技术，分别为 换能器指向性理论、射线追踪算法、声束能量半解 析算法、缺陷响应仿真算法以及成像算法。上述关 键技术将对检测方案的设计效率以及检测方案的 辅助验证优化提供至关重要的作用。 ( 3 ) 针对航空发动机涡轮叶片线性摩擦焊区域 的检测问题，基于上述检测方案设计方法及关键技 术，设计了一套基于1 9 组阵列换能器及楔块的相 控阵超声检测方法，并搭建相应软硬件系统展开实 验验证，实验结果表明所设计检测方法满足航空发 动机涡轮叶片线性摩擦焊区域的检测需求。 参考文献： 1 3 D R I N K W A T E RBW ，W I L O XPD U l t r a s o n i ca r r a y sf o rn o n - d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ：Ar e v i e w J - N D T & E I n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 6 ，3 9 ：5 2 5 5 4 1 2 L U P I E NV ，H A S S A NW ，D U M A SP I m p r o v e dt i t a n i u mb i l l e ti n s p e c t i o ns e n s i t i v i t yt h r o u g ho p t i m i z e d p h a s e da r r a yd e s i g n J R e v i e wo fP r o g r e s s i n Q N D E ，2 0 0 6 ，8 2 0 ：8 5 3 8 6 0 3 G U A NX ，Z H A N GJ ，R A S S E L K O R D EEM M a t e r i a ld a m a g ed i a g n o s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o nf o rt u r b i n er o t o r su s i n gt h r e e d i m e n s i o n a la d a p t i v eu l t r a s o n - i cN D Ed a t ar e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s J 1 U l t r a s o n i c s ，2 0 1 4 ，5 4 ：5 1 6 - 5 2 5 4 P U E LB ，L E S S E L I E RD ，C H A T I L L O NS O p t i m i z a t i o no fu l t r a s o n i ca r r a y sd e s i g na n ds e t t i n gu s i n ga d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n J N D T & EI n t e r n a t i o n a l ， 2 0 1 1 ，4 4 ：7 9 7 - 8 0 3 5 3 万敏，王海涛，程继隆，等超声相控阵声束控制特性 分析 J 无损检测，2 0 0 9 ，3 1 ( 1 1 ) ：8 5 9 8 6 1 W A NM i n ，W A NH a i t a o ，C H E N GJ i l o n g ，e ta 1 T h e a n a l y s i so nt h ef e a t u r e so ft h ep r o p a g a t i n gw a v e sc o n t r o lo ft h eu l t r a s o n i cp h a s e da r r a y J N o n d e s t r u c t i v eT e s t i n g ，2 0 0 9 ，3 1 ( 1 1 ) ：8 5 9 8 6 1 6 白培瑞，张丽丽，傅颖霞二维超声阵列换能器声束控 制技术的仿真研究 J 山东科技大学学报( 自然科学 版) ，2 0 0 9 ，2 8 ( 5 ) ：4 3 4 8 B A IP e i r u i ，Z H A N GL i l i ，F UY i n g x i a T h es i m u l a t i o ns t u d yo fs o u n d b e a mc o n t r o lt e c h n i q