（声学专业论文）高声阻抗表面层分层介质粘接缺陷的超声检测与成像.pdf

摘要 摘要 使用有限元软件c o m s o lm u l t i p h y s i c s 对窄带脉冲声源激发的不规则缺陷 的散射声场进行了数值仿真，对孔径相近的平面换能器与聚焦换能器的接收回 波和成像结果进行了比较。结果表明，有限元方法可以精确形象地描述声波与 不规则缺陷的相互作用过程，平面换能器较聚焦换能器在高声阻抗表面层分层 介质的缺陷检测中有更好的效果。 考察了换能器孔径、激励脉冲相位变化对检测回波的影响。为了实现缺陷 的自动检测与成像显示，以最小均方误差为准则，对检测信号进行自适应滤波 解卷积处理。通过解卷积，能够减弱甚至完全消除高声阻抗层表面回波和层内 共振回波的影响，突出缺陷的散射信息。 为了验证有限元仿真结果与自适应滤波解卷积方法的可靠性，开展了实验 研究。制作了钢板一有机玻璃一玻璃层状结构有圆孔型粘接缺陷的试样。实验 测试结果与有限元仿真结果有很好的一致性，利用自适应滤波解卷积方法，对 二界面存在圆孔型粘接缺陷的试样较好的实现了缺陷的自动检测和直观的超声 c 扫成像。 关键词：层状介质，高声阻抗表面层，粘接缺陷，超声检测，有限元数值仿真， 自适应滤波解卷积，扫描成像 a b s t r a c t a b s t r a c t ，n l es c a t t e r e ds o u n df i e l do f i r r e g u l a r i t i e si m p u l s e db yn a r r o w - b a n dp u l s es o t l r c 宅 i ss i m u l a t e dw i t ht h ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i ss o f l w a r ec o m s o lm u l t i p h y s i c s n 地 r e c e i v e ds i g n a l sa n di m a g i n gr e s u l t so fp l a n e 缸甚n s d u c e fa n df o c u s i n gt r a n s d u c e rw i t h t h es i m i l a rd i a m e t e ra r ec o m p a r e d 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a n a c c u r a t e l yd e p i c tt h ei n t e r a c t i o no fs o u n dw a v ea n dt h ed e f e c t s ，a n dt h ep l a n e t r a n s d u c e rh a sb e t t e re f f e c t i o ni n u l t r a s o n i cd e t e c t i o no fb o n d e df l a w si n m u l t i l a y e r e dm e d i aw i t hah i g ha c o u s t i ci m p e d a n c es u r f a c ol a y e r 硼舱i n f l u e n c eo ft h et r a n s d u c e r sd i a m e t e ra n dp h a s es h i f t i n go ft h ee x c i t a t i o n s o u r o nt h e d c t o c t i n gs i g n a l s i sr e s e a r c h e d i no r d e rt o a c c o m p l i s ht h e a u t o - d e t e c t i o na n di m a g i n go ft h ed e f e c t s ，t h ed e t e c t e ds i g n a l si s p r o c e s s e db y a d a p t i v ef i l t e r i n g & c o n v o l u t i o ni nt e r m so ft h em i n i m u mr o o t - m e a n s q u a r e 黜r c r i t e r i o n t h e nt h es i g n a l sr e f l e c t e df r o mt h eh i 曲i m p e d a n c es u r f a c ea n dr e s o n a n ti n t h es o r f a c ol a y e r 躺w e a k e n e d0 1 c o m p l e t e l ye l i m i n a t e d , a n dt h es c a t t e r e d i n f o r m a t i o ni sh i g h l i g h t s t h eu l t r a s o n i ce x p e r i m e n t sa r ec a r d e do u tt ov a l i d a t et h ef e ms i m u l a t i o nr e s u l t s a n dr e l i a b i l i t yo ft h ea d a p t i v ef i l t e r i n gd c c o n v o l u t i o nm e t h o d m u l t i l a y e r e dm e d i ao f s t e e l - p l e x i g l a s g l a s sb l o c k w i t hb o n d i n gf l a w sa r cm a d e 1 1 1 em e a s u r e m e n tr e s u l t s 躺 q u i t ea g r e ew i t hf e m s i m u l a t i o nr e s u l t s ，强ca d a p t i v ef i l t e r i n gd c c o n v o l u t i o nm e t h o d i sa p p l i e df o rd e f e c t sa u t o - d e t e c t i o na n di m a g i n g , a n dt h ecs c a ni m a g eo ft h e b o n d i n gf l a w si np l e x i g l a s - g l a s si n t e r f a c ei ss u c c e s s f u l l yo b t a i n e d k e yw o r d s ：m u f f l a y m x tm e d i a , h i g ha c o u s t i ci m p e d a n c es u r f a g el a y e r , b o n d i n g f l a w s ，u l t r a s o n i cd e t e c t i o n , f e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a d a p t i v ef i l t e r i n g d e c o n v o l u t i o n , s c a n n e di m a g i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究背景 层状媒质结构广泛存在于众多的工业应用领域，如石油开采、航空航天、 核能电力、建筑行业及民用工业制品等。通常的民用工业制品的表面涂层，主 要起抗烧蚀、抗氧化、抗磨损等保护作用，同时具有美观作用。大多数的分层 结构各层都有各自的功能，如油井中的钢套管一水泥层一岩石层、火箭发动机 的金属外壳一衬层一固体推进剂药柱等而大型土木工程的勘测、矿产资源的 勘探问题涉及到的则是天然地下分层结构。 为了达到理想的应用目的，避免可能的事故及某些灾难性后果，通常需要 对层状介质进行检测分析。这些分析包括各层材料参数的表征与获取、层内介 质完整性( 有否缺陷) 和层间粘接状况的分析表征。超声是层状介质分析的最 有效手段之一，通过分析以特定方式激发和通过介质传播的超声来获取介质的 信息。虽然层状介质中的波传播与检测方法研究已经有多年的历史n 删，但在许 多特殊的应用问题上超声检测仍面临诸多困难与挑战。 油井水泥胶接固井是典型的高声阻抗材料下的层状媒质问题。在油田生产 中，为了保证采油的正常实施，需要在套管和地层之间压注水泥( 固井) 。所谓 固井作业就是当石油井钻进至一定的深度时，向井内下入一定尺寸的套管，并 在其周围注入水泥浆，把套管固定在井壁上，避免井壁发生垂直变形和坍塌的 作业过程。其目的是封隔疏松、易坍塌、易发生井漏等的复杂地层；封隔油、 气、水层，防止互相窜漏；安装井口装置，控制油气流，以方便钻井或生产油 气。由于生产工艺上的原因，水泥浆体的体积在某些地段收缩使水泥环的胶结 质量不能保证，严重时还可能引发地层流体窜流，它的存在严重影响油井的正 常生产，甚至导致油井报废等重大损失和灾难性后果。因此，如何用声测井方 法来评价管外水泥粘接质量有着重要的意义1 。 在井液一钢套管一水泥一地层结构中，当换能器透过井液向钢套管表面辐 射超声时，由于钢层内外分别是井液和水泥层，声阻抗与钢层相差巨大，钢层 具有很强的屏蔽作用，换能器接收到的钢管外介质层间界面的反射声波，是经 过钢层屏蔽作用之后的信号，即使不考虑传播衰减，其信号也是十分微弱的， 第1 章引言 而实际情况中水泥层有较强的衰减。另一方面钢层内外界面上的多次强反射也 淹没了后续界面的回波信号。除此以外，实际介质条件( 材料与尺度) 还可能 是随深度变化的。因此，该问题的检测有更大的困难性，尤其是水泥一地层界 面粘接缺陷的检测与评价，即所谓二界面问题是人们长期关注而又一直未能解 决的检测难题。 本文在国家“8 6 3 一项目支持下针对该问题开展了换能器辐射声场与回波检 测的有限元仿真、信号处理方法、实验检测与成像方法探索。 1 2 超声检测的数值模拟 近年来，无损检测( n d t ) 技术在工业中的应用越来越普遍，且正在向定量 化方向发展。为了有效观察介质内部缺陷及介质结构对超声的响应，无损检测 过程的数值模拟显得越来越重要，而计算机软硬件技术的长足发展，为n o t 的 数值模拟和过程仿真的实现提供了条件嗍。 超声检测的模拟和仿真是n d t 技术中非常活跃的一个分支，目前主要应用 两类方法：解析方法和数值方法n 。解析方法对波的传播特性等由于进行物理解 释，不适于过于复杂介质的情形。数值方法包括有限单元方法、有限差分方法、 边界元方法等。数值方法较为灵活，使用范围广，可以处理任意的结构。建立 数学模型后，可以方便地改变各种参数来进行进一步的研究，或对已有的工艺 参数进行优化，缺点是需要网格定义和较长的计算时间，因而目前数值方法主 要应用于二维情况其中以有限元方法应用最为广泛，已有许多商业的通用有 限元软件，如a n s y s 、a b a q u s 、c o m s o lm u l t i p h y s i c s 等。 从模拟和仿真的对象上看，目前超声检测模拟和仿真研究主要集中在声场 计算、换能器设计制作、材料特性评价等方面。通过对声场的模拟可以分析声 波在复杂非均匀介质和结构中的传播规律、声波与缺陷的相互作用，以获取最 佳的声波激发和检测位置，确定所要使用的换能器的类型、频率、带宽、尺寸 。等参数。赛力克脚等人将换能器模拟与声波在介质中的传播模拟结合起来，采用 有限元技术开展了对电一声一电耦合作用的模拟研究。使用完美匹配层模拟吸收 区域，探讨了有限边界问题；对背衬与匹配层的研究表明，当背衬的声阻抗与 压电材料声阻抗相当时可获得持续时间较短的脉冲，但此时发射效率较低，而 引入前匹配层可以有效提高发射效率并缩短脉冲持续时间。 2 第1 章引言 周义清嗍等人使用有限元方法研究了超声导波在有裂缝的管道中的传播和 反射，分析了反射声波信号的频域特征，并根据反射信号的到达时间计算得到 了裂缝的正确位置，为管道缺陷的检测提供了理论指导。李树榜n 们等人使用有 限元模拟了脉冲声波和板中与表面垂直的裂缝相互作用的过程，仔细分析了散 射声场的特点，提出了检测此类缺陷的实用方法。 1 3 超声成像及相关的信号处理方法 在表达物体特征时，图像具有形象、直观的特点利用超声波进行缺陷检 测，常常需要得到缺陷的位置、大小等信息，并以图形图像的方式予以表达 多年来，针对不同的超声检测问题，研究者们根据检测系统和介质的特点，开 展了多种信号处理方法研究，探索出一系列有效的成像方法。 t o h m y o h 等人凸1 1 研究了硅微电子芯片焊点的超声检测问题。由于该问题的 特殊性，通常采用的微聚焦x 射线装置几乎无法评价连接的可靠性( 如弱接触 问题) 。但通常的超声c 扫成像需水浸检测，而水浸检测会导致硅微电子芯片的 污染。水浸检测的另一问题是硅片是高声阻抗介质，其声阻抗约是水的1 5 倍， 超声c 扫成像首先要解决阻抗失配问题。在硅片表面附加一层聚合物，其阻抗 选为水和硅片阻抗的几何平均值，其厚度选为四分之一波长的奇数倍。同时将 二者置入可在聚合物表面加压的特殊腔体中，腔体中再充水，即可进行超声c 扫测量。研究表明，上述办法获得的相应频段反射回波谱幅度远大于直接水浸 方法，从而有效改善了超声c 扫图像质量。 c h r i s t o p h e r n 2 1 等人提出一种增强的超声成像系统，通过发射两个相位相差 1 8 0 。的脉冲信号，利用非线性媒质对入射声波的相移特性，将两个脉冲回波信 号相加，得到反映非线性区域的回波成像信号。张永孚n 踟采用软件控制的脉冲 压缩技术，通过发射宽频带、长扫时的扫频信号。将接收信号与扫频信号作互 相关处理，提取出目标信号( 即缺陷的散射信号) ，然后进行成像。对理论数据 引入人为噪声，处理结果表明，脉冲压缩技术可以有效排除噪声干扰，对高噪 声检测环境下的n d t 特别有效。p r a k a s h n 钔等人将改进的线性调频信号应用予空 气耦合超声成像中，添加椭圆形图基窗的线性调频信号不仅可以提高成像分辨 率，还可以改善信噪比。 使用超声波检测多层薄层材料内部缺陷时，反射回波是各个界面回波的叠 3 第1 章引言 加，不同界面的反射信号是混叠在一起的。简晓明n 即等人利用自适应滤波解卷 积和自适应噪声抵消技术，去除检测信号中的零界面和一界面信号，针对火箭 发动机外壳检测问题，提取出二界面及下层多个界面的反射回波，为该类缺陷 的类型识别进行了很好的探索。 上世纪9 0 年代，f r e e m a n t l e 等n 刀在理论分析的基础上采用自适应数字滤波 器分析粘结结构的高频脉冲回波信号。由于粘接层的吸收、换能器的耦合问题、 脉冲叠加及表面漆层等因素使得回波信号的分析和识别变得十分困难。通过在 时间域进行自适应滤波，可以改善信号质量，突出信号上与粘接有关的弱的信 号特征。该方法相对于通过对换能器响应解卷积来改善信号成分的分辨率的方 法有优势，因为解卷积可能引入数字噪声，加重掩盖弱信号特征。对于两个金 属板的粘接质量检测，f r e e m a n f l e 的方法不但可以得到基底厚度，还可以获得中 间胶层的厚度，并给出上下基底的粘接状况。 m a r t i n s s o n u 羽等人针对多层介质结构超声检测时发生的回波混叠问题，建立 了物理模型和经验模型，两者的结合能够完整描述检测信号中的变化，从而实 现了对已知和未知材料特性结构检测信号的波形分离。其中物理模型用以描述 与特定测试装置相关的多次反射和混叠信号，经验模型用以描述未知的层间散 射和衰减效应，并用于解决由测试装置引起的散射和偏心效应。通过对薄层频 散试样进行测试，证实此技术切实可行，并利用残差分析理论从理论上进行了 验证。 1 4 水泥粘接质量超声评价方法及其缺点 利用超声进行水泥粘接质量评价的方法主要有两类：一是基于厚度共振模 式的检测方法，一是基于弯曲波模式的检测方法。其中使用厚度共振模式最具 有代表性的是h a v i r a n 町，他采用中心频率为钢套管厚度共振频率的宽带脉冲声 波，径向垂直钢套管激发，通过测量时间周期和幅度衰减率来确定水泥是否缺 失。另外，通过寻找频谱泄漏峰的位置，还可以确定出钢板的厚度。该方法有 以下两个缺点：一是采用的声源为宽带脉冲信号，虽然提高了轴向分辨率，但 是使褥透过钢板的能量大大降低，通常不到1 0 1 ：二是该方法集中于解决水泥钢 界面( 即一界面) 的粘接质量评价，没有考虑二界面粘接缺陷的散射回波，因 此无法给出套管井完整的粘接质量评价。 4 第1 章引言 z c r o u g 脚1 等人介绍了一种利用弯曲波激发方式实现套管井定征和成像的方 法。他们以入射角大于横波临界角的位置放置发射和接收换能器，在套管中激 发出弯曲波，通过对接收信号进行处理，可以确定出套管中是否存在异物，以 及异物的位置、大小、阻抗、类型等信息，从而实现套管井中散射体或地层表 面或关心区域的三维成像。弯曲波模式评价水泥粘接质量最大的缺点在于，发 射与接收换能器需要间隔一定距离放置，使得检测仪器无法覆盖整个套管井区 域，从而出现检测盲区。r o b e r t 等人将两种模式结合起来，通过求解套管后材 料和井液的声学特性方程进行套管后的粘接情况评价；f r e d 捌等人则是采用一发 一收方式，获取在时间和空间上均已分离的反射横波进行套管井的粘接质量 评价，此外，这种方法还可以得到钢板的厚度信息。但这些检测方案的实施需 要较复杂的系统，纵向分辨率也将下降。 针对高声阻抗表面层分层介质粘接缺陷的超声检测问题，闰鑫1 等人从系 统的本征特性出发，理论分析了层状介质不同粘接缺陷的反射谱特征。据此提 出采用工作于高声阻抗表面层厚度谐振频率的窄带声波进行检测的方案，该方 案可使声波有效透入高声阻抗表面层。使用傅立叶变换和传输矩阵技术理论推 导了超声脉冲激发的层状媒质的反射声场，给出了不同层间粘接缺陷的脉冲回 波响应。仿真结果表明，不同粘接缺陷的反射回波在时域和频域内都有明显的 区分。该工作仅针对规则缺陷进行了理论分析和实验检测 本文将在闰鑫等人工作的基础上，进一步开展不规则层间粘接缺陷，特别 是二界面粘接缺陷散射声场的有限元数值仿真，观察声波在层状介质中的传播 规律、声波与缺陷的相互作用，为实际检测时换能器的选择、检测方式的确定 提供理论依据。探索合适的信号处理方法，提取缺陷的散射信号，力争实现缺 陷的自动检测和成像显示。希望本文的工作对层状介质结构缺陷的超声检测有 所贡献。 1 。5 本文的工作 本文的主要工作包括： l 。使用c o m s o lm u l t i p h y s i c s 有限元分析软件对窄带脉冲声源激发的高声阻抗表 面层分层介质层间粘接缺陷的散射声场进行数值仿真，模拟对比平面换能器 与聚焦换能器用于缺陷检测的b 型扫描过程； 5 第l 章引言 2 考查平面换能器孔径的大小、激励源相位的变化对检测结果的影响： 3 使用自适应滤波解卷积方法消除高声阻抗层表面回波和层内共振回波的影 响，提取二界面缺陷的散射信号； 4 进行高声阻抗表面层分层媒质层间不规则粘接缺陷的实验检测。 6 第2 章高声阻抗表面层分层介质内缺陷超声检测的有限元模拟 第2 章高声阻抗表面层分层介质内缺陷超声检测的有限元 模拟 瞬态声场的计算通常可采用解析和半解析方法进行。随着数字计算机性能 的日益提高，有越来越多的研究者采用纯数值方法如有限元和有限差分方法进 行计算。针对高声阻抗表面层分层媒质层间粘接缺陷问题，波函数展开法是求 解散射声场解析解的可行方法，但该方法一般将缺陷等效为圆形或椭圆形等相 对规则的形状，而对于任意形状的缺陷很难得出精确的散射声场的解析解。而 纯数值方法则可对复杂和不规则形体进行计算因而有更广泛的应用范围 本章我们将采用有限元方法对窄带脉冲声源在有层间粘接缺陷的分层介质 结构中激发的散射声场进行数值模拟，分析声波在分层介质结构中的传播规律、 声波与缺陷的相互作用、检测方式的影响等，为缺陷信息的提取与成像提供依 据。仿真的另外一个目的是考察换能器的类型、尺寸等参数对检测结果的影响。 2 1 有限元方法及多物理场耦合分析软件c o m s o lm u l t i p h y s i t s 2 1 1 有限单元方法珏町 有限单元法的基本思想，是在力学模型上将一个原来连续的物体离散成为 有限个具有一定大小的单元，这些单元仅在有限个结点上相连接，并在结点上 引进等效力以代替实际作用于单元上的外力。对于每个单元，根据分块近似的 思想，选择一种简单的函数来表示单元内位移的分布规律，并按弹性理论中的 能量原理( 或用变分原理) 建立单元结点力和结点位移之间的关系。最后，把 所有单元的这种关系式集合起来，就得到一组以结点位移为未知量的代数方程 组，解这些方程组就可以求出物体上有限个离散结点上的位移。 有限单元法是在力学模型上做了近似( 或者说是作了物理上的近似) ，它得 到的结果是模型化了的结构的数值精确解。由于有限单元的分割和结点的配置 比较灵活，即使边界较复杂，也可使边界结点落在实际边界上，因而可给出边 界的较好的逼近，且可以在应力集中区域配置较多的结点，以提高解的精度。 显然随着单元数目的增加，也即单元长度的缩小，解的近似程度将不断改进。 因此，单元长度和时间步长的合理选取将直接影响到计算结果的精确度。 7 第2 章高声阻抗表面层分层介质内缺陷超声检测的有限元模拟 2 - ，2 多物理场耦合分析软件c o m s o lm u l t i p h y s i c s 随着有限单元方法的广泛应用，已有许多商业的通用有限元软件，如 a n s y s 、a b a q u s 、c o m s o lm u l t i p h y s i e s 等，这些软件都可用于求解波动问题 和液固耦合问题。 c o m s o lm u l t i p h y s i e s 以其多物理耦合场计算功能和开放的软件构架被许多 研究人员所接受，它适用于模拟科学和工程领域的多种物理过程。使用c o m s o l m u l t i p h y s i c s 可同时求解波动方程、液固耦合方程以及压电耦合方程，因此可以 模拟换能器激发和接收声波的过程以及声波在介质中的传播、声波与缺陷的相 互作用。c o m s o lm u l t i p h y s i e a 提供了基于偏微分方程的公式化建模和用户图形界 面直观建模两种方式，本章中将根据图形用户界面建模方式对高声阻抗表面层 分层媒质层间粘接缺陷的超声检测问题进行有限元模拟。 2 2 层状介质二维反射声场解析结果与有限元仿真结果的比较 在使用c o m s o lm u l t i p h y s i c s 数值模拟缺陷的散射声场之前，首先需要验证有 限元方法用于模拟层状介质声场的可行性。以钢一水泥一岩石的套管结构为具 体介质进行讨论，粘接结构示意图如图2 1 所示，下面将针对粘接良好结构和 二界面有粘接缺陷结构比较解析计算与有限元模拟反射回波的异同。 换能器换能器 水 m 塑墼 淼少么 。 、 i 岩石层 7 。 ， 、 i ( a ) 粘接良好结构 水 呵 j 岩石层 7 ， 、 、 i 、 一 一 ( b ) 二界面粘接缺陷结构 图2 1高声阻抗表面层分层介质层间粘接缺陷的超声检测示意图 图2 1 ( b ) 中，水泥层与岩石层之间的缺陷等效为0 5 m m 厚的均匀薄水层， 8 第2 章高声阻抗表面层分层介质内缺陷超声检测的有限元模拟 解析计算与有限元模拟中使用的介质声学参数均为实验中实际测定的数值，如 表2 1 所示。另外，本节中只给出有限元模拟与解析计算的结果比较，关于有 限元模拟中具体的建模、参数设置等内容将在下一节中详细介绍。 表2 i 水钢板水泥岩石系统参数 厚度( 舳) 密度( k g m ) 纵波速度( m s ) 横波速度( m s ) 水 5 2 51 0 0 0 o1 5 0 0 0 钢板 5 97 8 5 0 05 8 5 4 03 1 7 0 7 水泥层 3 0 0 1 8 5 8 03 1 0 0 01 7 2 5 0 岩石层 2 1 8 0 03 9 6 0 0 2 3 5 0 0 2 2 1 层间粘接良好的层状结构反射回波比较 e - o z 一 奄 ， _ = a e o z 一 刁 ， _ = a e t m e # s ) ( a ) 解析计算反射回波 j 枷 t , c wv 讲 - i ， e o z 一 q ) = 一 a e - e 。 o z 一 口 ， - ： a e 、厌。 7 、 i 7 j ，叫。、。 ；i 、： ： t p 7 ：一 ( b ) 左图相应的频谱 t1111(p8)r均uency(m) ( c ) 有限元模拟反射回波( d ) 左图相应的频谱 图2 2 粘接良好时解析计算与有限元模拟结果的比较 9 第2 章高声阻抗表面层分层介质内缺陷超声检测的有限元模拟 比较图2 2 ( a ) 与( c ) ，两者在钢板表面回波、钢板内的共振回波和水泥 与岩石界面的反射回波三部分信号成分几乎完全一致。下面再来考查一下二界 面有粘接缺陷的层状介质结构的反射回波。 2 2 2 二界面有粘接缺陷的层状结构反射回波比较 1 枷州m 柑蝴扣i 舳酬 t j m ( _ ) ( a ) 解析计算反射回波 fr 口qu on c y ( m h z ) ( b ) 左图相应的频谱 i l l ， i 卅 脚蝴 m r r t 一 蕊 l j 。 一 叶单： i 、 i ( c ) 有限元模拟反射回波( d ) 左图相应的频谱 图2 3 二界面有粘接缺陷时解析计算与有限元模拟结果的比较 比较图2 3 ( a ) 与( c ) ，两者在钢板表面回波和钢板内的共振回波两部分 信号成分几乎完全一致，在后续回波信号1 1 0 l ls 附近，解析计算的回波波形有 一个凹形衰减，有限元模拟的回波波形也有衰减，但相对不明显。这可能是由 于在解析计算时，将换能器等效为线源，回波信号是线源上较多个接收点波形 的平均，而在有限元模拟时，虽然也将换能器等效为线源，但回波信号只是选 1 0 第2 章高声阻抗表面层分层介质内缺陷超声检测的有限元模拟 取线源上较少接收点波形的平均，关于这一点有待于进一步考证。 通过比较可以看出，有限元方法模拟的层状介质结构反射回波与解析计算 的结果几乎完全相同。因此，使用有限元方法模拟高声阻抗表面层分层介质层 间粘接缺陷的散射声场是切实可行的。 2 3 超声检测b 型扫描的有限元模拟 上一节中我们对有限元方法用于层状介质散射声场模拟的可行性进行了论 证，本节将针对超声检测中常见的b 型扫描进行有限元模拟，并对平面换能器 和聚焦换能器的检测效果进行比较。对声波在层状介质中的传播规律、声波与 缺陷的相互作用等进行观察和分析，可以为实际检测时检测方式的选择、换能 器类型和尺寸的选取提供理论依据。 下面以平面换能器激发的层状介质层间粘接缺陷的散射声场为例，详细描 述有限元模拟的步骤和注意事项 2 3 1 平面换能器b 型扫描的有限元模拟 l 、建模及参数设置 针对实验中制作的钢板一有机玻璃一玻璃粘接缺陷结构，建立如图2 4c a ) 所示的二维平面流固耦合场模型，有机玻璃与玻璃粘接一侧有一个圆形平底孔， 孔的直径为3 0 m m ，厚度为5 m ，假定内部充满空气。平面换能器晶片直径为2 5 r n ， 中点置于原点处，其上旌加五周两端衰减的正弦脉冲力源，中心频率取为 5 0 0 i ( h z ，对应于钢板的厚度谐振频率。声源两侧的水层边界设为弧形，一方面 可以节省计算量，另一方面可使反射回波有效辐射，避免了水层边界对检测信 号的干扰。 第2 章高声阻抗表面层分层介质内缺陷超声检测的有限元模拟 平面接麓暑涵片直径2 5 嘲平颤接龟l 饵嚣童径2 l 嘲 ； 跚- 岬哪鞭k 、 。觌潮嘲删 辑9 妇_ 一细嘲 t j 夕二j、 一制雨| 卜 麓囊搠d _ n 钿哪 c i ( a ) 声源在缺陷正上方 ( b ) 声源右移3 0 1 图2 4 平面换能器用于缺陷超声检测的二维有限元仿真模型 受计算机内存资源等的限制，仿真模型不可能太大，各层介质的尺寸如图 中所标注。各层介质的声学参数均为实验中测定的数值，如表2 2 所示。对于 固体，在有限元仿真计算时需要将声速转换为杨氏模量和泊松比 表2 2 水钢板有机玻璃玻璃系统声学参数 厚度( 衄) 密度( k g m 3 )纵波速度( m s ) 横波速度( m s ) 水 5 2 51 0 0 0 01 5 0 0 0 钢板 5 97 8 5 0 05 8 5 4 03 1 7 0 7 有机玻璃 3 0 o1 1 8 2 82 7 1 6 61 3 9 2 5 玻璃 1 1 0 o2 7 0 0 05 6 9 9 5 3 3 7 0 4 由于三角形单元对复杂边界有较强的适应能力，很容易将一个二维域离散 成有限个三角形单元，因此本模型中将采用三角形单元划分网格。对于波动问 题，每个波长内的网格个数不应少于6 个，否则会造成较大的误差，最高不要 超过2 0 个，此时的精度已经满足要求，再细的网格划分对精度的提高不明显， 反而会大大增加计算的工作量。本模型中选取每个波长内8 个单元，网格大小 h ，c 为声波在介质中传播的纵波速度，f o 为声源的中心频率。 _ m a 计x = c 算f 的o 8 时间步长是由网格的尺寸和介质的声速决定的。时间步长 t _ s t e p - - c f d * h _ m i n c _ m a x ，hm i n 是模型中最小的网格尺寸，c _ m a x 是模型中最 大的介质声速，c f d 是一个系数，通常取为0 0 5 。 第2 章高卢阻抗表面层分层介质内缺陷超声检测的有限元模拟 2 、换能器的等效接收波形 对于二维有限元仿真计算，晶片直径为2 5 r m 的平面换能器实际上等效为长 2 5 m 的线源，其上施加正弦脉冲力源。由于施加力源的边界在声源信号发射后 变为月性边界其上的接收信号将为零。以换能器中心所在的直线为对称轴 在距离线源l m 处问隔2 m 设置1 1 个回波接收点，如图25 ( a ) 所示。 s h _ h m a ) 同渡接收点的位置( b ) 不同接【| 5 ( 点的接收波形 图25 换能器的同渡接收点及不同接收点的接收波形比较 在图2 4 ( a ) 所示模型中，换能器在上述接收点处的仿真信号波形如圈2 5 ( b ) 所示，横坐标为距离换能器中心所在直线的相对位簧，纵啦标为信号的时 间信息。可以看出，各接收点处的信号波彤以换能器中心所在直线为轴呈对称 分却，越靠近中心，信号成分的区分越明显，越接近实验中的检测波形。 t d 帅1 w 螂t h e 辩州蚶o f 怕帽时o 一 o ； 球黼燃确a ：+ ：i a ) 荐接收点检测信号的平均( b ) 中心接收点处的检测波形 幽26 换能器的等效接收波形与中心接收点处波形的比较 第2 章高声阻抗表面层分层介质内缺陷超卢检测的有限无模拟 取上述接收点相应时间位置上信号的平均值，所得到的信号波形如图2 6 ( a ) 所示，与换能器中心位置处的接收信号渡形( 图26 ( b ) 所示) 相比，波 形包络基奉一致，而二界面缺陷处的散射回波幅度前者更大一些。因此取不 同接收点处信号的平均值作为换能器在某检测位置处的等效接收信号。 3 、b 型扫描的有限元模拟 为了模拟超声检测中常见的b 型扫描过程，针对圈2 4 ( a ) 所示模型根 据其以过缺陷正中心的垂线为轴成对称分布的特点，为减少计算量，将声源从 缺陷正上方位置处以步长2 j 册依次向右移动，记录每一检测位置处换能器的 接收信号波形，成像显示时，将右侧检测数据对称为缺陷上方左侧位置处的数 据。声源右移3 0 r m 时的仿真模型如| 墨| 2 4 ( b ) 所示。 ( a ) 颜色伪彩凹( b ) 波形幽 图27 平面换能器州丁缺陷b 窄扫描的有限元模拟结皋 图2 7 给出了缺陷超声检测b 型扫描有限元模拟的颜色伪彩图和波形图， 从图中可以清晰地看到缺陷的位置和大小。 2 ，3 2 鼍患换能嚣8 型扫描的有限元横报 为了比较平面换能器与聚焦换能器在高声阻抗表_ 面层分层介质层删粘接缺 陷超卢检测中的效果，对聚焦换能器用于缺陷的超声检测b 型扫描进行了有限 元模拟。 第2 章高卢阻抗表面膳分层介质内缺螭超卢检测的有限兀模拟 一u m 一，。* 一一 西墨强固 革丰证1 5 6 ，n 图28 聚焦换能器用r 缺陷超卢检测的二维有限元仿真模帮 在建立仿真模型( 如图28 ( a ) ) 时，将聚焦换能器等效为曲线力源聚焦 换能器的口径和曲率半径如图2 8 ( b ) 所示换能器中心到钢板表面的距离为 5 3 7 5 m ，对应于聚焦换能器的焦距大小以换能器中心所在直线为对称轴在 距离曲线顶端1 珊处，间隔2 m 设置7 个回波接收点。在偏离换能器中心所在 直线的接收点上，接收信号幅度非常小，对平均后的结果贡献微弱，因此此处 只选取了7 个接收点的接收回波取其平均值作为换能器的等效接收波形。聚 焦换能器的表面接收波形及等效接收回波如图2 9 所示。 0 ，9 ”? ”弩。“p 三 ! 瑚 - iii 圭 o 。l i 舡一：j j 。j 珀卜? 。川。1 i 。l 二i 档w j 蝴孵j p 5 f ；l ；! l 一1 ( 8 ) 换能嚣寰面不同接收点的接收波形( b ) 各接收点接收信号的平均渡形 圈29 二界面枯接缺陷时聚焦换能器的接收同波 仿真计算时的其他设置和求解步骤与平面换能器的有限元模拟完全相同 第2 章离卢阻抗表面层分层介质内缺陪超卢检捌的彳限元模拟 下面仅给出聚焦换能器用于粘接缺陷超声b 型扫描的成像结果，如图21 0 所示。 a ) 颜色伪彩酗b ) 波形图 酗21 0 聚焦换能器用丁缺陷b 喇扫描的有限元模拟输出 2 3 3 苇同类基按麓墨的检测效果比较 为了比较孔径相近的平面换能器与聚焦换能器用于高声阻抗表面层分层介 质层间粘接缺陷超声检测的效果又模拟7 孔径为3 0 衄的平面换能器相对于图 2 4 ( a ) 所示模型的反射回波，等效接收波形如图2 1 l 所示 啪 啪涨似 圈21 1 孔径为3 0 m 平面抉能器的等效接收波形 比较图26 ( a ) 、图2 1 1 和圈29 ( b ) ，可以观察到在等效接收波形中孔 径为2 85 m m 聚焦换能器的二界面回波幅度最小量化结果如表23 所示。 一霹 一一一一一 第2 章高卢阻抗袭面层分层介质内缺陷超声检测的有限元模拟 袭23 不同类型抉能嚣检测效果比较 换能器娄型、孔径大小i 平面2 5 唧l 平面3 嘶n聚焦2 8 5 m 二界面回波幅度相对大小 i 1 4 4 7 9 5 1 52 9 1 1 9 7 抛二界面e q 渡幅度相对大小是指二羿面缺陷的敞射回波幅度最 值与相应的钢板表面 回渡幅度最大值的比值。 从表23 可以看出，孔径相近的平面和聚焦换能器，平面挠能器检测的二 界面回波信号幅度大于聚焦抉能嚣的检测信号幅度，这也可以从图27 与图2 1 0 的比较中看出，平面换能器的检测效果更好一些。 2 4 声泣与缺陷的相互作用 使用有限元方法对分层介质结构的瞬态声场进行模拟，可以观察到声波每 一时刻在介质中的传播方向、幅度大小分布，声波在传播路径上遇到障碍物时 发生的绕射和敞射现象，从而可以加深对声波在分层介质结构中的传播和声波 与缺陷相互作用的理解。 ( 8 ) 声谭在缺陷正上方 ( b ) 声潦右侧3 0 蛆 图21 2 声波与缺陷的相互作用快照 图2 1 2 给出了声源在不同检测位置时某一时刻的瞬态声场图。从图中可以 清晰地看到声波在界面处发生的反射和透射现象以及声波在传播路径上遇到 缺陷时缺陷对声波的强烈敝射作用。将每一时刻的瞬态声场圈组合起来，就 可以观察到声波在分层介质结构中的传播规律，由此可以为检测方式的选取提 供依据。 第2 章高声阻抗表面层分层介质内缺陷超声检测的有限元模拟 2 5 本章小结 在本章中，利用c o m s o lw u l t i p h y s i c s 有限元软件对窄带脉冲声源在有层 间粘接缺陷的分层介质结构中激发的散射声场进行了模拟，从仿真结果中可以 清晰地看到声波在分层介质结构中的传播过程以及声波与缺陷的相互作用。将 平面换能器等效为线源、聚焦换能器等效为曲线力源分别模拟了两种换能器激 发的散射声场和b 型扫描过程。通过对检测回波和成像结果进行比较，可以得 到以下结论： l 、有限元方法用于高声阻抗表面层分层介质层问粘接缺陷超声检测的数值 仿真是切实可行的； 2 、对于孔径相近的平面和聚焦换能器，平面换能器的检测效果更好一些 因此，针对高声阻抗表面层分层媒质层间粘接缺陷的超声检测问题，应尽量选 用平面换能器。 1 8 第3 章换能器孔径及激发脉冲的相位对回波的影响 第3 章换能器孔径及激发脉冲的相位对回波的影响 换能器的孔径大小对检测结果有直接的影响，本章中将首先通过声场的仿 真考察该问题。另外，考虑到调制正弦窄带脉冲激发电路的设计问题，有必要 通过仿真计算考察激发脉冲的初始相位对检测回波的影响，从而为激发电路的 设计提供参考。 3 1 平面换能器的孔径大小对检测结果的影响 在声源中心频率一定、声源持续时间一定的情况下，改变换能器孔径的大 小，考察孔径变化对检测回波的影响。考虑套管井中钢板一水泥一岩石结构， 将水泥岩石界面的粘接缺陷等效为0 5 m 厚的均匀薄水层，以二界面回波信号 幅度的相对大小作为衡量检测效果的参考量 理论计算时各层介质的声学参数如表3 1 所示： 表3 1 水钢板水泥岩石系统声学参数 厚度( r a m )密度( k g m 3 )纵波速度( m s )横波速度( m s )机械q 值 水 5 2 5 鼍l o o o 01 5 0 0 02 0 0 钢板 5 97 8 5 0 o5 8 5 4 03 1 7 0 71 0 0 0 0 水泥 3 0 01 8 5 8 03 1 0 0 01 7 2 5 04 0 0 地层 2 1 8 0 03 9 6 0 02 3 5 0 09 5 0 锄水层厚度随换能器孔径酶变化而变化，使钢板恰好处在平面换能器辐射声场的近远 场分界位置处。 解析计算时采用的声源为中心频率5 0 0 k h z ，持续固定时间两端衰减的正弦 脉冲。换能器孔径从1 5 m m 增加到3 5 r m ，步长5 m ，计算结果显示，孔径在1 5 m m 和2 5 m 之间时回波幅度变化明显。于是。将孔径从1 6 m 增加到2 4 r a m ，步长2 m m 重新计算了反射回波，结果如下所示。 l 、声源信号持续时间固定为1 0 i is ，改变换能器的孔径 1 9 第3 章换能器孔径及激发脉冲的相位对回波的影响 ，、 e e 一 l o 一 一 o ， e 、一 - _ o e - 一 o ( a ) 回波波形( b ) 左图对应的频谱 图3 1 换能器孔径变化时粘接缺陷结构的回波波形及相应的频谱比较 表3 2 声源信号持续1 0 弘s 时，二界面回波信号幅度相对大小与换能器孔径的关系 孔径大小( r a m ) 1 51 61 8 2 02 22 42 53 03 5 l 幅度相对大小( )5 4 85 6 77 5 07 8 28 0 38 2 08 2 4 8 4 0 8 5 9 从表3 2 中可以得出，随着换能器孔径的增大，二界面回波幅度的相对大 小也逐渐增大，不过当孔径增大到一定值( 如1 8 m ) 之后，孔径再增大时回波 幅度的增幅变得十分缓慢。因此，可以根据换能器的制作工艺和检测环境的限 制，选择合适的孔径尺寸，以期取得最佳的检测效果。 当声源信号的持续时间取为2 0ps 时，得到了相同的结论，结果如下所示： 2 、声源信号持续时间固定为2 0i ls ，改变换能器的孔径 j ik h 瓶 - 1 一 札一i j il暖 施 1r u 一 戚_ r 1r o1 0 01 2 01 4 01 8 01 2 t im o p s ) ( a ) 回波波形 ，、 e 、一 - _ e 一 一 a 幼 八 例 侈i 入 fr e q u e l l c y ( mh z ) ( b )