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超声相控阵技术的发展及其在核工程无损检测中的应用张侃;杨力;王学权;许贵平;孙大朋;罗建东;张旻【摘要】The development of ultrasonic phased array technology at home and abroad is reviewed.The achievements of ultrasonic phased array key technology in recent years are mainly bined with engineering examples, the applications of ultrasonic phased array in nondestructive testing of nuclear engineering are introduced.Besides, the future development trend and new opportunities of ultrasonic phased array are pointed out.%论述了国内外在超声相控阵技术方面的研究进展,重点总结了近年来超声相控阵关键技术的研究成果.并结合工程实例,介绍了超声相控阵技术在核工程无损检测中的应用,对超声相控阵技术未来的发展趋势进行了展望并指出了其新的发展机遇.【期刊名称】《无损检测》【年(卷),期】2017(039)005【总页数】7页(P42-48)【关键词】超声相控阵;无损检测;发展趋势;工程应用【作者】张侃;杨力;王学权;许贵平;孙大朋;罗建东;张旻【作者单位】中国核动力研究设计院反应堆燃料与材料重点实验室,成都 610041;中国核动力研究设计院反应堆燃料与材料重点实验室,成都 610041;中国核动力研究设计院反应堆燃料与材料重点实验室,成都 610041;中国核动力研究设计院反应堆燃料与材料重点实验室,成都 610041;中国核动力研究设计院反应堆燃料与材料重点实验室,成都 610041;中国核动力研究设计院反应堆燃料与材料重点实验室,成都 610041;中国核动力研究设计院反应堆燃料与材料重点实验室,成都 610041【正文语种】中文【中图分类】TG115.28超声相控阵技术的基本思想起源于电磁波相控阵雷达，于20世纪80年代开始被应用于工业无损检测中[1]。
多层介质中超声相控阵声场仿真郭忠存;阎守国;张碧星【摘要】由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测.当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂.为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解.该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场.通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布.结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器.与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2019(038)005【总页数】7页(P788-794)【关键词】超声相控阵;多层介质;声场仿真【作者】郭忠存;阎守国;张碧星【作者单位】中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京 100190;中国科学院大学北京 100049;中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京 100190;中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京 100190【正文语种】中文【中图分类】O426.90 引言由于良好的声束控制以及成像能力，超声相控阵已经广泛应用于无损检测以及其他领域[1−5]。
换能器参数(阵元宽度、阵元间距以及频率等)、时间延迟以及介质性质等均对实际检测有着很大的影响。
尤其是当超声波在多层介质中传播时，由于反射、透射以及模式转换的存在，超声场变得相当复杂，这给实际检测带来了很大干扰。
为了优化换能器参数，提高超声相控阵在多层介质中的检测效率，对声场的模拟计算并深入了解声场分布及特性显得尤为重要。
焊缝结构中超声相控阵聚焦声场的数值模拟及分析史慧宇;阎守国;张碧星【摘要】针对焊缝内相控阵声场聚焦问题,建立焊缝结构中多高斯声束法的相控阵声场计算模型,分别用直接聚焦和底面反射聚焦两种方式对焊缝内部的相控阵声场进行数值模拟,分析不同方式下的相控阵聚焦声场特性,讨论不同区域适用的聚焦方式,分析了界面倾斜角度对聚焦效果的影响.结果表明,在相同焊缝结构条件下直接聚焦的方式更适合对厚壁焊缝的中下部进行聚焦扫描,在焊缝上表面附近,当声束偏转角大于80? 时,直接聚焦方式无法有效聚焦;反射聚焦的方式更适合对焊缝上表面附近区域进行聚焦扫描,随着焦点深度增加,反射聚焦的声束偏转角增大,当声束偏转角大于55? 时,反射聚焦无法形成明显焦点;两种聚焦扫描方式可形成有效的互补.当设置的焦点固定时,直接聚焦的实际焦点随界面倾斜角度增大向预设点远处偏移,而反射聚焦的效果基本不受倾斜角的影响,实际焦点始终在预设焦点附近.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2018(037)005【总页数】8页(P817-824)【关键词】焊缝;相控阵;声场分布;聚焦【作者】史慧宇;阎守国;张碧星【作者单位】中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京 100190;中国科学院大学北京 100049;中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京 100190;中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京 100190【正文语种】中文【中图分类】O426.91 引言现代工业装备中存在着大量的焊缝。
在焊接制造过程中及服役期间焊缝内部都可能产生缺陷，为了确保焊缝结构的安全性，必须加强对焊缝的检测。
超声相控阵技术[1−2]能够提高检测信噪比，而且可以灵活控制声束聚焦位置，非常适合对焊缝内部进行扫描检测。
本文通过数值计算分析了超声相控阵在焊缝中的声场聚焦特性，为实际检测提供理论依据。
目前存在多种方法能够对不同条件下的相控阵声场进行模拟计算，比如边界元模型[3]、平面波角谱模型[4]和多高斯声束模型。
第39卷第2期声学技术Vol.39, No.2相控阵超声全聚焦成像算法的有限元仿真研究池强强，胡明慧(华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室，上海200237)摘要：基于超声相控阵基本理论和全聚焦成像算法(Total Focus Method, TFM)，以30 mm厚的Q235钢板中的孔缺陷检测为研究对象，使用ABAQUS有限元软件，建立了相控阵TFM有限元检测模型。
根据模拟结果，在MA TLAB软件中编写了相控阵TFM成像算法。
同时，采用超声多通道实验平台，对构建的TFM有限元检测模型和编写的相控阵TFM算法进行实验验证。
实验结果与有限元模拟结果有较好的一致性。
关键词：超声相控阵；全聚焦成像算法；缺陷识别；有限元；ABAQUS有限元软件中图分类号：TB553 文献标识码：A 文章编号：1000-3630(2020)-02-0176-08DOI编码：10.16300/ki.1000-3630.2020.02.009Simulation research on finite element method based phased arrayultrasonic TFM imaging algorithmCHI Qiangqiang, HU Minghui(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China) Abstract: Based on the theory of ultrasonic phased-array and the total focus method (TFM), the finite element model of phased-array TFM is established by using ABAQUS finite element software for defect detection in a 30mm-thick Q235 steel plate. According to the simulation results, the phased-array TFM imaging algorithm is programmed in MATLAB.The TFM finite element detection model and the phased array TFM algorithm are verified by using ultrasonic mul-ti-channel experimental platform. It is shown that the finite element simulation results are in good agreement with the experimental results.Key words: phased-array ultrasound; total focus method (TFM) imaging algorithm; defect identification; finite ele-ment method; ABAQUS finite element software0 引言超声相控阵检测技术使用相控阵列探头来产生和接收超声波，相控阵列探头的每个晶片称为一个阵元，各阵元具有独立的发射和接收电路，通过控制各阵元发射(或接收)脉冲的时间，进而改变合成波束的聚焦点位置和偏转角度，然后运用机械扫描或者电子扫描来实现超声成像[1-2]。
Matlab语言及应用作业题目:基于多元高斯声束模型的圆柱体超声检测声场仿真班级：姓名：学号：基于多元高斯声束模型的圆柱体超声检测声场仿真摘要：为了提高圆柱体缺陷检测的准确性，需了解其超声声场分布。
针对圆柱体实际检测的要求，本文采用超声水浸检测法。
通过多元高斯声束模型分别模拟了实心圆柱体及空心圆柱体中的辐射声场，计算仿真了垂直入射与倾斜入射至圆柱体时的声场，实现了检测声场的可视化。
通过计算得出仿真结构与实际理论相符，表明本论文的方法能够应用在圆柱体结构超声声场仿真中。
关键词：圆柱体，声场仿真，水浸法，多元高斯声束Sound field simulation of ultrasonic inspection of cylindersbased on multi-Gaussian beam modelAbstract: In order To improve the accuracy of defect detection cylinder, we need to understand its ultrasonic sound field distribution. For the actual cylinder testing requirements, it uses ultrasonic immersion detection. By multivariate Gaussian beammodel were simulated solid cylinder and a hollow cylinder of acoustic radiation field, computational simulation of the normal incidence and oblique incidence to the soundfield when the cylinder to achieve the detection of the sound field visualization.Calculated by simulation match with the actual structure theory, this paper shows thatthe method can be applied in the cylindrical structure of ultrasonic acoustic field simulation.Keywords：Cylinder, Soundfieldsimulation, Immersiontesting, Multi-Gaussianbea1引言超声波声场关系到缺陷的定位定量以及检测精度和灵敏度，了解声场结构及分布对于提高检测效率和检测可靠性及准确性至关重要，同时有助于指导实验，提高实验效率，降低实验研究成本[1]，基于上述的原因，检测过程中的声场模拟成为现阶段超声检测的研究热点[2-3]。
头分布有N个阵元，其中，Δs为相邻两个阵元之间的声程差；d为相邻两个阵元中心之间的距离；θ为声波偏转后与法线的夹角。
那么，第n个阵元相对于第其中，C为超声波束在介质中的速度。
图1超声相控阵声束偏转图为了提高检测的准确性，通常采用声束聚焦检测微小缺陷[6，8]。
如图2中，第i个阵元距离中心距离为x i，聚焦深度为F，已知声速为C，则该阵元距离焦点P的距离为声程差为：由此可得第n个阵元的延时值为：其中，t0是为了避免延时为负数加的一个时间常数按照公式（2）和（6）设置阵元发射延迟即可使得声束发生聚焦偏转现象，聚焦偏转也可按一定的数学方法进行叠加。
图2超声相控阵声束聚焦图1.2缺陷计算算法对于缺陷位置、尺寸的计算，常规超声检测采用的是脉冲回波法，即根据发射与接收信号确定缺陷与探头的相对位置。
普通探头应用此种方法一般只能检出缺陷存在的位置深度，而超声相控阵的偏转扫查，则可以尽可能多的扫查缺陷，得到更多的回波信号，获得更全面的缺陷信息，为缺陷重构提供依据。
图3阵元发射声波与接收图示如图3所示，阵元发射超声波在缺陷表面发生反射，反射波可以通过原阵元接收，也可通过其他阵元接收。
通过脉冲反射回波图可以得知超声波在介质中从发射到接收走过的总路程。
若阵元自发自收，那么以发射阵元中心为圆心，求得的距离作圆弧，理论上此圆弧与缺陷必相切；若超声波反射回波由其他阵元接收，那么发射阵元中心与图4几何作图确定缺陷通过以上分析可以得到超声相控阵无损检测零件缺陷仿真的一种重构算法：通过超声相控阵理论计算并建立超声相控阵有限元模型，得到不同发射角度下N组脉冲回波波形图，提取第n次发射波峰时间坐标T0n，反射波峰时间坐标T1n，C为超声在介质中的声速，可得第n次脉冲声程为：（7）若反射回波由发射阵元接收，则以发射阵元中心为圆心，以Ln为直径作圆弧；若反射回波由非发射阵元接收，则以发射阵元中心与接收阵元中心为两个焦点，Ln为长轴作椭圆弧。
高斯声束和多元高斯声束
高斯声束是由高斯函数构成的一种声束，其在横向和纵向的传播方向上都具有一定的扩散，因此在传播过程中会发生快速的自相交和交叉。
高斯声束的形态可以用高斯函数的二次型表示，包括一个线性项和一系列展开系数，而高斯函数的展开项则关联着声束的阶数和宽度。
多元高斯声束则是指在多个自由度上同时扩展的高斯声束，这些自由度可以是位置、时间、角度、频率等。
例如，在光学中，多元高斯声束被应用于描述光线的横向和纵向扩散、相位调制、空间滤波等。
多元高斯声束常用于描述光学中的高斯光束、自由电子激光束、以及无线电中的高斯射频波信号，具有在不同自由度上同时表征扩散和变化的优点。
多元高斯声束的阶数和宽度可以通过调整高斯函数的展开项和参数来实现。
这些参数通常反映了声束的空间、时间、频率等约束条件，例如光学中的光波波长、光束宽度、相位差等。
同时，多元高斯声束的复杂度也会随着自由度的增加而增加，因此需要在更高的计算成本和处理复杂度下进行分析和研究。
⽔下超声波检测声场数值模拟与实验分析⽔下超声波检测声场数值模拟与实验分析SOUND FIELD NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENT OF UNDERWATER ULTRASONICTEST孟凡凯哈尔滨⼯业⼤学2012年7⽉国内图书分类号：TG115.28+5 学校代码：10213 国际图书分类号：620.179.16 密级：公开⼯学硕⼠学位论⽂⽔下超声波检测声场数值模拟与实验分析硕⼠研究⽣：孟凡凯导师：贺⽂雄副教授申请学位：⼯学硕⼠学科：材料加⼯⼯程所在单位：材料科学与⼯程答辩⽇期：2012年7⽉授予学位单位：哈尔滨⼯业⼤学Classified Index: TG115.28+5U.D.C: 620.179.16Dissertation for the Master Degree in EngineeringSOUND FIELD NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENT OF UNDERWATER ULTRASONICTESTCandidate：Meng FankaiSupervisor：Associate Prof. He Wenxiong Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Materials processing Engineering Affiliation：School of Materials Science andEngineeringDate of Defence：July, 2012Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨⼯业⼤学⼯学硕⼠学位论⽂摘要在超声波探伤中，为了提⾼检测速度和精度，必须对超声波声场进⾏全⾯的分析，近些年来，数值法、解析法等超声波声场模型的建⽴以及相应软件的发展，为超声波声场的模拟提供了基础，⽽声场模拟的发展，进⽽获得准确声压，对探伤⼯艺的制定和缺陷的分析起到⾄关重要的作⽤。
基于CIVA软件的全聚焦相控阵声场特性仿真
钱盛杰;强天鹏;杨贵德;杜南开;陈建华;张国强;龚成刚
【期刊名称】《无损检测》
【年(卷),期】2022(44)6
【摘要】全聚焦相控阵是当前超声无损检测领域的研究热点,但其声场特性和检测工艺方面的研究较少。
在CIVA仿真软件平台的基础上,开展了全聚焦相控阵的声场仿真计算与缺陷响应研究。
采用相同激发参数和孔径的超声探头仿真常规超声声场和全聚焦相控阵声场,分析比对各自的声场特性。
通过缺陷响应研究模拟全聚焦相控阵声场与横通孔之间的作用,并分析了全聚焦相控阵技术的检测能力。
该研究工作有望为全聚焦相控阵探头的研发设计以及检测工艺的制定提供参考。
【总页数】7页(P15-20)
【作者】钱盛杰;强天鹏;杨贵德;杜南开;陈建华;张国强;龚成刚
【作者单位】宁波市特种设备检验研究院;江苏中特创业设备检测有限公司;广东汕头超声电子股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.285
【相关文献】
1.CIVA仿真软件在核电厂汽轮机叶根相控阵检测中的应用
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3.全聚焦相控阵技术声场特性初探
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聚焦HIFU相控阵:声场测试研究5.核电站钢制安全壳焊缝超声波相控阵检测CIVA 声场仿真
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