阵列解析式超声波换能器与表面裂纹无损检测关键技术研究

Non-destructive testing of cracks has been an important issue for industrial applications and scientific research. Particularly, due to the high probability of occurrence of surface-breaking cracks, the structures would be in great unsafe situation. Therefore, the development of scientific, reliable methods and techniques for the measurement of surface-breaking crack and its depth is the most important academic target. This project will carry out the theoretical analysis and the measurement methods for surface-breaking crack detection, intend to study the development of a new focus ultrasonic transducer, known as the analytical array-sensing ultrasonic transducer, and establish the measuring techniques and signal analysis theory, which are applied to the nondestructive testing of the surface-breaking crack. Different from the conventional acoustic transducers, the proposed array-sensing ultrasonic transducer can obtain the complete back scattering acoustic field distribution in two dimension of space and time through the tiny array of multi acoustic sensing area; Based on the back scattering field information, with theoretical analysis and calculation of the reflection and scattering field, we can accurately acquire the location, shape and size information of the defects. This research project proposes a new type of array sensing ultrasound transducer for ultrasonic non-destructive evaluation, which is a innovation of principles and methodology. This advanced ultrasonic nondestructive testing and imaging system will be of great value and scientific significance for the future application.

裂纹的无损检测一直是工业应用与科学研究的重要课题，特别是表面裂纹由于其出现几率高，对结构安全的危害性大。因此，发展一种科学、可靠的方法和技术，实现表面裂纹的检测和裂纹深度的测量，是学术界长期以来不断努力的目标。本项目针对表面裂纹的检测技术开展理论分析和测量方法研究，拟研究发展一种新型聚焦式超声波换能器，称之为"阵列解析式超声波换能器"，并建立相关测量技术和信号分析的基础理论，应用于表面裂纹的无损检测。与传统超声波换能器不同，阵列解析式超声波换能器通过同时使用多个微小的点阵分布的PVDF声波感测区，来得到完整的背向散射声场在空间与时间上的分布；根据所测量到的背向散射声场信息，配合反射与散射声场的理论分析与计算，可以精确地得到待测试件中缺陷的位置、形状与大小。本项目所提出的阵列解析式超声换能器在概念上和方法上都具有创新性，对于未来先进的超声无损检测与超声成像系统具有重要的科学意义和应用价值。

裂纹的无损检测一直是工程应用与科学研究的重要课题，特别是表面裂纹由于其出现几率高，对结构安全的危害性大。因此，发展一种科学、可靠的方法和技术，实现表面裂纹的检测和裂纹深度的测量，是学术界长期以来不断努力的目标。本项目针对表面裂纹的检测技术开展理论分析和测量方法研究，利用表面裂纹、背向散射声场与阵列解析式超声波换能器间的声场特性，通过理论分析、模型仿真、数值计算与测量实验，建立了一套完整的表面裂纹超声无损检测系统与测量方法，实现了表面裂纹典型特征参数的定量表征。取得了如下创新性研究成果：.1）发展了一种新型的聚焦式超声波换能器，即“阵列解析式超声波换能器”；建立了一套完整的阵列解析式超声换能器的制作工艺；提出了换能器各感测单元回波信号敏感系数修正法，提高了各感测单元的测量精度。.2）建立了完整的表面裂纹的背向散射声场。通过建立全角度阵列式超声聚焦换能器有限元仿真模型，对入射声场、表面裂纹和散射声场三者间声波特性进行了理论分析，明确了每个声波感测点所对应的声波信号，为表面裂纹特征提取奠定了理论基础。.3）针对阵列解析式超声换能器多感测单元信号的同步采集，建立了一套基于FPGA技术的多通道高速采集系统与超声显微测量系统，实现了完整的背向散射声场的空间信息与时间信息快速采集与存储，为实验研究与工程应用奠定了基础。.4）实现了表面裂纹重要特征参数的定量检测。根据典型表面裂纹完整的背向散射声场信息理论分析、模型仿真与数值计算，确定了阵列式换能器的有效感测单元，研制了表面裂纹检测专用小张角聚焦换能器，实现了表面裂纹典型特征参数的定量表征。.5）利用超声显微测试系统及FPGA高速采集及多信息快速存储的优势，针对特殊制备材料或器件（如粉末冶金复合材料、电子芯片、印刷线路板等）表面裂缝、内部不均质和掺杂等缺陷检测，开发了超声层析扫描成像系统；针对铁路接触网零部件裂纹检测，开发了便携式裂纹超声检测仪，实现了研究成果的工程化应用。