【摘要】：針對空心軸類零件的外表面縱向裂紋,該文提出采用鋸齒形超聲相控陣換能器進行電子旋轉(zhuǎn)掃查檢測的方法。為研究鋸齒形超聲相控陣探頭的聚焦聲場特性,首先根據(jù)射線聲學(xué)原理,研究該換能器在圓弧形分界面條件下的延遲法則計算方法;其次采用有限元仿真方法分析該換能器超聲聲場的聚焦聲場特性,結(jié)合動態(tài)光彈實驗方法,對聚焦聲場進行觀測實驗;最后在含有人工缺陷試塊中進行檢測實驗。實驗結(jié)果表明:通過設(shè)計相應(yīng)的聚焦法則,可以實現(xiàn)電子控制聲場周向掃查,在聚焦點附近聲場能量增大,在遠離聚焦點處聲場能量減弱,瞬態(tài)觀測實驗聲場聚焦效果與仿真結(jié)果相符,檢測實驗缺陷信號明顯,無底波干擾。
【圖文】：

鄒誠，等：鋸齒形超聲相控陣聲場特性６０５空心軸類零件的外表面裂紋分為橫向和縱向裂紋，其中橫向裂紋的走向平行于橫截面方向，，而縱向裂紋的走向沿著軸向方向。圖１是機車車軸軸身部位的一種縱向裂紋［１２］。本文基于鋸齒形超聲相控陣換能器，研究對于空心軸類零件，從內(nèi)孔檢測其外表面縱向裂紋的成像檢測方法。針對空心軸外表面縱向裂紋，本文在傳統(tǒng)的凸型陣列的基礎(chǔ)上進行改進，提出一種鋸齒形超聲相控陣探頭。通過將凸陣表面的陣元旋轉(zhuǎn)一定的角度，采用液體耦合劑將超聲波能量傳播到零件中去�；谏渚�追蹤法研究鋸齒形探頭的聚焦法則，并通過有限元仿真方法，分析在曲面液固耦合條件下的鋸齒形探頭的超聲聲場的聚焦分布情況，并設(shè)計動態(tài)光彈實驗，進一步對試件中的超聲聲場進行觀測實驗。圖１機車車軸軸身表面縱向裂紋１鋸齒形超聲相控陣探頭結(jié)構(gòu)一般的相控陣探頭采用一維線性探頭，由于橫波對裂紋的靈敏度高于縱波，因此常在探頭與工件之間增加楔塊，使發(fā)射聲場在界面處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。本文選取一個空心圓盤作為試塊。采用一個鋸齒形相控陣探頭，從內(nèi)孔的表面進行檢測，通過調(diào)節(jié)各個陣元的發(fā)射時間，根據(jù)Ｈｕｙｇｅｎｓ原理，透射橫波在線彈性的試塊內(nèi)部發(fā)生線性疊加，使得聲束能夠獲得明顯的偏轉(zhuǎn)效果，并且能夠在比較大的范圍內(nèi)獲得偏轉(zhuǎn)聲束。陣元的長度方向遠大于寬度方向，且檢測裂紋為縱向裂紋，因此可以將研究模型簡化成二維結(jié)構(gòu)。圖２是鋸齒形超聲相控陣探頭在空心軸類零件內(nèi)的橫截面示意圖，其中：Ｒ１為通孔半徑；Ｒ２為外圓半徑；α為各個陣元的偏轉(zhuǎn)角度；δ為陣元之間的間距角；ｗ為各陣元的寬度；β為縱向裂紋相對垂直線的位置角度；ｈ

聲相控陣探頭結(jié)構(gòu)一般的相控陣探頭采用一維線性探頭，由于橫波對裂紋的靈敏度高于縱波，因此常在探頭與工件之間增加楔塊，使發(fā)射聲場在界面處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。本文選取一個空心圓盤作為試塊。采用一個鋸齒形相控陣探頭，從內(nèi)孔的表面進行檢測，通過調(diào)節(jié)各個陣元的發(fā)射時間，根據(jù)Ｈｕｙｇｅｎｓ原理，透射橫波在線彈性的試塊內(nèi)部發(fā)生線性疊加，使得聲束能夠獲得明顯的偏轉(zhuǎn)效果，并且能夠在比較大的范圍內(nèi)獲得偏轉(zhuǎn)聲束。陣元的長度方向遠大于寬度方向，且檢測裂紋為縱向裂紋，因此可以將研究模型簡化成二維結(jié)構(gòu)。圖２是鋸齒形超聲相控陣探頭在空心軸類零件內(nèi)的橫截面示意圖，其中：Ｒ１為通孔半徑；Ｒ２為外圓半徑；α為各個陣元的偏轉(zhuǎn)角度；δ為陣元之間的間距角；ｗ為各陣元的寬度；β為縱向裂紋相對垂直線的位置角度；ｈ為裂紋深度；ｂ為裂紋寬度；ｑ為陣元中心到內(nèi)孔表面的距離，也就是耦合液的厚度。探頭在空心軸類零件內(nèi)孔中檢測的過程如圖３所示，探頭在前進的過程中無須旋轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)在前進的同時完成整個圓周的檢測（耦合液采用機油）。圖２橫截面及幾何尺寸定義圖３檢測方案三維圖（軸段部分剖切）與傳統(tǒng)的凸陣或柱形陣不同，鋸齒形陣列采用了陣元偏轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，通過機油等液體耦合劑，將陣元發(fā)射的聲波透射到固體工件中，通過設(shè)置合適的偏轉(zhuǎn)角α，各個陣元激發(fā)出的超聲在界面處會發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，在被測固體工件內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)偏轉(zhuǎn)角度的橫波。由多通道超聲發(fā)射接收裝置調(diào)節(jié)各個陣元發(fā)射超聲的延遲時間，使橫波聲場在工件內(nèi)能夠發(fā)生聚焦偏轉(zhuǎn)。２聚焦聲場計算２．１曲形界面透射延遲法則計算方法各個陣元通過液體耦合劑將超聲透射到被檢測工件中，

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