【摘要】：針對(duì)空心軸類(lèi)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(jìn)行電子旋轉(zhuǎn)掃查檢測(cè)的方法。為研究鋸齒形超聲相控陣探頭的聚焦聲場(chǎng)特性,首先根據(jù)射線(xiàn)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(jì)算方法;其次采用有限元仿真方法分析該換能器超聲聲場(chǎng)的聚焦聲場(chǎng)特性,結(jié)合動(dòng)態(tài)光彈實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)聚焦聲場(chǎng)進(jìn)行觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn);最后在含有人工缺陷試塊中進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的聚焦法則,可以實(shí)現(xiàn)電子控制聲場(chǎng)周向掃查,在聚焦點(diǎn)附近聲場(chǎng)能量增大,在遠(yuǎn)離聚焦點(diǎn)處聲場(chǎng)能量減弱,瞬態(tài)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)聲場(chǎng)聚焦效果與仿真結(jié)果相符,檢測(cè)實(shí)驗(yàn)缺陷信號(hào)明顯,無(wú)底波干擾。
【圖文】：

鄒誠(chéng)，等：鋸齒形超聲相控陣聲場(chǎng)特性６０５空心軸類(lèi)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(jī)車(chē)車(chē)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(duì)于空心軸類(lèi)零件，從內(nèi)孔檢測(cè)其外表面縱向裂紋的成像檢測(cè)方法。針對(duì)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(jìn)行改進(jìn)，提出一種鋸齒形超聲相控陣探頭。通過(guò)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�(xiàn)追蹤法研究鋸齒形探頭的聚焦法則，并通過(guò)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(chǎng)的聚焦分布情況，并設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)光彈實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)試件中的超聲聲場(chǎng)進(jìn)行觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖１機(jī)車(chē)車(chē)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(xiàn)性探頭，由于橫波對(duì)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(chǎng)在界面處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。本文選取一個(gè)空心圓盤(pán)作為試塊。采用一個(gè)鋸齒形相控陣探頭，從內(nèi)孔的表面進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)陣元的發(fā)射時(shí)間，根據(jù)Ｈｕｙｇｅｎｓ原理，透射橫波在線(xiàn)彈性的試塊內(nèi)部發(fā)生線(xiàn)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(zhǎng)度方向遠(yuǎn)大于寬度方向，且檢測(cè)裂紋為縱向裂紋，因此可以將研究模型簡(jiǎn)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(lèi)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(gè)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(duì)垂直線(xiàn)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(xiàn)性探頭，由于橫波對(duì)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(chǎng)在界面處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。本文選取一個(gè)空心圓盤(pán)作為試塊。采用一個(gè)鋸齒形相控陣探頭，從內(nèi)孔的表面進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)陣元的發(fā)射時(shí)間，根據(jù)Ｈｕｙｇｅｎｓ原理，透射橫波在線(xiàn)彈性的試塊內(nèi)部發(fā)生線(xiàn)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(zhǎng)度方向遠(yuǎn)大于寬度方向，且檢測(cè)裂紋為縱向裂紋，因此可以將研究模型簡(jiǎn)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(lèi)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(gè)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(duì)垂直線(xiàn)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(lèi)零件內(nèi)孔中檢測(cè)的過(guò)程如圖３所示，探頭在前進(jìn)的過(guò)程中無(wú)須旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)在前進(jìn)的同時(shí)完成整個(gè)圓周的檢測(cè)（耦合液采用機(jī)油）。圖２橫截面及幾何尺寸定義圖３檢測(cè)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(guò)機(jī)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(guò)設(shè)置合適的偏轉(zhuǎn)角α，各個(gè)陣元激發(fā)出的超聲在界面處會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，在被測(cè)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(gè)陣元發(fā)射超聲的延遲時(shí)間，使橫波聲場(chǎng)在工件內(nèi)能夠發(fā)生聚焦偏轉(zhuǎn)。２聚焦聲場(chǎng)計(jì)算２．１曲形界面透射延遲法則計(jì)算方法各個(gè)陣元通過(guò)液體耦合劑將超聲透射到被檢測(cè)工件中，

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