北京航空航天大学超声无损检测实验室2023年度工作进展
2023年，北京航空航天大学超声无损检测实验室在超声仿真系统设计、超声检测系统研发以及超声检测基础理论研究方面取得了系列成果。
在超声检测仿真系统设计方面，构建了BUAA-UTSim超声检测仿真软件，包含声束路径仿真、声场分布仿真以及动态声场传播仿真等多个核心模块，结合超声检测三维仿真建模功能，可实现超声无损检测的快速仿真成像分析。
在超声检测系统研发方面，研制了16通道空气耦合超声在线自动检测系统，可对生产线上的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫板进行实时检测与缺陷识别，实现了产品的在线快速检测和质量评估。
针对高端材料制造产业升级和新产业培育重大需求，实验室开展了航空复合材料缺陷的阵列聚焦式空气耦合超声检测方法研究，并获得了国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目资助。
此外，实验室在复合材料的褶皱缺陷检测、异种金属材料的扩散焊接界面检测评估以及复杂曲面结构的阵列超声检测成像等超声检测理论方面取得显著进展，在国内外发表了多篇高水平学术论文。
BUAA-UTSim超声检测仿真软件
相较于常规超声检测方法，阵列超声检测技术检测参数和检测方案更为多样化，选取适当的检测方案可显著提升阵列超声的检测效果。
通过超声检测试验对检测方案进行设计优化具有较高的时间和经济成本，而利用超声检测仿真技术是实现阵列超声检测参数设计及优化的有效途径。
为实现复杂结构件的超声检测建模仿真，北京航空航天大学超声无损检测实验室自主开发了超声检测仿真软件，可实现三维检测建模、动态声场仿真、声场分布仿真及后处理成像等功能，软件界面如图1所示。
图1 BUAA-UTSim超声无损检测仿真软件界面
首先，基于QT以及Open Cascade三维建模框架，设计了超声检测三维建模功能，可实现航空航天等领域典型各向同性介质以及各向异性介质零部件的建模仿真，支持基于多种型式的阵列超声换能器、单晶片超声换能器的检测模式。 利用三维模型几何边界信息和斯涅尔定律，建立了基于射线追踪方法的声线路径仿真方法。 基于灵活方便的人机交互功能，可实现阵列超声聚焦方案的快速定义，仿真建模和声束路径计算功能，如图2所示。 (a) 仿真建模 (b) 声束路径计算 图2 超声检测仿真建模及声束路径计算 其次，基于瑞利积分方法以及高斯等效声束模型，建立了三维稳态声场分布仿真模型，基于棱边单元法实现了高效率的半解析声场仿真计算。 利用稳态声场仿真结果可对超声检测参数与声场分布特征之间的映射规律进行定量分析，并基于仿真结果实现超声检测方案的设计优化。图3为单通道聚焦换能器以及阵列换能器的聚焦声场能量分布。 图3 单通道聚焦换能器以及阵列换能器的聚焦声场能量分布 然后，基于时域有限差分仿真方法，建立了超声检测动态声场仿真及缺陷响应仿真分析模块。 利用三维模型特征以及射线投影法，建立了高效率数值仿真网格划分方法，采用阵列超声检测方案以及超声激励波型特征作为数值仿真初始边界条件。 利用CUDA并行计算技术对有限差分数值仿真过程开展并行加速处理，显著提升了超声检测仿真计算效率，声波的动态传播过程如图4所示。相较于COMSOL等通用有限元仿真软件，同等仿真精度下，计算效率提升了90%以上。 图4 阵列超声动态声场传播过程 最后，基于有限差分缺陷响应仿真数据以及对应的检测方案，建立了阵列超声成像仿真模块，可实现阵列超声扇形扫描、线性扫描、全聚焦以及平面波等成像方式，其结果如图5所示，并可据此对超声检测成像方案进行验证及优化。 图5 超声检测成像仿真结果
B型套筒角焊缝的超声检测仿真研究
利用B型套筒对高钢级管道进行修复可有效降低管道运输的经济损失，为保障其修复效果，利用阵列超声检测技术可实现B型套筒焊缝质量的实时直观检测评价。
为了实现B型套筒角焊缝的阵列超声检测方案设计及参数优化，利用BUAA-UTSim超声检测仿真软件对B型套筒角焊缝的阵列超声检测开展仿真分析，并进行参数优化设计。
基于软件的三维仿真建模功能，实现了B型套筒结构及超声检测组件的定义建模。结合角焊缝结构中典型缺陷的声学特性和几何特性，实现了典型缺陷的准确建模。
利用稳态声场仿真模型，分析了阵列超声聚焦声束在B型套筒角焊缝结构中的分布特征，探究了超声检测参数中阵元间距、中心频率、阵列孔径、楔块角度等因素对聚焦声场的影响，据此设计并优化了阵列超声检测方案，B型套筒检测仿真建模如图6所示。
(a) 模型结构 (b) 声场仿真 图6 B型套筒阵列超声仿真建模 由于B型套筒角焊缝结构的复杂性，且套筒与管道间存在间隙，在角焊缝结构的阵列超声检测中存在一定程度的结构盲区和声束偏转角度盲区，结合阵列超声扇形扫描仿真功能，分析了不同规格套筒结构在不同检测方案下的超声检测成像结果，确定了B型套筒角焊缝的检测盲区以及典型缺陷的成像特征。扇形扫描仿真及其结果如图7所示。 图7 不同检测模式下的阵列超声扇形扫描仿真结果
16通道空气耦合超声在线自动检测系统
玻璃纤维增强聚氨酯泡沫材料因具有比强度高、保温绝热性好、吸声防震能力强等优点，在能源装备、船舶工业以及建筑工业等领域发挥着不可替代的作用。采用发泡工艺制备的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫材料受发泡原料的性能、制备过程的温度、压力以及固化时间等因素的影响，其内部极易产生气孔、疏松等缺陷。
为了实现玻璃纤维聚氨酯泡沫板生产制造过程的质量控制，研制了16通道空气耦合超声检测系统（图8），该系统通过对生产线上的产品进行实时检测与缺陷识别，实现良品和不合格品的自动分拣，完成玻璃纤维聚氨酯泡沫板在线快速检测和质量评估。
图8 16通道空气耦合超声检测系统 空气耦合超声检测系统具备16个通道同时检测，检测轨迹为V形曲线，在流水线连续运动情况下，可保证材料宽度方向的全覆盖检测；采用定制化的50 kHz空气耦合超声换能器实现厚度范围60~300 mm玻璃纤维聚氨酯泡沫板的ϕ20 mm气孔缺陷的无漏检出，缺陷定位误差小于10%，尺寸定量误差小于15%。 检测软件支持多通道参数自动校准功能、多通道显示及扫描成像功能、在线缺陷判定及定量功能以及检测产品自动分类功能；同时，具备检测工艺及检测结果数据库，可根据被测工件信息自动配置检测工艺参数，自动记录检测结果并生成检测报告，满足连续检测的全流程自动化及智能化需求。 图9为3.2 m×1.0 m尺寸工件的16通道空气耦合超声检测结果（所用时间小于60 s）。 图9 某工件的16通道空气耦合超声检测结果
国家自然科学基金重点项目申报
以“航空复合材料缺陷阵列聚焦式空气耦合超声检测技术基础研究”为题成功申报并获批国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目。
阵列聚焦式空气耦合超声检测技术研究目前存在的主要问题有：
① 空气耦合阵列超声换能器的形性协同设计理论不完备；
② 空气耦合阵列超声波束聚焦及检测机理不明确；
③ 复合材料缺陷与阵列聚焦波束声响应规律不明晰。
针对上述问题，项目开展的研究内容如下：
空气耦合阵列超声换能器形性协同设计理论研究
建立广义拓扑形式的空气耦合阵列超声换能器的激发声场模型，研究换能器结构参数设计与声场特性优化理论，提出全流程设计方法。空气耦合阵列超声换能器形性协同设计研究流程如图10所示。 图10 空气耦合阵列超声换能器形性协同设计研究流程
空气耦合阵列超声聚焦检测机理研究
结合阵列波束形成理论和脉冲压缩技术，建立多脉冲阵列波束高能量聚焦方法，克服复合材料检测中空气声衰减大及多脉冲声波聚焦难的问题。空气耦合阵列超声聚焦检测机理研究流程如图11所示。
图11 空气耦合阵列超声聚焦检测机理研究流程
聚焦声波与复合材料缺陷的交互作用规律研究
采用半解析与纯数值联合的混合求解方法进行复合材料分层、孔隙、富脂等典型缺陷的声响应分析，基于分析结果构建缺陷特征与声学特征的正逆向映射模型，进而确定缺陷的声响应规律。聚焦声波与复合材料缺陷的交互作用规律研究流程如图12所示。 图12 聚焦声波与复合材料缺陷的交互作用规律研究流程
空气耦合阵列超声检测评价方法验证
搭建空气耦合阵列超声检测试验平台，制备预埋典型缺陷的复合材料试样，验证空气耦合阵列超声聚焦检测及缺陷智能评价方法，以缺陷分辨力和正确性为指标分析典型复合材料缺陷的检测评价能力，其评价方法验证流程如图13所示。
图13 空气耦合阵列超声检测评价方法验证流程
相关研究将填补我国航空复合材料缺陷阵列聚焦式空气耦合超声检测技术的空白，满足我国航空领域对复合材料部件日益增长的检测需求，实现相关技术的自主可控。 项目研究成果将为我国航空复合材料的空气耦合阵列超声检测提供理论和技术基础，在我国航空复合材料的质量检测中具有广阔的应用前景。
