对接接头波线的模拟（翻译）

透过射线追踪模拟对接接头波测

Young-Hyun Nam· 研发中心 hanjung

超声波的产生和传播是可以通过超声波测试来模拟的。射线模型就是其中一种模拟。超声可视化方法，合并模型中的实际声压分布，进行分析从斜探头测出的入射波的实际声压分布。在这种方法中，声压是由射线的密度和超声波梁的反射系数来表现的。且射线的反射和模式转换是靠斯涅尔折射定律计算出来的。使用这种射线模拟，针对对接接头超声波测试中的问题的模拟程序就建立起来了。从超声波测试中的一个缺陷和A扫描显示，超声波散射的模拟结果与实际的实验结果保持一致。

关键词：超声波测试 可视化 对接头 射线追踪

1.介绍

超声波测试利用了裂缝的回声。虚假回声却不是从裂缝中来的，而是出现在A型扫描显示中，那是因为在复杂形状样本的传播过程中出现了模式转换。所有很有必要去了解普通形状材料的可靠超声波测试的超声波传播。

为此，一种可视化方法已被应用于理解波的传播和散射，包含所有存在的裂缝（巴勃罗斯科等人，1973年；哈克，1984年；南，1999年; 塞尔维亚，1982年）。波传播的计算机模拟分析也已问世。一个粒子模型（哈鲁米等人，1986；哈鲁米和阿齐达，1990年；哈鲁达等，1992），和迭代射线跟踪模型（奥美和寺，1983年;奥美; 1984年，1985年，1986年，1987年，1988年，1992年）都同样申请了这种模拟。然而，这些人关心更多的是裂缝上的基波波散射现象，或光束传播。

可以预测实际的超声检测信号。这种射线模型可以模 本文提出了一种简单的仿真模型，

拟在标本上波的传播，并可以用来预测A扫描显示的回波位置。通过使用可视化系统，将声压分布纳入模型中，就可对实际的声压分布形成的波进行分析。对应超声波束的A组光线，声压是通过射线的密度来表示的。而且反射中射线的声压变化是反射系数计算出的。使用斯涅尔定律便可以计算各种反射波的方向。对接头超声波测试的模拟程序是通过这种射线模型发展起来的。一个典型的裂缝超声波散射模拟结果与可视化方法获得的实验结果如出一辙。

2．超声波观察

可视化系统（南，1999年）是一种基于合成光弹方法来进行声压波分析的系统。该系统主要包括商业频闪光源的常规线性偏光显微技术和一个数字实景录制系统。而驱动频闪仪的触发脉冲会延迟时间，这跟超声波探伤仪的触发脉冲有关系，并通过不同的延迟时间可以改变脉冲超声冻结和成像的位置。 比如一个CCD相机，它是用来显示在固体上的超声波。波形成的图像分为512行，每行被划分成512个部分，这时亮度会转换成8位分辨率的视频信号。在可视化的图像上会反应出来，超声波的振幅（亮度）将在极坐标 (r, 8)上，用一个方向128和256的值，其实就是分别为0.25和0.5 V来显示。4兆赫频率和60°标称折射角的斜探头的钢

需要用到，机油是用作声耦合。

波传播过程中方向几乎不变。这种探头的实际折射角为65度，是由于钢和本实验中使用的高硼硅玻璃之间的速度有差异。形成的光束模式与65度角的方向是一致的。要使声压

下降到最大声压的50%（负6分贝），角度范围应该是65±5.5度。相对辐射角度65度的相对

声压（P）值，可表示如下： P = 100-2.46￠ -0.526￠2（1），

其中P是相对的声压值 ￠=∣（辐射角）-65度角∣（2）

相对于辐射角65度的声压P可以通过下面的方式表达出来：

方程（1）是由拟合得到。测出间隔一度时从斜探头发出的横波声压，这是使用可视化方法来计算的。

3.方向性

超声波的方向性跟检测的灵敏度，扫描间距，探头的排列，和裂缝的大小、位置等息息相关

相关。

图1 超声波探头角度示意图

图2声压分布示意图

超声波的方向，是从角度和最大声压值的关系得到的。波前的形状是球形的，还是波的点源，或是这个球面波前的中心点，是位于图1显示的斜探头内。而通过可视化图像可以分析出这

个中心点声压的方向，其中可视化图像的强度与波的完全声压密切相关。

4.超声波产生的建模

如图1所示，既然知道超声波是由点源产生，我们接着就做了一个斜探头超声波产生的简单模型，如示意图2原理性地所示。A组射线体现了超声波束。每条射线的方向显示了波的传播方向。光线放射状地从点源产生的径向在65±5.5度的范围内。为了解释角声压分布，我们

改变了在超声波束中的行距。

图3 波传播示意图 在射线模型中，声压下降表示邻近射线之间的角距离的增加。角度增加则是通过实际声压分布公式（1）来决定的。我们可以看下面的公式（3）： △￠=5.5(2-P/50) （3） 其中△￠是绝对的角度增加，P = 100-2.46X-526X2，X = 5.5（ⅰ-1）/（N-1）; 2N-1是射线的总数;，其中ⅰ是1和N之间的任何整数。

图3显示了波传播的计算问题。从点源开始的极小波单位沿着射线的方向反复扩展着。如图3所示，波传播反复n次后传播到B点，可以看出波单元的长度是跟波速成正比。而且光束路径的距离，可以通过波单元的长度和重复的次数计算出来。这小波单位包括波的传播方向，波速，光束的距离以及声压。图2中所有光束的小波单位同样会随着波传播延长。 图4显示了这种射线模型下模拟超声波的产生。图4（a）是波前，显示了点源同一时间的波单位。图4（b）显示了模拟波的声压分布。这个分布是由每1度范围里波单位的数量计算出来的。这一结果与可视化方法分析的实验结果吻合。

图4 超声波产生模拟

5.波的反射和模式转换

射线的小波单位可以进行射线波传播的计算。像波的长短，速度，方向，模式波，声压

等模拟波的因素都可包含在波单元中。射线有时被分为两光线折射或模式转换反射。折射和

反射波的声压都转变成了折射和反射角的一个函数。这些因素包括在目前的模拟中。折射或

模式转换波的方向角是由下列公式计算出的（折射定律）。

VL/ Vs=sinO /Lsin Os（4）

其中VL为纵波速度; VS为横波速; OL是纵波角; OS是横波角。

在这个模拟中，高硼硅玻璃样品纵波和横波的波速分别为5940m/s和3420m/s，高硼硅玻璃的密度为2119千克/立方米。

由于纵波传播速度比横波快，所有在模拟中纵波单元的长度是横波单位长度的VL/VS倍。反射和模式转换的射线分布可看图5。1号射线是横波，进行传播和反射两次，没有模式转换。2号射线是横波，在第二次的反射中转换成一个纵向模式，将在第三个反射时又转换称横波。第一次反射，模式不会发生转换因为地面有个大入射角。3号线显示模式转换的纵波。这样的反射和模式转换后的射线分布计算出了模拟中所有的光线。

图5 超声波传播、反射和模式转换的模拟

光线的反射和模式转换的声压值变化是通过反射系数计算出来的，波单元的初始声压值为“1”。 反射系数将模式转换波单位作为它的声压。波单元的声压值被用于计算方向性和回波分析。涉及到边界的入射角，是被确定为波的传播方向和边界反射点法线方向之间的角度。

6.讨论

一个高硼硅玻璃试样，如图6所示，是被用来研究这种模拟方法的有效性。试样的厚度为20毫米。这是一个圆焊接加固和破表面裂缝的对接接头的模型。探头位置位于裂纹87毫米远

处，此处裂纹回波的最大振幅通过这个高硼硅玻璃模型的超声检测观察到。