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原文传递超声相控阵理论及其在海洋平台结构焊缝缺陷检测中的应用研究

论文题名：	超声相控阵理论及其在海洋平台结构焊缝缺陷检测中的应用研究
关键词：	海洋平台;钢结构;焊缝缺陷检测;超声相控阵检测;无损检测
摘要：	超声相控阵检测技术因其独特的优点，近年来引起国际无损检测领域的高度重视。在工业超声相控阵检测技术的应用中，使用相控阵探头进行材料探伤主要是利用它的两大特点：灵活的波束偏转和动态聚焦。与常规超声检测技术相比，采用超声相控阵检测技术可实现用较少的探头与少量的扫查动作完成检测区域的全部扫查。而且，将超声相控阵技术与成像技术相结合，对构件内部具有极好的实时成像能力，超声图像可以提供直观和大量的信息，准确检测出物体中的缺陷，并确定其位置、大小和性质。阵列换能器是超声相控阵检测系统中最具特色也是最关键的传感器件，其声场特性是能否获得并有效利用被检测部位或区域回波信息的决定因素，也是设计换能器阵的主要依据。论文在介绍超声相控阵工作原理的基础上，研究了相控线阵换能器波束偏转时间延迟和波束聚焦时间延迟规则，利用线性声学基本原理-Rayleigh积分和Huygens原理，建立了单一矩形阵元、简单点源线阵、矩形阵元线阵换能器偏转波束和聚焦波束辐射声场的空间理论模型。论文从研究超声相控阵列空间波束指向性函数入手，系统地分析了相控线阵的声场特性。重点研究了线阵各设计参数，包括阵元长度、宽度、间距、数量和中心频率等对波束偏转和波束聚焦性能的影响。通过引入声场能量分布因子的新概念，讨论了上述阵列参数对主瓣波束之外声场能量分布的影响。总结了最佳主瓣的获得方法，旁瓣幅值的减小方法，栅瓣的产生机理与抑制方法，得到了具有重要参考价值的阵列参数对阵列性能的影响规律，为阵列参数优化设计算法提供了理论依据和指导。论文以方向锐角、波束角、旁瓣幅值、栅瓣等空间波束方向参数为准则，对相控线阵换能器阵列参数进行了优化设计。从研究简单点源线阵入手，计算了阵元间距的上下限取值以及完全消除栅瓣的最佳阵元间距。在此基础上，采用数学分析及数值分析的方法，研究了阵元宽度对方向锐角、波束角、旁瓣幅值以及栅瓣等声场特性参数的影响，推导了矩形阵元相控线阵的临界阵元间距，计算了阵元宽度的上限取值。论文还对阵元间的互辐射、阵元的振动模式、偏转角度的精确控制以及相控阵列换能器工作频率的选择原则进行了分析研究。根据阵列参数优化设计理论，编制了相控线阵换能器阵列参数优化设计计算软件包，该软件包可以有效计算空间波束方向参数，为阵列换能器的优化设计提供必要的计算工具。论文在分析海洋平台结构管节点焊缝常见缺陷特征的基础上，研究了管节点焊缝缺陷的检测方法—斜角探头检测法，以及斜角探头中的重要部件—楔块儿何参数的优化设计方法。以T型管节点焊缝为例，对基于超声相控阵的焊缝缺陷检测理论与方法进行了研究，给出了相控阵检测系统的硬件构架和软件模块，重点探讨了相控阵检测中探测面的选择、焊缝的区域划分、不同检测区域检测角度的配置原则、聚焦柱的确定、检测深度范围、检测“死区”、相控阵列换能器动态聚焦的算法实现等关键技术，为尽快将相控阵检测技术在复杂焊缝缺陷检测中的实用化提供了理论上的指导。论文采用阵列换能器—试块系统，对基于相控阵列换能器的超声检测系统进行了一系列实验，对相控线阵换能器波束偏转和聚焦时间延迟规则理论、阵列波束参数优化设计理论、以及基于超声相控阵的T型管节点焊缝缺陷检测动态聚焦算法理论进行了验证，实验结果表明了该检测方法的有效性。
作者：	黄晶
专业：	精密仪器
导师：	阙沛文
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文