浅析超声测试和可视化技巧

第一章绪论

1.1无损检测技术的发展概述及研究现状

射线检测法适用于检出材料或构件内部缺陷，适用于铸件和焊缝检测。(5)声发射技术需要在外力或内应力的作用下对材料或构件进行检测，声发射信号来自缺陷本身或结构异常区域。除极少数材料外，一般的金属和非金属材料在一定条件下都有声发射现象，所以声发射检测可以普遍应用。但是，由于解释声发射信号比较困难，使声发射技术的应用受到一定限制。(6)光全息无损检测适用于对金属和非金属蜂窝结构、叠层结构和复合材料的脱粘、分层、气孔等缺陷及蜂窝心损坏、冲击损伤等方面进行检测，以及印制电路板焊点、反应堆核燃料元件的检测。

1.2超声波用于无损检测的研究现状及常用检验方法

超声波是一种频率高于20千赫的弹性波，人耳不能听到。超声波检测是无损检测的一种常方法，原理简易，设备轻便，可实现现场或在线检测，对身体无害。随着计算机和信息处理技术的迅速发展，超声检测的可靠性和直观性也大为提高。当前，超声检测技术己广泛应用于工业生产各个部门，无论是航空航天和国防工业，还是铁路、桥梁、石油、化工、电厂和矿山等，都在尽可能地采用超声检测技术来提高产品质量和保证安全运行，并已取得了显著的经济效益和社会效益。例如，美600家电力公司下属的近万家电厂主要用超声检测控制机组质量，保证电厂正常运转，其检测可靠已经达到85%。超声检测包括超声工业检测和超声医学诊断，超声工业检测包括两部分，一是检验，即介质内部缺陷的探测，称为无损探伤;二是测量，即介质特性测定、质量评价和参数测定。用于超波检测的频率范围从可听频段开始(检测混凝土用，这本来不属于超声波)，直至100MHz。金属材料超声波探伤的超声波频率一般在0.5-20MHz之间。超声波在物体中传播时，总是携带着表征其物理性能的各种信息，利用超声波的各种传播特性，提取这些信息，用来分析和评价被检测对象性能的仪器，称为超声波检测仪器。超声检测仪的发射电路发射一定频率和功率的高频电信号，激励超声换能器转换成超声波，发射到被检物体中，再由它的接收器检出被测物体中的声场特性，如声速、声衰减、声压分布或频谱分布等声学参数，用以检验和评价被检测试样的性能和质量，以这种原理为基础的超声检测仪器种类很多:如声速、声减、厚度测试仪;对液体的浓度、密度、粘度、流速、流量进行测试的仪器;测量应力、硬度、度、料位、液位的仪器;用于地层断裂、空洞测量、岩石体孔隙率、含水量测试装置等，均属于超声检测技术。

第二章超声检测理论及实现技术研究

2.1应力超声波检测技术

可见，超声波检测技术在材料力‘笋胜能测试、应力分析及断裂损伤研究中有重要作用。声波检测原理简易，设备轻便易-.携带，可实现现场或在役检测，而且，超声波对身体无害。随着计算机和信号处理技术的发展，超声检测己成为构件或材料无损检测与评价最常用的手段。超声波在物体中传播时，总是携带着表征其物理性能的各种信息，所以利用超声波的种传播特性，提取这些信息，就可分析和评价被检测对象的性能。很多结构或材料对超声波是透明的，因此就可利用被检对象与介质特性和现实关于的非声学量，如材料的品粒度、弹性常数、硬度、厚度、应力及温度等，和某些描述材料声学特性的超声波参量，如声速、衰减及声阻抗等之间存在的关系，通过测定这些超声波参量来分析材料的特性、评价结构的质量。在工程应用中，人们发现很多事故的发生都与材料或构件应力有直接或间接的关系。对应力较敏感的超声波波型土要有纵波、横波和表面波，较早的超声波应力测试技术多以纵波声速作为转换参量，经过大量实验与现场使用，人们发现用纵波与横波声速综合反映应力的方法更为有效。由于在某些场合，需要测最材料或构件的表面缺陷或应力等信息，因此表面波应力测试技术也受到了广泛的重视和应用。

2.2表面波及其声弹效应

用纵波、横波来检测应力的研究应用比较多，但近儿年来，在超声无损检测中，常使用表面波来检测固体表面的裂纹、应力等，而且在超声电子中也泛使用表面波来制作表面波件，因而表面波的性质受到人们一泛的关注。超声波在介质中传播的波污.取决于介质本身的固有特性和边界条件。当超声波在介质内传播时，在介质中若只有休积形变，即拉伸形变，而没有切变变形发生，则只存在超声纵波，介质质点的振动方向与超声波传播方向相同;若发生了切变变形，则还存在超声横波，介质质点的振动方向与超声波传播方向相互垂直。当超声波入射到不同介质交界面时，界面会对波的传播有重要影响。一般说来，在固体介质表面上会发生波型转换、传播方向改变和能量的再分配。表面波探头就是产生表面波的一种传感器，其产生表面波的机理稍后再讲。表面波是沿介质表面传播的一种机械波，它具有以卜特点:(l)在表面波的传播中，介质表面内受扰动质点的振动轨迹为一椭圆;(2)表面波沿介质深度方向传播的最大有效距离相当于两个波长，距表面四分之一波长深处的振幅最强，随着深度的增加其振幅衰减很快，实际上在距表面一个波长以上的地方，振动已近消失。因此，应用表面波进行检测时，一般只能发现介质表面一个波长深度内的缺陷，对于近表面内的缺(表面裂纹和表面应力)则十分敏感。

第三章构件表面波声弹试验22

3.11典型构件的应力现实22

3.2构件表面波声弹实验27

第四章构件应力场可视化实现技术研究31

4.1科学计算可视化概述31

4.2构件应力场可视化研究与分析35

4.3构件应力场可视化方法及实现技术40

第五章可视化系统的设计与开发·.46

5.1可视化系统的总体设计46

5.2可视化系统流程框图48

5.3可视化系统部分模块简介50

第五章可视化系统的设计与开发

5.1可视化系统的总体设计

要实现可视化的实时性或准实时性，硬件上就必须满足以下两方面的要求:需要高速、大规模的数据存储和处理能力及高速、高质量的图形或图像处理能力。高性能图形处理计算机(如图形工作站或高档微机等)无疑起着最重要作用。图形工作站与一般工作站的主要区别在于图形处理速度快和图形显示质量高;而高档微机则需配备图形加速器以及高性能的显示卡和显示器。由于可视分析中还往往涉及巨大的数据量，因此需要足够大容量的外存储器。另外，为了把屏幕上显示的画面记录下来，需要高质量的彩色硬拷贝设备，以记录静态画面和动态画面。在开发面向应用的可视化软件时，以上问题是我们需要认真考虑的。另外还需要考虑界面可视化，可视界面用带有各种按钮的画面代替命令作为操作系统用户界面和软件工具户界面，其富有语义暗示的图形令人耳目一新。可视界面还把数据结构和程序控制结构显示在屏幕上，当程序执行时，对正在活动的程序对象对应图形作明暗变化和色彩变化，从而感知到程序的动态行为。另外，采用了屏幕多窗口技术的可视界面还可把可视化模型原始数据输入(包括修改)、可视化系统调参、中间结果和计算结果的文字和图形输出集于同一屏幕不同窗口，或者作为前景窗口和背景窗口交替弹出，这些都可使得用户可以同时从几个不同层次上借助图形来观察程序的运行情况。

结论

从无损检测技术发展现状来看，要求能实现在役检测并对人体无危害的检测手段己显得越来越重要。超声检测是一种应用十分广泛的无损检测方法，在近几十年中得到了较大的发展，己成为材料或结构无损检测与评价的最常用手段。超声检测与其他无损检测方法相比，具有许多无法比拟的优点，而且由于很多材料对超声波是透明;的，因此可直接利用超声波对实际构件或材料进行检测。各种各样的构件在使用过程中，表面裂纹和表面应力是引起各种破坏、失效的主要因素之一，因此就必须寻找一种有效而准确的表面应力场检测方法，声弹性检测技术就是一种很好的选择。本论文在分析构件应力分布与破坏情况的基础上，研究了构件表面[作或残余应力的声弹性检测技术，并且从弹性波理论出发，导出了金属构件表面波传播速度与应力的关系，并从实验上进行了证明，同时为了运用计算机技术对检测结果进行分析，实施了声速测量实验和测量结果计算机数字采集，以方便应力场检测实验结果的可视化。

参考文献（略）