超声检测声场计算模型的建立与仿真软件的开发

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基于声线跟踪法开发超声无损检测动态仿真软件

实例，验证了算法的有效性。
关键词：超声波；声线跟踪法；合表示法；混仿真
中图分类号：Ｆ９．Ｔ３１９文献标识码：Ａ
ＤｅｅｏｍｅｔｏｉｌｔｏｙｔｍｏｎｅｔｕｔＶｖｌｐｎｆＳｍｕａｉｎＳｓｅｆｒＮ０ｄｓｒｃｉｅ
维普资讯
第２卷３第期４
文章编号：０１６—９４（０６０一２９一５０３８２０）４０６Ｏ．
计算机仿真
２６月０年４０
基于声线跟踪法开发超声无损检测动态仿真软件
ｎｎｅｔｕｔｅｕｔａｏｉｎｐｃｉｎｉｄｖｌｐｄｂｓｄｏａ — ｒｃｎｒｎｉｌ．Ｔｉｉｌｔｎｓｓｅｃｎｏｄｓｒｃｉｌｓｎｃｉｓｅｔｓｅｅｏｅａｅｎｒｙ —ｔａｉｇｐｃｐｅｖｒｏｉｈｓｓｍｕａｉｙｔｍａｏｖｓａｉｅｔｅｕｔａｏｉｅｔｐｏｅｓｉｌｔｈｌａｏｉｒｐｇｔｎｐｔｎ — Ｓａ．Ｓｍｅｋｙｐｏｌｍｓｉｕｌｚｈｌｒｓｎｃｔｓｒｃｓ，ｓｍｕａｅｔｅｕｔｓｎｃｐｏａａｉａｈａｄＡｒｏｃｎｏｅｒｂｅｓｃｓｔｅ３ｄｌｇｏｄｕｅｖｒｎｎｎｈａｃｌｔｏｆｕｔａｏｉｒｐｇｔｎｐｔｒｉｃｓｅｕｈａｈＤｍｏｅｉｆｍｅｉｍｎｉｍｅｔａｄｔｅｃｌｕａｉｎｏｌｒｓｎｃｐａａｉａｈａｅｄｓｕｓｄｎｏｏｏｔｏｏｇｌｈｒｕｈｙ，ａｄｇｏｏｕｉｎｒｒｖｄｄｔｏｖｈｓｒｂｅ．ＣＳＢ — ＲｅｙｒｄｍｏｅｅｒｓｎａｉｎｎｏｄｓｌｔｏｓａｅｐｏｉｅｏｓｌｅｔｅｅｐｏｌｍｓＧ／ｐｈｂｄｌｒｐｅｅｔｔｉｏｍｅｈｄｉｕｅｏｍｏｅｅ３ｄａ，ｎａｔｏｓｓｄｔｄｌｔＤｍｅｉａｄｒｙ—ｔａｉｇｐｎｉｌｓｕｅｏｓｍｕａｅｔｅｕｔａｏｉｒｐｇｔｎｈｒｃｎｒｃｐｅｉｓｄｔｉｌｔｈｌｓｎｃｐｏａａｉｉｒｏ

超声波声场的数值模拟及分析研究

超声波声场的数值模拟及分析研究I. 前言超声波技术作为一种重要的非破坏性检测手段，广泛应用于医学、工业、军事等领域。

在这些领域中，对于超声波传播和反射规律的研究，对提高超声波技术检测的灵敏度和准确度至关重要。

声场是一个重要的研究方向。

声场的数值模拟和分析可以帮助研究者更好地了解超声波在不同介质中的传播规律。

II. 超声波声场模拟的基本原理(一) 声场模拟的定义声场模拟是指基于声波理论对声场进行数值计算和分析，以掌握声场分布的规律性，实现声波信号的处理和应用。

(二) 超声波传播的数学模型超声波传播的数学模型是典型的波动方程，其中声压 $ P(x,t) $ 是变量，表示声波在空间位置 $x$ 和时间 $t$ 处的强度。

根据波动方程，超声波传播的速度取决于介质的密度和压力。

(三) 超声波声场模拟方法声场模拟的方法主要有有限差分法、边界元法和声束追踪法。

其中，有限差分法适用于平面和轴对称的声场计算，边界元法适用于无限空间中的声场计算，声束追踪法适用于计算弥散源下的声场传播。

III. 超声波声场模拟的应用及优点(一)超声波生物医学应用中的声场模拟超声波在生物医学应用中广泛应用，如超声心动图、超声诊断、超声治疗等。

声场模拟可以辅助医生分析生物组织中声波的传播规律，提高检测准确度和效率，并为医疗维护提供重要支持。

(二) 超声波工业检测中的声场模拟超声波检测在工业生产中应用广泛，如对金属、塑料等材料的瑕疵检测。

声场模拟技术可以模拟材料内部的声场分布，定位和评估瑕疵，提高测试的准确性和可靠性。

(三) 超声波声场模拟的优点超声波声场模拟可以模拟不同介质中的声波传播规律，为声波技术的研究提供了可靠依据。

与实验方法相比，声场模拟不受时间和空间限制，更加灵活方便。

声场模拟还可以降低实验成本，减少实验过程中的危险和损失。

IV. 超声波声场模拟的发展趋势(一)模拟软件的发展超声波声场模拟需要强大的计算机算力和复杂的程序设计技术，目前市场上已经有多种声场模拟软件，如ABAQUS、COMSOL、ANSYS等。

超声声场模拟技术及其应用

超声声场模拟技术及其应用超声声场模拟技术是一种采用计算机仿真技术来模拟物体内部声场的技术。

在超声声场模拟技术中，通过数值计算来模拟物体内部所产生的声波和声音的传播，从而实现对声波传播过程的模拟和控制。

这种技术不仅拓宽了声学研究的范畴和视野，也推动了超声波医学、超声成像、超声检测等领域的发展。

超声声场模拟技术的基本原理是通过计算机对物体内部的声波场进行模拟。

当声波在物体中传播时，其传播过程受到物体的几何形状、介质属性以及传播路径等因素的影响。

利用有限元、边界元、有限差分等数值模拟方法来计算声波的传播过程，可以得到具体的声场图像。

通过对声场图像进行分析，可以实现声波传播过程的控制和优化，也可用于超声波成像、超声诊断等方面的应用。

在医疗卫生领域，超声声场模拟技术广泛应用于超声成像、超声检测、声学治疗等方面。

超声成像技术是临床医学中常用的一种诊断手段，其利用超声波在体内的传播方式与反射特性，来形成图像来对病变体进行诊断。

利用超声声场模拟技术，可以建立体内声波传播的数学模型，探究影响超声成像质量的因素，并优化传感器配置，提高成像质量和检测效果。

此外，利用声学治疗技术，利用特定的声波功率来对体内的病变体进行热疗或机械切割。

在工业工程领域，超声声场模拟技术也得以广泛应用。

例如，在噪声控制方面，通过超声声场模拟技术，可以模拟复杂的噪声源，了解噪声的传播和衰减规律，优化措施和方法来达到更好的噪声控制效果。

在材料非破坏检测领域，超声声场模拟技术也得到了广泛的应用。

利用声场模拟技术，可以在工业部件内部建立声波传导模型，探究不同的材料和微裂纹等缺陷对声波传播和接收的影响，从而探究合适的检测方法和模式，提高检测的可靠性和效率。

总之，超声声场模拟技术不仅在医疗、工业领域得到广泛应用，而且在其他行业领域也有不同等应用，其准确的数值计算模拟和对声波传播过程的优化控制，将极大地拓宽声学领域的研究范畴，推进相关工业领域的发展。

基于MATLAB的超声波声场模拟及可视化研究共3篇

基于MATLAB的超声波声场模拟及可视化研究共3篇基于MATLAB的超声波声场模拟及可视化研究1超声波在医学诊断、工业无损检测等领域中有着广泛的应用。

超声波声场的模拟和可视化研究是超声波应用中非常重要的一部分。

本文将介绍一种基于MATLAB的超声波声场模拟及可视化研究方法。

一、超声波声场模拟超声波声场模拟是指利用计算机模拟软件对超声波在不同介质中传播的声场进行模拟。

在超声波的应用中，声场模拟是非常重要的，因为它可以帮助我们预计声波在目标物体内或周围的传播行为，从而更好地确定探测器的位置和方位以及探测结果的准确性。

MATLAB是一种将数学与计算机科学结合的高级技术计算软件，可以用于物理建模、图像处理、信号处理等多个领域的计算。

其强大的计算功能和可视化效果能够使得声场模拟的计算更加精准和直观。

在MATLAB中进行声场模拟的步骤：首先需要确定声波的频率和传播介质，包括介质的密度、声波速度和介电常数等。

然后，采用声波方程建立声场模拟模型。

在模型中，除了介质参数，还要包括放射源、探测器位置以及相应的模拟算法等信息。

最后，利用计算机模拟技术进行仿真。

在模拟过程中，可以根据实际需求修改模型参数，比如改变声波源的位置和方向，以模拟不同的声场传播效果。

二、超声波声场可视化超声波声场可视化是指对模拟得到的声波场进行三维可视化表示。

由于人类眼睛对物体深度和空间位置有着天然的感知，因此，超声波声场的可视化能够直观地呈现声波在不同介质中的传播情况。

利用可视化技术，我们可以更加深入地理解声波的传播行为，进而提高超声波检测的检测精度。

在MATLAB中进行声场可视化的步骤：首先需要将模拟得到的声波场数据导出，包括声压值和坐标值等信息。

然后，采用三维可视化技术，将声波场数据导入到MATLAB中，并进行可视化处理。

在可视化过程中，可以对声波场数据进行平滑处理，从而提高可视化的效果。

对于不同介质中的声波传播情况，可以通过调整可视化参数，如透明度和颜色等，来区分不同介质的形态和结构。

超声波有限元数值仿真技术探讨

超声波有限元数值仿真技术探讨孙魁胡冲摘要本文对超声波的有限元法数值仿真技术进行了更全面深入的研究：对模拟波源数值方程进行了优化，改进了模型算法提升了计算精度，在此基础上成功构建了相控阵的数值模型。

最后为整个仿真的操作步骤程序化和计算结果数据库化提供了一种解决方法，为相关仿真软件的开发提供基础技术支持。

关键词超声波有限元数值仿真相控阵软件开发1引言笔者应用有限元的计算方法构建超声波的数值模型也,即分别对波源、传播介质建模，最后通过实验验证了所建立模型的正确性。

相比较现在有部分应用的声场的数值仿真而言，超声波有限元法的数值仿真能动态呈现超声波传播的整个物理过程,包括波的反射、折射和衍射等等,整个仿真结果非常形象直观且计算精确。

相关论文发表以来不少专家对其实际应用、建模和计算方法的优化等方面提出了不少宝贵的意见，并在该数值模型的基础上进行了更加深入的研究旳141B1O近年来随着相控阵、TOFD 等超声技术的广泛应用,笔者结合相关建议和超声新技术的发展对超声波有限元法的数值仿真进行了更全面深入的研究，对整个数值模型进行了优化并对其计算的实现技巧做了很大的改进，主要集中在以下四个方面：1•波源数值仿真方程的优化;2.軽模型算法提升计算精度；3.相控阵超声数值仿真模拟的实现;4•仿真操作程序化和计算结果数据库化,为后续相关数值仿真软件的开发提供数据源的一种获取方法。

2超声波有限元数值仿真概述有限元法是结合变分原理和加权余量法，将结构连续的求解区域离散成有限并按一定方式结合在一起的单元,利用每个单元内设定的近似函数来分区地表示整个求解域里求的场函数。

超声波属于弹性波的一种，符合弹性波在固体中传播的一般规律。

超声波有限元算法的数值仿真模型包括激励波源的数学模型和传播介质的物理模型,即在传播的固体介质上施加弹性波函数，具体操作按顺序有以下5个步骤：收稿日期:2019-8-26(1)传播介质几何模型构建，包括几何尺寸、密度、单元格类型、弹性模量、泊松比、模型网格划分；(2)波源(激励函数)的加载；(3)模型计算参数设置,包括载荷步的选择和总计算时间的确定；⑷计算；⑸计算结果提取分析。

基于多元高斯模型的超声声场仿真系统设计

基于多元高斯模型的超声声场仿真系统设计李力;姜恺;曾德学【摘要】在超声检测中掌握声场分布是缺陷定位、定量的检测关键.本文基于多元高斯模型设计了一个超声声场仿真系统,该系统由参数输入模块、环境设置模块和计算结果输出模块组成.参数输入模块获取模型的参数,通过环境设置模块设置介质层数、界面等,通过计算输出模块得到超声波在介质中的声场分布.系统模拟的声场分布清晰直观,通过仿真分析证明模拟超声波在界面处的传播行为与实际情况相符,表明该系统可为超声检测提供帮助.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(036)002【总页数】4页(P77-80)【关键词】超声检测;声场分布;多元高斯模型;仿真系统【作者】李力;姜恺;曾德学【作者单位】三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室,湖北宜昌443002;三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室,湖北宜昌 443002;三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室,湖北宜昌 443002【正文语种】中文【中图分类】TB553材料缺陷的存在对整个工程结构的安全有很大影响，必须对其定期进行无损检测.超声检测广泛使用［1］，而超声波在检测对象中的声场分布会对缺陷的定位定量产生很大的影响［2］.因此，了解声场分布特征对于提高检测的可靠性及准确性起着至关重要的作用.声场分布模拟常用模型有瑞利积分模型和多元高斯声束叠加模型，瑞利积分模型对声场描述比较精确，但在大多数情况下却得不到解析结果，需要借助计算机进行大量的数值积分计算，效率较低［3］.多元高斯声束叠加模型在多层曲界面等复杂介质的传播中可得到解析式表示［4］，因此，这种模型得到越来越多的应用.本文基于多元高斯模型，应用Matlab开发了一套超声声场仿真系统.该仿真系统可以模拟出不同探头在不同检测对象中的声场分布，并且能直观地观察到超声波在检测对象中的传播行为，其模拟出的超声波在不同界面处的传播行为与实际一致.1 多元高斯声束模型多元高斯声束模型（multi Gaussian beam method，MGB）是一种能够有效计算介质中声场分布的模型.Wen J J和Breazeale M A用10个单高斯声源的叠加来近似表征出实际声源表面的法向速度场分布［5］.它不仅能够模拟出超声波在单一介质中的声场分布，还能准确地计算超声波穿过不同介质界面时的传播行为.更重要的是，多元高斯声束模型得到的所有结果都是解析形式的，能够大大提高计算效率［6］.由瑞利积分可知，只要获得声源平面的法向振动速度，就能通过式（1）计算出空间中任意一点P0的声场声压［7］.式中，S为探头表面面积；ω为角频率；ρ为介质密度；v0为探头法向振动速度；k为介质中超声波波数，k＝2π／λ；r为声场中任一点和探头表面之间的距离.在超声检测中，探头表面所在平面就是声源平面，可看成无限大的刚性壁上固定着一个活塞型声源，声源本身做周期性振动，且其整个表面各个质点具有相同的振幅和相位［8］.对于一个半径为a，振动频率为ω的活塞型探头，振源振动速度场归一化后为这个简单计算式应用于计算圆形探头声压得不到解析结果，解决方法是采用高斯波源代替：式中，A、B为复系数.使用高斯波源模型结合近轴近似处理可以得到描述声场的解析解，高斯波源模型与实际情况不符，如图1（a）所示，探头表面法向振动速度为均匀分布而非高斯分布.此时，可以用15个优化的复高斯型函数叠加，近似表征法向速度为均匀分布的圆形活塞型源，如图1（b）所示.式中，An，Bn 为多元高斯叠加复系数［9］.图1 高斯声源示意图对式（1）中的距离r采用近轴近似处理［10］，结合多元高斯声束叠加模型，对式（1）积分可得圆形探头在单一介质中的声场分布为式中，c为介质中超声波声速；z为介质中超声波传播距离；Dr＝ka2／2为瑞利长度.对于矩形探头，其声压分布可以用两个圆形探头的乘积来表达［2］.另外，对于几何焦距为F的聚焦探头，只需要将式（5）中的Bn 修正为Bn＋ika2／（2F），就能得到聚焦探头在介质中的声场分布［10］.2 仿真系统设计根据多元高斯模型得到的声场分布解析式为基础，利用Matlab软件提供的GUI功能，设计了超声声场仿真系统.系统总体分为3大模块：参数输入模块、环境设置模块和计算结果输出模块，每个模块又由一些子模块组成，如图2所示.图2 仿真系统的组成结构参数输入模块中所输入的参数对应解析式（5）中的未知参数，以进行后续声场分布计算，输入参数见表1；环境设置模块可以设置介质层数、探头类型和界面曲率半径，这样就能够方便地模拟圆形探头、矩形探头与聚焦探头在单层介质或液固双层介质中的声场分布.双层介质情况下，可以设定固体介质传播的波型以及液固界面的曲率半径；计算结果输出模块利用上两个模块的输入与设置，可以以图像的形式直观地展示超声波在检测对象中的声场分布及在界面处的传播行为，此外，还能得到超声波传播的轴向声压曲线与某一径向距离处的径向声压曲线.表1 系统输入参数探头参数介质参数显示参数尺寸（a）密度（ρ）径向距离（y）频率（f）声速（c）显示范围焦距（F）声程（z）放大倍数通过系统界面，可以直观方便地进行参数输入、环境设置及计算输出操作，如图3所示.图3 仿真系统界面3 仿真系统应用运用所设计的超声声场仿真系统可以实现单、双层介质中超声波声场分布的可视化，使原本抽象的声场变为可见的图像，有利于直观地理解声场，进而辅助超声检测工艺参数的制定.通过仿真系统，可以方便地模拟出不同参数的探头在检测对象中的声场分布.设有3个探头T1、T2、T3，探头参数分别见表2.表2 探头参数参数探头T1 T2 T3探头类型圆形圆形矩形尺寸／mm 12.7 12.7 20×10频率／MHz 5 5 5焦距／mm ∞ 100 ∞分别模拟3个探头在钢中的声场分布，如图4所示.从图中可以清晰地看见检测对象中超声波的声场分布以及轴线上能量的变化，由图4（a）和4（b）可以看到聚焦探头所发射的超声波聚焦在轴向距离100 mm处，与其几何焦距相符，由图4（a）和4（c）可以看出圆形探头和矩形探头所发射超声波的声场分布是不同的. 图4 探头声场分布图另外，运用仿真系统，还可以实现双层介质情况下不同界面处超声波传播行为的可视化.图5分别列出了3种界面情况的超声波传播行为，其中，图5（a）为晶片直径为12.7mm，探头频率为5MHz，入射角为5°的圆形探头在水程为200mm的水钢平界面处的纵波折射现象；图5（b）和5（c）分别为声束穿过凸界面和凹界面的声场分布图，界面曲率半径为100 mm，水程为150mm.从图中可以看到超声波在界面处的传播行为，图5（a）中超声波的折射角度满足折射定律，从图5（b）和5（c）可以看出凸界面对声场有发散作用，而凹界面对声场有聚焦作用，与实际超声波传播的一般规律一致，说明该仿真系统是准确有效的.图5 超声波在界面处的传播行为4 结论本文首先建立了多元高斯模型，基于该模型计算超声波在介质中的声场分布，得到解析解，然后结合Matlab软件设计了超声声场声场仿真系统，此系统主要包括三大模块，交互界面良好，参数设置完备，操作方便.利用仿真系统可以实现探头发射声场的可视化，另外还直观显示了超声波在不同界面处的传播行为，得到以下结论：1）多元高斯模型是一种高效准确的声场分布计算模型，可以以解析式的形式对空间声场分布进行描述.2）利用多元高斯模型和Matlab软件可以设计出超声声场仿真系统，系统操作界面简单明了，运用此系统可以实现不同探头在不同介质中的声场分布模拟，并能直观地观察到超声波在探头轴线上的能量变化.3）通过仿真系统可以清晰地观察超声波在不同曲率半径界面处的传播行为，这与实际规律一致，说明该系统是准确有效的，可为超声检测中工艺参数的制定提供帮助.参考文献：［1］张元良，张洪潮.高端机械装备再制造无损检测综述［J］.机械工程学报，2013，49（7）：80-90.［2］中国特种设备检验协会组织.超声检测［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2007.［3］丁辉.计算超声学：声场分析及应用［M］.北京：科学出版社，2010. ［4］赵新玉，钢铁.非近轴近似多高斯声束模型的相控阵换能器声场计算［J］.声学学报，2008，5（33）：93-98.［5］Wen J J，Breazeale M A.A Diffraction Beam Field Expressed as the Superposition of Gaussian Beams［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1988，83：1752-1756.［6］A.Lhemery，PCalmon.Modeling Tools for Ultrasonic Inspection of Welds［J］.NDT＆E International，2000，（33）：499-513.［7］L.W.Schmerr Jr.Ultrasonic Nondestructive Evaluation Systems：Models and Measurements［M］.Springer.2007.［8］Banerjeea S，Kundu T.Ultrasonic Field Modeling in Plates Immersed in Fluid［J］.International Journal of Solids and Structures，2007，44（11）：6013-6029.［9］张俊，丁辉.核电站关键部件超声检测计算分析系统［J］.核动力工程，2009，30（6）：112-116.［10］Huang R，Schmerr Jr L W.Multi-Gaussian Beam Modeling forAnisotropic Media［J］.Research in Nondestructive Evaluation，2007（18）：193-220.。

基于声线方法的超声检测仿真软件开发

基于声线方法的超声检测仿真软件开发
孙朝明;王增勇;李建文
【期刊名称】《现代制造工程》
【年(卷),期】2014(000)005
【摘要】采用计算机仿真技术对超声检测过程进行模拟，试验成本低、有效快捷，可对特殊材料与特殊结构工件的超声检测难题进行深入分析。

使用UG开放应用程序接口和VC＋＋进行了超声检测仿真软件开发，在三维建模软件框架内分步完成相应的仿真功能，包括工件建模、探头参数设置和探头摆放等，详细介绍了声线跟踪策略及其实现。

利用仿真软件UG，对使用斜探头、直探头的超声检测进行了模拟试验分析。

结果表明，利用声线法可直观地看出超声检测的声线传播过程，对于了解检测的覆盖范围、确定检测参数和布置很有参考价值。

【总页数】5页(P56-59,20)
【作者】孙朝明;王增勇;李建文
【作者单位】中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，绵阳621900;中国工程
物理研究院机械制造工艺研究所，绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工
艺研究所，绵阳621900
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.7
【相关文献】
1.基于组件的软件开发方法在C3I系统仿真中的应用研究 [J], 舒振;张耀鸿;罗雪山
2.基于仿真的汽车电子控制器软件开发方法研究 [J], 张万福;黄影平
3.基于仿真的汽车电子控制器软件开发方法研究 [J], 杨少波
4.基于Unity3D软件开发虚拟仿真项目跨平台部署方法的研究 [J], 蔡洪涛
5.基于舰船噪声线谱特征的ETAM方法仿真研究 [J], 何心怡;蒋兴舟;李启虎
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基于CGAL与声线法的超声波声场仿真

2017年第12期信息通信2017(总第 180 期）INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.N o180)基于C G A L与声线法的超声波声场仿真李西红，杨涛(西南科技大学信息工程学院，四川綿阳621010)摘要:为了提高空气中超声波声场仿真的速度，提出一种基于CGAL(Computational Geometry Algorithms Library)与声线法的声场仿真方法。

利用高效的C G A L库模块，快速生成目标对象的ST L文件格式数据，并在OpenGL环境中读取和绘制STL格式的三维对象。

使用声线跟踪法确定声线的传播路径以及声线与接收阵列面的交点，采用插值法增加接收阵元的声线密度以逼近实际情况，对接收阵元的中心进行插值来获取超声回波响应信号。

实现了超声回波信号仿真的自动化，并且插值后接收阵元的声压更准确。

关键词:声场仿真;声线跟踪;插值法;CGAL中图分类号:TP391.4 文献标识码:A文章编号:1673-1131(2017)12-0015-04Simulation o f Ultrasonic Sound Field Based on CGAL and Ray-tracing M ethodLi Xihong,Yang TaoAbstract:In order to improve the speed of A coustic field simulation in the air,a ultrasonic simulation method based on CGAL (Computational Geometry algorithm Library)and ray-tracing is ing efficient CGAL library modules generates data of3D objects by STL file format.The3D objects of STL file format are read and drawn in the OpenGL environment.The ultrasonic propagation path and the intersection between sound ray and the receive array is identified by ray-tracing principle.The interpolation algorithm is used to increase the sound ray density of the receive array to approximate the actual situation.The echo response signal of u ltrasonic is obtained by interpolating in the receive array center.The method can realize automatic simulation of u ltrasonic echo signal,and the acoustic pressure of the receiving array is more accurate after interpolation.Key words:Acoustic field simulation;Ray-tracing;Interpolation;CGAL〇引言随着计算机技术的发展，声场仿真及其可视化的研究受到声学研究者的日益关注。

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α β
— — —点源面积。Ｓ在考虑工件中的声场时，需要考虑声束在工件和探头界面处透射和传播过程中的能量衰减。声束在界面处的能量损失可以用折射系数方程组求得
［］３
来表示，
可以通过应用界面处应力应变的连续性条件建立的；声束在传播过程中的能量损失可以
［］４
（） — — —衍射系数； γ， θ — — —入射波和衍射波的波型，对不同的波 α， β 型转换，衍射系数不相同； — — —声束在缺陷上的入射角和衍射方向的 γ， θ 观察角； — — —缺陷表面面积。本模型的算法是首先将缺陷离散，然后单独计
α β
（， — — —衍射系数； θ θ α， α） φ ， — —观察角、声束入射角和入射面倾角； θ θ α， α— φ — — —入射波和衍射波的波型； α， β — — —柱面波矢量； ∑ β α— — —衍射位移场的方向矢量。 β
似由该点切平面上的平面反射体替代，表面的任意一点都产生平面界面的反射，该点的总场强由过这
收稿日期：２００８１０２８作者简介：丁辉（，男，教授，博士，从事无损检测与结１９６１－）构完整性评定研究。
１模型的建立
根据超声检测的三个主要过程，即超声波从探头发射、在工件传播时与缺陷作用以及产生缺陷回波再被探头接收，所设计的ＵＴＣＡＳ理论模型分三步建立，即探头发射声场计算、发射声场与缺陷相互作用计算以及缺陷回波声场计算。１．１探头发射声场计算探头发射声场计算模型主要用于计算缺陷表面的声场分布，为研究声场与缺陷相互作用奠定基础。考虑探头在半无限大空间中的发射声场时，假设晶片由一系列的点源组成，每个点源向外发射单一频率的球面波 φ（，）（ Ω ˇ Ω 为计算点位置坐标， ˇ ］２为振动时刻）。由瑞利积分［，空间中任意一点 Ω 的声场表示各点源在该点产生的声压的叠加：
ｉ ∬∑ ᶄ ｅ， ∑ ᶄ ＝ ω）ｄｉｆｆ（ φ ∑ ᶄ · · ｉ ∬ （）（）ｅｓｉｎｉｎｄ γ， θ γ－ｓ θ
— —对探头表面积分；ｒ— — — —点源∑ ∑ Ｔ到 Ω 的距离； — — —声速；
— —点源位置； ∑ Ｔ—
α β
∫
（）４式中 — — —缺陷离散点传播矢量； ∑ ᶄ — —角速度； ω— — —波矢； ∬— — — — 方向单位矢量；
６１４
２００９年第３１卷第８期
丁辉等：超声检测声场计算模型的建立与仿真软件的开发
）＝ Ω， ˇ φ（式中

ｒ
ˇ－Ｔ， φ∑ ２ ∑ π
（
∑
）ｄ
一点的切平面反射特性决定。Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ近似忽略（）１了表示沿缺陷表面传播的瑞利波的二次衍射项，从而以衍射系数的形式给出散射场远场振幅φ ｄｉｆｆ和入射场的关系式：
用传播衰减因子的表达式如下：
来表示，通过Ｐｅｎｃｉｌ法计
］５算［。当工件表面为平面，工件为各向同性介质时，
２ｃｏｓ θ ｆ（）２２ｃｏｓ θ ｆｆ α 式中 ∹ — —点源到工件表面和工件的声程； ∹ ｆ— α， — —入射声速和折射声速；ｆ— α，２
［］１１
的响应与其从探头传播到缺陷的响应相同，则探头接收到的回波为：） · Ω， ˇ Ω） Ω）＝ ˈ ˈ ｒ（ｅ（ｒ（ φ ［（］（） ˇ－Δ Ω） Ω）９－Δ ᶄ（式中：和ˈ 分别为发射和接收过程的振 Ω） Ω） ˈ ｅ（ｒ（为声束从缺陷点 Ω 到探头的传播时幅衰减； ᶄ（ Ω）间。最后考虑衍射系数（和缺陷离散点衍射回 Ω）波叠加，缺陷回波的表达式为：，） ∑ ˇ ＝ｄｉｆｆ（ φ · Ω） Ω） Ω） ˈ（ ˈ（ ∫（
］６－７缺陷。依据该理论［，散射体任意点处的表面近
从点源发出的球面波或线源发出的柱面波在弧形导体边缘上的衍射，并把它作为该问题的零阶近似解，以衍射系数的形式给出裂纹尖端衍射波振幅φ ｄｉｆｆ和入射场φ ｉｎｃ的关系式：
ｉ ∬ ∑ － β β α ｅ α（，，），， ∑ ∑ ᶄ ˙） β ＝φ ω） ω）（ θφ ｄｉｆｆ（ｉｎｃ（ αθ α β φ ∑ 槡 β （）５式中（ — — —转换函数； ˙） ·
１５２００９年第３１卷第８期６
丁辉等：超声检测声场计算模型的建立与仿真软件的开发本模型是离散裂纹边缘，单独计算表面各点衍射回波，最后将各点衍射回波叠加得到缺陷回波。１．２．３夹杂回波模型裂纹回波和边缘回波模型都是基于高频近似，适用于尺寸较大的体积型和面积型缺陷，而对于尺寸＜用上述两种方法处理时误１ｍｍ的夹杂缺陷，差较大，故引入基于低频近似的波恩近似理论来建立声场与缺陷相互作用模型
超声检测声场计算及模拟以其能够提高对超声回波产生机理及超声成像的理解，降低实验研究成性能验本的优点而广泛应用于检测结果辅助分析、证和工艺设计、人员培训等。美国、法国和瑞典等国家都较早开展了超声检测数值模拟的理论研究，并如Ｃ，已开发出较成熟的超声仿真软件，ｉｖａｓｉｍ其中ＣＳＵＮＤＴ，ｉｍａｉｎｅ３Ｄ和ＵＴｓｉｍ等，ｉｖａ已作ｇ［］１为商用软件得到较广泛的应用。笔者以超声声学理论为基础，自主研发了超声检测计算分析系统，介绍了ＵＵＴＣＡＳＴＣＡＳ理论模型的建立和算法，以及计算结果的验证与应用。
（ ∑ ＝ ∹ ｆ＋∹ Ｔ） α
（
α
）（
∹ ｆ＋∹ α
α
）
算每个缺陷点所产生的衍射回波，最后将所有离散点产生的回波叠加得到缺陷回波。然而Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ近似忽略了二次衍射项，不能计算沿裂纹表面传播的瑞利波产生的衍射回波。１．２．２边缘回波模型基于几何衍射理论（的高频近似模型可ＧＴＤ）作为裂纹回波模型的补充，用于处理裂纹尖端衍射。当主声束无法由探头接收时，接收到的缺陷信号主入射声束首要是由裂纹两个尖端产生的衍射回波，先在近端衍射，产生衍射回波和沿裂纹表面传播的瑞利波，瑞利波在远端再次衍射产生远端衍射回波。
材质为各向异性或多层介当考虑表面为曲面、质的工件的声场时，只需要将相应的传播衰减因子带入式（）即可。３由于采用点源叠加方法，该模型可以模拟任意如聚焦探头、双晶探头和相控阵探探头的发射声场，头等；可以模拟声场在任意复杂界面处的反射和透射以及在任意介质中的传播（如各向异性和非均质介质等）。１．２声场与缺陷相互作用目前常见缺陷主要归结为两类，即体积型缺陷（气孔、夹杂和未焊透等）和面积型缺陷（裂纹和未熔合等）。为了提高模拟精度和速度，笔者基于不同的近似理论，建模实现相应的声场与缺陷作用模拟。１．２．１裂纹回波模型基于基尔霍夫近似（）的高频近似模Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ型，用于处理各种体积类缺陷（不含夹杂）和裂纹类
（）ＴＧ１１５．２８Ａ文章编号：１０００６６５６２００９０８０６１４０５中图分类号：文献标志码：
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