摘要
在碳中和、碳达峰的时代大背景下，聚乙烯管道除了良好的服役性能外，在生产、运行、能耗及维护费用等方面也均优于金属管道，聚乙烯管道的需求量仍在增加。超声相控阵检测技术作为一种较为前沿的无损检测手段，具有便捷、无需安全防护、成像直观等优点，已成为评价聚乙烯管道质量的首选方法。超声相控阵检测缺陷仿真技术能够模拟出缺陷经超声相控阵检测的成像结果，对识别实际检测图像中的缺陷类型有重要的指导意义。然而，目前通用的超声相控阵检测缺陷仿真技术未能在考虑声衰减和声频散的同时，考虑超声信号在检测过程中发生的多次反射和透射作用，模拟结果的准确性较低，且仿真技术仅能模拟出几何形貌规则的缺陷检测结果，适用范围较小。 本文在“雏鹰计划”培育项目（资助编号：CY2022002）和亚大塑料制品有限公司项目（项目编号：校合-2021-KYY-533005-0021）的资助下，研究了声衰减和声频散对超声相控阵检测的影响机理、聚乙烯超声相控阵检测缺陷仿真模型、以及模型对不规则缺陷和超声信号多次回波的仿真效果，主要完成的工作如下： （1）提出了一种分析聚乙烯声衰减和声频散特性对相控阵检测影响机理的数值计算方法。通过对比仅声衰减为变量、仅相速度为变量、声衰减和相速度均为变量三种情况的波形差异，确定了随检测距离的增加，聚乙烯的声衰减会使频谱逐渐向低频移动；聚乙烯声频散会使信号能量逐渐向前半波形聚集。以中心频率为2.0MHz，-6dB带宽为50%的复合频率检测信号为例，对比了三种情况下相控阵焦点合成信号。结果表明，使用仅声衰减为变量或仅相速度为变量来进行聚乙烯相控阵检测缺陷仿真，两种方式的最大有效范围不超过14mm和22mm。当模拟更厚的聚乙烯管超声相控阵缺陷检测时，必须同时考虑声衰减和声频散的影响。 （2）推导了考虑聚乙烯声衰减和声频散特性的单频超声波波动方程，通过将复合频率超声信号分解为多个单频信号，计算并叠加各单频信号的传播规律，等效为复合频率信号的传播规律。在此基础上，对比有无考虑聚乙烯声衰减和声频散特性下超声相控阵检测孔洞缺陷的模拟效果，结果表明，当考虑PE声衰减和声频散特性时，模拟结果与试验检测结果更接近，焦点所在深度的孔洞缺陷信号幅值偏差为11.77%。 （3）探究了缺陷仿真方法对不规则缺陷和多次回波的仿真效果。针对不规则缺陷，选择椭圆缺陷作为研究对象，对比不同长径比椭圆缺陷的相控阵检测实验结果和模拟结果，缺陷仿真能模拟出不同长径比椭圆缺陷相控阵检测成像的差异和伪像特征，且能通过缺陷成像的水平尺寸反映椭圆缺陷的实际尺寸。针对多次回波，将电阻丝成像特征作为主要研究对象，通过模拟单根电阻丝和规格为dn63的聚乙烯电熔接头的相控阵检测结果，说明缺陷仿真方法能模拟出超声信号在电阻丝内部的多次反射和透射，且可以准确地模拟出电熔接头相控阵检测结果中的电阻丝成像特征。
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