陈丹等：金属材料内部非金属夹杂超声检测的数值模拟 ·949· 40 30 (a) 尤缺陷处 缺陷处 20 2 10 0 -10 -10 -20 -20 -30 -30 -40 -40 50 -50 -60 -60 50 1000 15002000 2500 500 1000 1500 20002500 时间/s 时s 图9实验波形对比.(a)无缺陷：(b)有缺陷 Fig.9 Experimental waveform comparison:(a)without flaw:(b)with flaw [5]Ogilvy J A.A model for the effects of inclusions on ultrasonie in- 4 结论 spection.Ultrasonics,1993,31(4):219 [6]Darmon M,Calmon P,Bele B.Modelling of the ultrasonic re- 通过建立包含夹杂物缺陷的二维钢板模型，采用 sponse of inclusions in steels /AlP Conference Proceedings.Bell- 有限元数值模拟的方法，对具有不同属性夹杂物和不 ingham,2003:101 同深度夹杂物的材料内部超声波场、超声回波时域波 7]Aggelis D G.Numerical simulation of surface wave propagation in 形、界面波、夹杂物缺陷回波和底面回波频谱分布进行 material with inhomogeneity:inclusion size effect.NDT E Int, 2009,42(6):558 了研究.对于尺寸为0.2mm×1.5mm的大型夹杂物 8]Dattal D,Kishoret NN.Features of ultrasonic wave propagation to 而言，采用中心频率为10MHz的超声波探头，可以获 identify defects in composite materials modeled by finite element 得有效的夹杂物回波信号，实现夹杂物的定位，从而为 method.NDT&E/m,1996,29(4):213 工业上采用中低频探头检测材料内部大尺寸夹杂物及 9]Liu D S,Chiou DY.Modeling of inclusions with interphases in 其成像提供可靠依据和指导.具体结论如下： heterogeneous material using the infinite element method.Comput Mater Sci,2004,31(3-4):405 (1)对不同属性夹杂物的超声检测，在时域波形 0] Autrique J C,Magoules F.Studies of an infinite element method 和频域波形上都会引起超声波形的显著变化.夹杂物 for acoustical radiation.Appl Math Modell,2006,30(7):641 与基体材料的声阻抗差异越小，通过时域和频域波形 01] Wang X D,Huang G L.Identification of embedded cracks using 进行检测的难度越大，声阻抗差异的大小是影响夹杂 back-propagating elastic waves.Inperse Pro,2004,20(5):1393 D2] 物检测的重要因素 Higdon R L.Absorbing boundary conditions for difference ap- proximations to the multi-dimensional wave equation.Math Com- (2)不同属性夹杂物对超声波的敏感频率不同. put,1986,47(176):437 与没有夹杂物时相比，夹杂物的存在使得底面回波各 03] Rose J L.Ultrasonic Wares in Solid Media.Cambridge:Cam- 频率成分的幅值均有所降低 bridge University Press,2004 (3)对不同深度夹杂物的检测，在界面波和底面 [14]Sun J G,Li S G,Li S B,et al.The transducer study of ultrason- ic in solid by finite element simulation.Sens World,2008,14 回波之间会有明显的夹杂物回波，在频谱分布上会引 (3):10 起底面回波的峰值劈裂，近表面夹杂物还会引起界面 (孙继华，李书光，李树榜，等.有限元模拟固体中超声传播 波频谱的峰值劈裂. 的换能器研究.传感器世界，2008,14(3)：10) 05] Ying C F.Zhang S Y,Shen J Z.Ultrasound Scattering in Sol- 参考文献 ids.Beijing:Defense Industry Press,1994 Zhang Y,Wu JF,Miu L D.Research progress in analysis of non- (应崇福，张守玉，沈建中超声在固体中的散射.北京：国 metallic inclusions in steel.Baosteel Technol,2008(2):35 防工业出版社，1994) (张毅，郭君飞，缪乐德.钢中非金属夹杂物的分析研究进 [16]Shi Y W.Ultrasonic Testing.Beijing:Machinery Industry Press, 展.宝钢技术，2008(2)：35) 2005 Jiang X S.Nonferrous Inclusion in Steel.Beijing:Metallurgy In- (史亦伟.超声检测.北京：机械工业出版社，2005) dustry Press,2011 [17]Liu D,Tumer JA.Ultrasonic backscatter in two-phase media (姜锡山.钢中非金属夹杂物.北京：治金工业出版社， and its dependency on the correlation function /Proceedings of 2011) Meetings on Acoustics.Hong Kong,2012:045004 B]Zhang L,Thomas B G.State of the art in evaluation and control of 18] QiF,Chen JJ,Wang R T.The opposite phase superposition steel cleanliness.IS//Int,2003,43(3):271 method of decreasing blind zone in ultrasonic detection.Tech 4]Atkinson H V,Shi G.Characterization of inclusions in clean Acoust,2011,30(4):325 steels:a review including the statistics of extremes methods.Prog (齐飞，陈品品，王润田.反相叠加减小超声检测盲区的方 Mater Sci,2003,48(5):457 法.声学技术，2011,30(4)：325)陈 丹等: 金属材料内部非金属夹杂超声检测的数值模拟 图 9 实验波形对比． ( a) 无缺陷; ( b) 有缺陷 Fig． 9 Experimental waveform comparison: ( a) without flaw; ( b) with flaw 4 结论 通过建立包含夹杂物缺陷的二维钢板模型，采用 有限元数值模拟的方法，对具有不同属性夹杂物和不 同深度夹杂物的材料内部超声波场、超声回波时域波 形、界面波、夹杂物缺陷回波和底面回波频谱分布进行 了研究． 对于尺寸为 0. 2 mm × 1. 5 mm 的大型夹杂物 而言，采用中心频率为 10 MHz 的超声波探头，可以获 得有效的夹杂物回波信号，实现夹杂物的定位，从而为 工业上采用中低频探头检测材料内部大尺寸夹杂物及 其成像提供可靠依据和指导． 具体结论如下: ( 1) 对不同属性夹杂物的超声检测，在时域波形 和频域波形上都会引起超声波形的显著变化． 夹杂物 与基体材料的声阻抗差异越小，通过时域和频域波形 进行检测的难度越大，声阻抗差异的大小是影响夹杂 物检测的重要因素． ( 2) 不同属性夹杂物对超声波的敏感频率不同． 与没有夹杂物时相比，夹杂物的存在使得底面回波各 频率成分的幅值均有所降低． ( 3) 对不同深度夹杂物的检测，在界面波和底面 回波之间会有明显的夹杂物回波，在频谱分布上会引 起底面回波的峰值劈裂，近表面夹杂物还会引起界面 波频谱的峰值劈裂． 参 考 文 献 ［1］ Zhang Y，Wu J F，Miu L D． Ｒesearch progress in analysis of non￾metallic inclusions in steel． Baosteel Technol，2008( 2) : 35 ( 张毅，邬君飞，缪乐德． 钢中非金属夹杂物的分析研究进 展． 宝钢技术，2008( 2) : 35) ［2］ Jiang X S． Nonferrous Inclusion in Steel． Beijing: Metallurgy In￾dustry Press，2011 ( 姜锡山． 钢 中 非 金 属 夹 杂 物． 北 京: 冶 金 工 业 出 版 社， 2011) ［3］ Zhang L，Thomas B G． State of the art in evaluation and control of steel cleanliness． ISIJ Int，2003，43( 3) : 271 ［4］ Atkinson H V，Shi G． Characterization of inclusions in clean steels: a review including the statistics of extremes methods． Prog Mater Sci，2003，48( 5) : 457 ［5］ Ogilvy J A． A model for the effects of inclusions on ultrasonic in￾spection． Ultrasonics，1993，31( 4) : 219 ［6］ Darmon M，Calmon P，Bele B． Modelling of the ultrasonic re￾sponse of inclusions in steels / / AIP Conference Proceedings． Bell￾ingham，2003: 101 ［7］ Aggelis D G． Numerical simulation of surface wave propagation in material with inhomogeneity: inclusion size effect． NDT ＆ E Int， 2009，42( 6) : 558 ［8］ Dattal D，Kishoret N N． Features of ultrasonic wave propagation to identify defects in composite materials modeled by finite element method． NDT ＆ E Int，1996，29( 4) : 213 ［9］ Liu D S，Chiou D Y． Modeling of inclusions with interphases in heterogeneous material using the infinite element method． Comput Mater Sci，2004，31( 3--4) : 405 ［10］ Autrique J C，Magoulès F． Studies of an infinite element method for acoustical radiation． Appl Math Modell，2006，30( 7) : 641 ［11］ Wang X D，Huang G L． Identification of embedded cracks using back-propagating elastic waves． Inverse Probl，2004，20( 5) : 1393 ［12］ Higdon Ｒ L． Absorbing boundary conditions for difference ap￾proximations to the multi-dimensional wave equation． Math Com￾put，1986，47( 176) : 437 ［13］ Ｒose J L． Ultrasonic Waves in Solid Media． Cambridge: Cam￾bridge University Press，2004 ［14］ Sun J G，Li S G，Li S B，et al． The transducer study of ultrason￾ic in solid by finite element simulation． Sens World，2008，14 ( 3) : 10 ( 孙继华，李书光，李树榜，等． 有限元模拟固体中超声传播 的换能器研究． 传感器世界，2008，14( 3) : 10) ［15］ Ying C F，Zhang S Y，Shen J Z． Ultrasound Scattering in Sol￾ids． Beijing: Defense Industry Press，1994 ( 应崇福，张守玉，沈建中． 超声在固体中的散射． 北京: 国 防工业出版社，1994) ［16］ Shi Y W． Ultrasonic Testing． Beijing: Machinery Industry Press， 2005 ( 史亦伟． 超声检测． 北京: 机械工业出版社，2005) ［17］ Liu D，Turner J A． Ultrasonic backscatter in two-phase media and its dependency on the correlation function / / Proceedings of Meetings on Acoustics． Hong Kong，2012: 045004 ［18］ Qi F，Chen J J，Wang Ｒ T． The opposite phase superposition method of decreasing blind zone in ultrasonic detection． Tech Acoust，2011，30( 4) : 325 ( 齐飞，陈晶晶，王润田． 反相叠加减小超声检测盲区的方 法． 声学技术，2011，30( 4) : 325) · 949 ·