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1、结题报告项目名称波叠前偏移聚焦式超声波换能器研制项目类别工学负 责 人柯熠院（系）材料学院 焊接技术与工程系年级专业焊接工程与技术联系电话18745033734电子信箱编号：哈尔滨工业大学国家大学生创新性实验计划申请书 项目名称波叠前偏移聚焦式超声波换能器研制项目类别工学负 责 人院（系）年级专业联系电话电子信箱指导教师所在院（系）联系电话电子信箱哈尔滨工业大学教务处制表填表日期： 年 月 日课题名称波叠前偏移聚焦式超声波换能器研制负责人简况姓 名院（系）专业学 号联系电话拟定指导教师简况姓 名所在院（系）职 称联系电话姓 名所在院（系）职 称联系电话课题来源科研 教学 设计 工程 自选 其他
2、 （ 科研 ）课题类别 工学 理学 文学 管理 经济 其他 （ 工学 ）合作者情况姓 名性别出生年月院（系）班 级1、项目简介（300-500字左右）超声TOFD法是基于接收缺陷端部的衍射信号进行检测的方法，是无损检测方法。和传统的脉冲反射波法检测的信号相比较，衍射波为弱信号。虽然TOFD法不以回波信号幅值作为缺陷定量表征的判据，但是在低增益条件下微弱的信号幅值影响了缺陷的有效检出。为了便于观测TOFD法检测的弱衍射信号，检测系统通常要在高增益条件下工作。系统的高增益工作状态会给检测信号带来很大的系统噪声干扰；同时，焊缝区各向异性的复杂结构也给检测信号带来结构噪声，这都使缺陷表征变得困难。解决
3、噪声问题，可以利用成熟的硬件滤波技术。但当噪声频谱和信号频谱重叠，或噪声幅度接近或大于信号幅度时，硬件滤波有可能使信号失真严重。因此，基于软件的数字滤波技术日益受到人们关注。目前已有多种噪声消除算法，如傅立叶变换法、卡尔曼滤波法、自适应滤波等，它们滤波效果较好，但也存在明显不足。因此，噪声抑制，尤其对未知特性噪声的有效抑制是信号处理领域公认的难点，也一直以来都是信号及图像处理研究人员关注的热点。而随着新型无损检测技术的发展，将地震偏移成像技术引入工程结构损伤检测中，能克服传统无损检测技术的诸多缺点和不足，可以通过改善换能器来改善超声TOFO的检测能力。本课题中即是通过设计一种新的楔块，来改善换
4、能器，进而改善超声TOFO的检测能力。2、申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣等）（1）技术发展的需求当前，针对提高超声TOFD法检测回波信号信噪比的这一问题，目前主要有两种途径。首先是利用成熟的硬件滤波技术。但当噪声频谱和信号频谱重叠，或噪声幅度接近或大于信号幅度时，硬件滤波有可能使信号失真严重。因此，基于软件的数字滤波技术日益受到人们关注。目前已有多种噪声消除算法，如傅立叶变换法、卡尔曼滤波法、自适应滤波等，它们滤波效果较好，但均存在明显不足。（2）自身发展需要创新是社会发展和国家进步的强大动力，培养有创新精神的人才，也是各个高校发展的重要目标。国家政府以及教育部门对培养学生
5、的创新精神也高度重视。为顺应社会发展潮流，我们当代大学生也应注重自己创新精神的培养。大学生创新性实验计划是国家培养大学生创新精神的重要手段，也为大学生提供了一个锻炼自我、提高自我的平台。我们自身更应积极投入到这个计划中来，培养自己的创新能力，为以后的发展打下良好基础。（3）自身知识储备条件目前，本小组已经对焊缝无损检测有了一定的认识，了解了如何利用超声波衍射时差法来扫描焊缝缺陷，并且2011年在相关方面进行过研究，并取得了一定的成果，因此对超声的原理特性及应用有很大的好奇心，并有深入研究的热情和意愿。超声波衍射时差法有赖于超声波与缺陷端部的相互作用，从而在较大的角度范围内发射衍射波，利用探头检
6、测出衍射波就能确定缺陷的存在。所记录的信号的传播时间差就是缺陷高度的量值, 从而对缺陷进行定量。本小组已对所制作楔块材料的物理化学性质有所了解，并且知道了超声波在不同介质中的传播情况。（4）学习与科研协调学习的最终目的是为了应用，应用的基础是有足够丰富的知识。在研究中不断地应用所学知识，将知识活学活用；在学习基础知识时，因为有了研究目的，也更加有动力。学习与研究相互促进，共同进步。在研究所锻炼一年后，我们都已经能够很好的处理本科基础知识学习和科研的关系，合理地安排时间和进度，完全有能力保证创新研究与本科生学习协调发展。基于以上原因，我们拟定了波叠前偏移聚焦式超声波换能器研制的课题，并且有义务、
7、有兴趣、有时间、有能力完成课题的相关任务。3、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其他有关背景材料）3.1超声TOFO无损检测的重要性无损检测技术已经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品为5%，国防、宇航、原子能产品为12%-18% ，火箭为20%。例如，德国奔驰公司汽车几千个零件经过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争能力：日本小汽车生产中30%零件采用无损检测后质量迅速超
8、过美国。德国科学家认为，无损检测验技术是机械工业的四大支柱之一。美国前总统里根曾说:“没有先进的无损检测技术，美国就不可能享有在众多领域的领先地位”。目前，工程结构常用的无损检测方法各有所长，也各有局限性。例如:早期的回弹法只能测得构件表层的质量状况，而内部情况则无法得知，这便限制了其应用范围;超声波法既可以用于材料强度的检测，也可以用于构件缺陷的检测，但其对平面型缺陷较敏感，因此对裂纹、未熔合等长条类缺陷的检出率较高，而对体积状缺陷的检出率较低;雷达法受钢筋等材料的低阻屏蔽作用影响较大，且仪器本身价格昂贵，故实际工程上应用的并不多，主要用于确定钢筋位置及成像;冲击回波法主要用于构件厚度和裂缝
9、等缺陷;红外热像法对材料近表面的缺陷、层状结构的分层缺陷比较敏感，不适用于体量较大的工程结构内部质量状况的检测，但对于构件表层的损伤状况较为敏感;声发射法主要用于构件受力破坏过程的监视，用以确定构件的受力历史和损伤程度，但是，该检测方法只能被动地探测到结构的损伤，对结构内部原先故有的损伤则显得无能为力;超声CT技术具有方便、安全、经济等优点，但由于作为探测源的声波在穿过被测构件内部时会发生折射、反射、散射等现象。进行图像重建是非几何光学图像重建，尚有许多技术问题有待研究解决。将地震偏移成像技术引入工程结构损伤检测，不仅能够实现单面检测，并可以克服传统结构损伤检测方法，如超声波法、冲击回波法、声
10、发射法、红外热像法对内部缺陷探测不明显的不足。利用该技术可以确定混凝土结构损伤的程度和分布状况，从而进行安全评估。在地震勘探中，激励地震波震源的方式有锤击震源、炸药震源、雷管震源、电火花震源等。在浅层地震中常选用锤击和炸药震源;在井中、水上一般采用电火花等震源。地震波的中心频率一般在1(X)F吃左右，用于接收地震波的传感器叫做地震检波器，常用的地震检波器一般分为电磁式(用于陆地工作)和压电式(用于海洋和沼泽工作)两种。在地震勘探中，由于检测层较厚，因此需要激发和接收频率低、衰减慢的低频声波达到检测之目的，但是随之而来的外界行人、行车以及工业电的干扰，尚需要滤波处理。而在混凝土结构损伤检测中，由
11、于结构材料较之地质材料密实，其检测层比地震勘探检测层薄很多，通过激发和接收超声波便可达到检测之目的，同时也消除了低频声波的干扰。在一般的混凝土构件超声波检测中，我们常用的是低频超声波(一般采用20kHz一20()kIz)，低频超声波具有衰减小、传播距离远的优点，但同时其指向性较差，再加上沿途产生多次的反射和折射，以及波型转换，这些众多复杂的波，以不同的相位、不同的路径进行叠加，接收到的信号十分复杂，达不到预期检测的目的。而叠前偏移成像技术需要波形尖锐的反射波叠加成像，方能达到满意的成像分辨率和精度;所以通过提高激励波的频率来获取指向性较好，能量较高的激励波信号。高频信号的增加，势必会引起波的衰
12、减严重。所以需要合理选择一个激励频率。工程结构中实际检测情况与地震勘探最大的差别在于工程中被检测构件不能被认为是一个半无限大体，在侧面边界会产生反射现象，同时由于激励波信号在侧向遭遇非目标缺陷或大直径颗粒的反射而形成的干扰信号，使得传感器将接收到多个不同方向的信号。显然，来自侧向的反射信号将对普通传感元件接收的信号产生很大的千扰，直接影响测量结果的准确性。由于叠加偏移成像技术是基于波的叠加理论，获取频带宽、波形尖锐的反射波信号，也同样成为一个提高偏移成像分辨率的关键因素之一。检测剖面非目标缺陷在综合考虑工程结构和地质构造的不同之处，研制出工程结构损伤检测叠前偏移成像技术专用换能器应用于工程结构
13、损伤检测中，使得驱动器能够激振产生方向性更强的询问应力波，传感器能够对不同方向的应力波具有不同的响应特性，从而从主动和被动两个方面有效滤除杂波干扰，提高信噪比，进而提高成像分辨率。理想换能器的选择和研制，不仅在应力波叠前偏移成像技术中有着重要的影响，而且在工程结构损伤检测中也有着十分重要的意义。3.2 超声TOFO中的换能器和信噪比随着新型无损检测技术的发展，将地震偏移成像技术引入工程结构损伤检测中，能克服传统无损检测技术的诸多缺点和不足，在工程中有着极其重要的应用价值。而工程结构和地质构造有着很大的差别，因而会遇到一些新的问题。其中如何减少侧向反射波的干扰，获取频带宽、波形尖锐的反射波信号，
14、进而提高信噪比，成为当前垦待解决的一个问题。而用于此技术中的换能器是其中的关键器件，理想换能器的选择，将对解决以上问题，提高信噪比有很大帮助。因此理想换能器的选择和研制，成为提高信噪比研究的重点。超声换能器又称超声探头,是超声检测设备中最关键的器件。我国超声探头的研制和生产能力已十分强大。现在,除普通探头已系列化外,为适应各种特殊需要的超声探头的研制也已获得较大的发展,如宽带窄脉冲超声探头的制造技术日趋成熟,为减小检测盲区、提高检测分辨力提供保证这种探头与高分辨力超声检测 仪器配合使用,特别有利于复合材料结构的无损检测。高频超声探 头的工作频率已能高达100 M Hz,可实现微米量级缺陷的高精度、高分辨力超声检测。超声检测复合压电材料换能器已有一定生产能力。超声探头特性的研究更厂泛和深人,单聚焦、双向聚焦探头发射声束特性也有较深人研究,其它如纵波双晶探头、横波双晶探头、纵横波双晶探头等也有很大的发展。超声波换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶体换能器两类。属于磁致伸缩的有镍片换能器和铁氧体换能器。铁氧体换能器的电声转换效率比较低，一般使一、二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力;镍片换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以至今很少使用。目前，广泛使用压电晶体换能器。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老化。常用的材料有石英晶体、钦酸钡和错钦酸铅(简称Pz
