計算超聲學

前言

我自1978年步人材料與檢測專業(yè)至今已三十余年。春華秋實，學生已獨挑大梁，多有建樹。通過年復一年的教學科研積累，感覺對一些專業(yè)領域知識已吃透并能熟練掌握和應用，但也有一些一直纏繞心頭的疑惑和困擾，最突出的一例就是作為常規(guī)無損檢測之首的超聲檢測聲場及缺陷回波信號的判定。目前，即便是最專業(yè)的檢驗人員也是憑經(jīng)驗在做評定，面對復雜的檢測系統(tǒng)，往往無能為力。與檢測界的同行們交流時，大家也都認識到超聲檢測技術發(fā)展的關鍵是解決超聲波在工件中的“蹤跡”問題，“尋蹤”已成為超聲檢測理論和應用研究的一個共性問題。2003年，在和中國廣東核電集團束國剛先生探討核電站關鍵部件超聲檢測時，我們共同認識到，要提高超聲檢測的可靠性，必須把握聲場在工件中的傳播及聲場與缺陷相互作用的規(guī)律，建立超聲聲場及回波信號與工件結構、材質(zhì)、缺陷類型、位置、尺寸、取向的定量關系。其后，雙方抱著“波行天下，必尋其蹤”的信心和決心，共同開展計算超聲學的研究，開始了艱難的“尋蹤”旅程?，F(xiàn)在回頭看，不僅達成了預期的目標，成果也應用到核電等其他領域。本書的內(nèi)容主要來源于以上的工作。一門技術成熟或上升到科學的最基本、最顯著的標志是其進入了誤差很小的定量化階段。計算超聲學的形成和應用，極大豐富了超聲波檢測技術的理論與應用基礎，將其提升為一門有堅實的科學理論支撐的實用技術，成為獨立于聲學、材料學、計算機科學之外的一個新的科學分支。計算超聲學主要研究聲場問題數(shù)學上的處理，基于定量化和數(shù)字化的超聲聲場計算與分析模擬是其核心內(nèi)容，實用化的超聲聲場計算軟件開發(fā)是工作重點。計算超聲學的生命力在于眾多的無損檢測工作者能夠掌握與應用，成為解決眾多工程實際問題的重要手段，而不是讓他們望而生畏的象牙塔，只被少數(shù)理論研究者讀懂和使用。故本書的編寫力求在開展計算超聲學理論基礎研究的同時，側重聲場的分析與應用，著重介紹近似且簡單的方法，同時列舉了一些無損檢測中經(jīng)常遇到的實際問題的解決實例。本書附錄還提供了8個涉及主要聲場計算方法和應用的計算程序，方便大家掌握和使用。

內(nèi)容概要

本書主要研究聲場問題數(shù)學上的處理，重點介紹了探頭發(fā)射聲場的建模與應用、聲波在各向異性介質(zhì)中的傳播、缺陷與聲波的相互作用及散射回波的計算與應用等計算超聲學基礎，同時介紹了表面波和相控陣、導波、TOFD、檢測可靠性評價等新技術中的超聲計算與應用。本書內(nèi)容上側重聲場的分析與應用，方法上著重使用近似且簡單的方法，列舉了一些無損檢測中經(jīng)常遇到的實際問題的解決實例。本書附錄還提供了8個涉及主要聲場計算方法和應用的計算程序，方便大家掌握和使用。    本書可供無損檢測及相關專業(yè)研究生、科研人員在學習和研究時使用，也可作為從事無損檢測的技術人員的培訓或輔助教材。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  背景  1.2  方法    1.2.1  解析法    1.2.2  數(shù)值法    1.2.3  半解析法  1.3  發(fā)展前景第2章  探頭的發(fā)射聲場  2.1  聲場基本方程    2.1.1  固體介質(zhì)的波動方程    2.1.2  流體介質(zhì)的波動方程    2.1.3  聲束在界面處的透射和反射  2.2  角譜法    2.2.1  角譜法計算液體中的聲場    2.2.2  角譜法計算液固界面透射聲場    2.2.3  應用實例  2.3  瑞利積分法    2.3.1  瑞利積分一般公式    2.3.2  Pencil法    2.3.3  瑞利積分法計算界面透射聲場    2.3.4  應用實例  2.4  多元高斯疊加法    2.4.1  近軸方程    2.4.2  單高斯聲束的傳播    2.4.3  多元高斯聲束疊加計算探頭發(fā)射聲場    2.4.4  應用實例  2.5  離散點源法    2.5.1  DPSM的基本理論    2.5.2  應用實例  2.6  彈性動力學有限積分法    2.6.1  EFIT一般公式    2.6.2  非均質(zhì)介質(zhì)的網(wǎng)格離散    2.6.3  立用實例  2.7  有限差分法    2.7.1  差分格式    2.7.2  固體聲場方程的差分展開    2.7.3  應用實例  2.8  有限元法    2.8.1  有限元方程與求解    2.8.2  應用實例第3章  各向異性介質(zhì)中超聲波的傳播  3.1  各向異性介質(zhì)  3.2  多元高斯聲束疊加法    3.2.1  均質(zhì)各向異性介質(zhì)    3.2.2  多層各向異性介質(zhì)  3.3  瑞利積分法  3.4  射線追蹤法    3.4.1  步進追蹤    3.4.2  計算實例  3.5  有限差分法第4章  缺陷與結構散射聲場  4.1  規(guī)則體的散射    4.1.1  空心圓柱散射    4.1.2  球形體散射    4.1.3  平面邊緣衍射  4.2  基于近似理論的散射模型    4.2.1  基爾霍夫近似    4.2.2  波恩近似  4.3  散射問題的數(shù)值解    4.3.1  有限差分法    4.3.2  有限元法    4.3.3  邊界元法    4.3.4  彈性有限積分法第5章  超聲表面波檢測  5.1  表面波的振動與激發(fā)    5.1.1  表面波的振動方程    5.1.2  表面波的激發(fā)源  5.2  半解析法  5.3  表面波的數(shù)值解    5.3.1  有限差分法    5.3.2  有限元法第6章  超聲導波  6.1  頻散方程    6.1.1  板導波    6.1.2  管導波    6.1.3  各向異性介質(zhì)中的導波  6.2  模態(tài)分解法  6.3  有限元法    6.3.1  板導波    6.3.2  管導波    6.3.3  復雜結構導波  6.4  邊界元法    6.4.1  邊界元法和簡正模態(tài)展開法混合模型    6.4.2  應用實例  6.5  半解析有限元法    6.5.1  SAFE理論    6.5.2  應用實例    6.5.3  基于SAFE和互易原則的導波回波計算第7章  超聲衍射時差檢測  7.1  TOFD檢測原理  7.2  GTD理論    7.2.1  衍射法則    7.2.2  邊緣衍射系數(shù)  7.3  聲線法  7.4  半解析法    7.4.1  背散射的簡化    7.4.2  衍射模型瞬態(tài)公式    7.4.3  衍射與接收過程  7.5  有限元法第8章  超聲相控陣  8.1  超聲相控延遲法則  8.2  半解析法    8.2.1  瑞利積分法    8.2.  2高斯法  8.3  數(shù)值法第9章  生物組織中的超聲傳播  9.1  生物組織聲學特性  9.2  生物組織解析法分析    9.2.1  非均勻連續(xù)模型    9.2.2  分離散射子模型    9.2.3  分層介質(zhì)模型  9.3  骨骼的數(shù)值分析  9.4  多普勒法第10章  超聲成像算法  10.1  彈性成像算法  10.2  傅里葉成像算法  10.3  合成孔徑算法  10.4  三維成像算法第11章  計算超聲軟件及應用  11.1  CIVA    11.1.1  軟件介紹    11.1.2  應用情況  11.2  Imagine3D    11.2.1  軟件介紹    11.2.2  應用情況  11.3  simSUNDT    11.3.1  軟件介紹    11.3.2  應用情況  11.4  Vitual NDE    11.4.1  軟件介紹    11.4.2  應用情況  11.5  超聲仿真的其他軟件    11.5.1  UTSIM    11.5.2  Wave3000 Pro第12章  基于實時計算的超聲檢測虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)  12.1  系統(tǒng)的框架與結構  12.2  虛擬現(xiàn)實場景模塊    12.2.1  虛擬場景構建    12.2.2  虛擬超聲儀構建  12.3  實時計算模塊    12.3.1  探頭發(fā)射聲場計算    12.3.2  聲場與缺陷相互作用    12.3.3  回波聲場計算  12.4  系統(tǒng)的應用    12.4.1  系統(tǒng)培訓功能    12.4.2  回波分析    12.4.3  檢測工藝驗證第13章  無損檢測可靠性分析  13.1  可靠性概率統(tǒng)計模型    13.1.1  hit/miss型數(shù)據(jù)模型    13.1.2  信號響應型數(shù)據(jù)模型    13.1.3  95％置信下限  13.2  可靠性模型的參數(shù)估計    13.2.1  hit/miss型數(shù)據(jù)模型的參數(shù)估計    13.2.2  信號響應型數(shù)據(jù)模型的參數(shù)估計  13.3  基于可靠性分析的檢測工藝評定與優(yōu)化    13.3.1  基于數(shù)值模擬的現(xiàn)場工藝可靠性評定    13.3.2  基于綜合參數(shù)分析的TOFD檢測工藝優(yōu)化    13.3.3  人員可靠性分析  13.4  風險指引型在役檢查    13.4.1  計算公式    13.4.2  數(shù)值算例附錄1  瑞利積分計算聲場附錄2  高斯法計算聲場附錄3  基爾霍夫系數(shù)附錄4  波恩系數(shù)附錄5  GTD衍射系數(shù)附錄6  相控陣附錄7  信號響應模型計算程序附錄8  log-odds模型計算程序

章節(jié)摘錄

插圖：目前邊界元法多用于導波計算，只需要在波導和結構的缺陷邊界劃分網(wǎng)格節(jié)點。而對于導波檢測而言，介質(zhì)中經(jīng)常存在多種導波模態(tài)，所以常常引入簡正模態(tài)展開法和邊界元一起求解導波散射問題。簡正模態(tài)展開法的基本思想是將原函數(shù)展開成具有完備性和正交性的特征函數(shù)的疊加形式，特征函數(shù)的完備性可保證展開式的合理性，正交性用于求解展開后各項的振幅系數(shù)。彈性動力學有限積分技術是德國學者首先提出的一種主要用于模擬非均質(zhì)介質(zhì)超聲波檢測的數(shù)值計算方法。EFIT的基本思想是將介質(zhì)離散成交錯的網(wǎng)格，計算每個單元的體積和表面積分以及應力速度關系式，并假設每個單元格的六個表面的應力應變完全一樣。這在數(shù)學上表示為將有限積分技術（FTT）應用到離散的麥克斯韋方程組，得到EFIT應力單元格表達式。相比于其他計算方法，EIFT在計算非均質(zhì)材料時有明顯的優(yōu)越性。然而，非均質(zhì)材料，特別是缺陷處的網(wǎng)格劃分必須要保證各個網(wǎng)格的應力應變是連續(xù)的，交錯網(wǎng)格的劃分必須滿足EFIT、方法的穩(wěn)定性和收斂條件。這在一定程度上限制了EFIT的應用。1.2.3 半解析法解析法具有速度快的特點，但只能用于簡單情況，數(shù)值法應用廣泛，但是計算量大。為了在保證計算精度的同時提高計算速度，人們提出了半解析法。半解析法可以說是一種在計算過程中采用部分解析解或解析函數(shù)的數(shù)值方法?；谝延薪馕鼋獾难芯砍晒?，有針對性地代替部分離散和插值，可以彌補數(shù)值法的不足，解決解析法所不能解決的問題。目前，半解析法已經(jīng)成為超聲檢測模擬與計算的主流方法。利用解析法計算探頭發(fā)射聲場時，一般采用將探頭表面離散成點源的方法，如瑞利積分和離散點源法，然后在利用如：Pencil法等方法來描述點源聲場在介質(zhì)中的傳播；在處理缺陷散射問題時，常常根據(jù)缺陷性質(zhì)的不同，采取不同的近似方法來處理，有的方法需要將缺陷表面離散，如基爾霍夫近似理論，有的方法需要將缺陷邊緣離散，如幾何衍射理論（GTD），有的方法不需要離散缺陷，如波恩近似理論。

編輯推薦

《計算超聲學:聲場分析及應用》是由科學出版社出版的。

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