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面积型缺陷是一类危害极大的缺陷,对其进行无损表征具有重要意义。超声检测方法具有较高的检测灵敏度而被广泛应用于该类型缺陷检测。随着工业发展,高性能制造不仅要求实现构件缺陷检出,而且要求能够对缺陷形貌、尺寸进行准确表征。现有常规超声检测技术可以实现面积型缺陷的检出、相控阵超声检测技术(Phased Array Ultrasonic Testing,PAUT)进一步实现面积型缺陷的检出和可视化成像,合成孔径聚焦等(Synthetic Aperture Focusing Technology,SAFT)等信号后处理技术提高了检测分辨力和信噪比,但这些方法在缺陷形貌完整表征方面仍然具有很大难度。为解决上述问题,本文基于合成孔径聚焦技术发展了一种多模式声束成像检测方法,讨论了多模式声束SAFT的基本原理,建立了带面积型缺陷的碳钢模型并进行信号采集,通过编写信号后处理算法,实现了图像重建,有效利用了声束发生波型转换后在试块内的多次反射回波,进而实现了面积型缺陷的完整表征。具体研究内容如下:(1)基于SAFT原理及图像重建方法,研究了多模式声束SAFT的分类。分析了直接模式(Direct)、半跨模式(Half-skip)和全跨模式(Full-skip)下的声束传播路径,并依据延时叠加原理分别编写了后处理算法。讨论了8种半跨模式和4种全跨模式下,探头前沿到裂纹的水平距离d与楔块角度、试块厚度和裂纹深度之间的几何关系,明确以横波进入被检试块的模式具有最小的d,为不同形状、取向和位置的面积型缺陷检出和完整形貌表征提供了检测参数选取建议。(2)建立了带有中心深度30.0 mm、高度5.0 mm纵向裂纹的碳钢模型,对比了PAUT、传统SAFT和多模式声束SAFT的缺陷定量精度和整体形貌表征效果。进一步比较了高度5.0 mm裂纹和与中心间距5.0 mm的Φ0.5 mm横通孔的传统SAFT和多模式声束SAFT成像与缺陷定性区分结果。在5 MHz探头的条件下,通过对中心深度30.0mm、不同长度纵向裂纹和长3.0 mm、不同间距裂纹进行检测,多模式声束SAFT可以实现长度0.5mm裂纹整体形貌表征和间距1.0 mm裂纹定性区分,表明多模式声束SAFT技术具有较高的检测分辨力和定性区分能力。(3)建立带有长度5.0 mm,0°-75°取向裂纹的碳钢模型,比较了TTT、TLL半跨模式和TTTT(Transverse wave,T;Longitudinal wave,L)全跨模式下的裂纹形貌表征效果,并给出不同模式适用的裂纹取向检测范围。研究结果显示在优化后的检测参数条件下,多模式声束SAFT可以实现一定范围取向缺陷的完整形貌表征,且定量和定取向结果与预设值误差较小,表明本方法具有较好的检测适用性。