相控阵超声无损检测技术由于具有声束柔性化合成与自适应控制能力,可满足复杂结构、近端面和近表面缺陷的检测应用需求,能有效减少检测死区和盲区,加之其动态聚焦能力使得成像检测性能大幅度提升。因此,该技术已成为目前无损检测领域研究和应用的热点之一。然而,经过几十年的发展,尽管相控阵超声无损检测技术取得了飞速的发展,但随着应用范围的不断扩展及工业检测对象和需求的多样化,该技术在理论、技术和应用等层面上都有待进一步深化研究。实际上,相控阵超声无损检测技术的有效实施还有赖于换能器的优化设计及声束合成控制参数的合理选择,而声场建模及其检测重建技术分别构成了该技术研究的理论和应用基础。但现有的声场理论建模主要是针对均匀介质而展开,并且声场检测重建方法也存在自动化程度不高、检测结果表征不友好等问题。基于以上背景,在国家自然科学基金项目“圆柱类部件高性能自动化相控阵超声成像检测理论与技术的研究”(No.51675480)的资助下,本学位论文提出开展相控阵超声场建模及其自动化检测技术研究。在了解相控阵超声无损检测技术、声场建模及其检测重建方法的研究现状与发展趋势,明确相关技术所面临的挑战与问题的基础上,重点开展了叠层结构中相控阵超声场理论建模以及声场特征参数自动化检测和声场可视化等关键技术的研究。同时,采用分布式体系结构和模块化设计策略,融合机电一体化技术,研发了一套相控阵超声场自动化检测系统,并开展了相关的实验研究,验证了文中所研发理论与技术的可行性和有效性。本文主要的工作内容包括:第一章,阐述了相控阵超声无损检测技术的优势及其研究现状,明确了开展声场建模及其检测重建技术研究的重要意义,分析了声场建模和相关检测技术存在的问题,并提出了相应的对策。同时,还对论文的研究内容和章节进行了安排。第二章,实现相控阵超声场的理论建模。在采用射线跟踪法对矩形单阵元超声场建模及明确叠层结构中界面声学效应的基础上,根据惠更斯原理,完成了均匀介质和叠层结构中相控超声场的理论建模,并进行了仿真研究。第三章,开展相控阵列波束优化控制及其特征参数自动检测技术的研究。以优化波束指向性为目标,分别实现了基于延时叠加法和基于特征空间最小方差法的相控阵波束优化控制技术,由于后者能够自适应调整延时量,较前者具有更高的成像分辨率。同时,通过水听器获取声场基础数据,并合成相控阵声束,采用声束特征点自动搜索的策略,实现焦距、焦斑直径和焦柱长度等特征参数的自动化检测。第四章,发展一种相控阵超声场重建及其可视化技术。在对二维声场数据插值预处理的基础上,利用角谱法建立相控阵超声场空间频域模型,实现三维声场重建。同时,利用Matching Cubes算法抽取三维声场的等值面,并对其进行颜色映射与透明化处理,实现三维声场的可视化表征,直观和友好地呈现了声场空间分布。第五章,采用分布式体系结构和模块化设计策略,在完成硬件、软件模块设计开发的基础上,以PXI总线为通讯桥梁进行系统集成,研发了一套相控阵超声场自动化检测系统。同时,利用该系统进行相关实验研究,证实了本文所研发理论和技术的可行性与有效性。第六章,总结了本文的研究内容,并对以后的进一步深入研究进行了展望。