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基于k-wave超声场时域仿真研究
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2020-10-17
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超声场仿真研究在工业超声探伤领域一直起到举足轻重的作用。本文采用脉冲超声波检测原理,建立仿真平台,利用k-wave工具箱对超声场进行了时域仿真研究,针对声场在圆柱体工件内部的传播情况,并利用声学传感器接收到的回波信号,采用插值重构模型,对工件内部超声场分布做了重构研究和可视化实现,为实际工业生产奠定了理论基础。
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基于基于k-wave超声场时域仿真研究超声场时域仿真研究
超声场仿真研究在工业超声探伤领域一直起到举足轻重的作用。本文采用脉冲超声波检测原理,建立仿真平
台,利用k-wave工具箱对超声场进行了时域仿真研究,针对声场在圆柱体工件内部的传播情况,并利用声学传
感器接收到的回波信号,采用插值重构模型,对工件内部超声场分布做了重构研究和可视化实现,为实际工业
生产奠定了理论基础。
0 引言引言
在无损探伤过程中,探头处发射的超声波在缺陷中经过发射被超声波探伤仪接收,以确定缺陷的位置和类型。无损探伤具
有检测成本低、速度快和现场使用方便等优点,多用于管道、压力容器等圆柱体构件的探伤检测[1]。计算超声学在近些年应
用于超声波检测的模拟,从不同尺度上入手,建立不同的超声波模型,来模拟声束在介质中传播时的声场、缺陷与界面处对超
声波的作用规律,构建超声波检测计算模型,整合发展超声波检测的技术,促进超声波检测在无损检测中的应用。对于许多复
杂情况而言,理论与实验手段难以进行,但可以利用计算机环境进行仿真计算得到数值结果[2]。本文利用MATLAB加载的
1
本文在均匀背景散射媒介中建立声源模型,简化输入参数在提高计算效率的同时,排除非关键因素,从而有效提取出超声
场的精确回波模型。
1.1 声速与声压的计算声速与声压的计算
由流体介质中的非线性压力与密度关系,可以将状态扩展为泰勒级数中对应的压力项和密度项。假设非线性和压力的变化
影响(由于声波吸收)都是二阶。因此,高阶压力项可以被丢弃。考虑到在很小的有限时间步长t=t1-t0内改变流体元素的总压
强,泰勒级数展开可写成:
式(1)中最后一部分代表一种能量损失也是一种声能吸收。在热粘性介质中,可以结合介质的导热系数和比热容,考虑能
量守恒方程[4],这一点可以表示为一种声学损失模型:
L表示声能损失。建立幂律吸收模型,基于分数拉普拉斯算子定义L的表达式为[5]:
τ和η是吸收和色散比例系数[6]。
1.2 k-space伪谱法伪谱法
伪谱法求解微分方程主要包含:(1)离散化处理,用一定的方式在整个区域上选取格点构成一个网络。而其它点上的变量
值可以用插值的方法得到;(2)选取合适的基函数变量值的情况下构造插值函数,计算格点上变量值的空间导数。伪谱法是全
局方法,只能用在空间域。如果所求解的是含时微分方程,一般用简单的有限差分方法来处理时间域的计算[7]。
在k-wave中,利用快速傅里叶变换和k-space伪谱法,将守恒方程中的粒子速度和声学密度转换为离散形式,计算每个时
间步长内声压场的变化情况,能够高效准确地对超声场进行数值模拟。离散表达式如式(4)~式(7)所示:
声学密度是分布在笛卡儿坐标系中并可以引入各向异性PML应用的值[8]。F和F-1表示空间傅里叶正逆变换,上标n和n+1
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weixin_38605144
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