Design and Process Validation of Non-planar Annular Linear Array Cylindrical Guided Wave Transducer
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摘要: 为实现辐射控制区T形凸台端面核安全级紧固件的在线检测，本文采用COMSOL软件对M56 mm×416 mm紧固件内柱面导波进行模拟仿真，设计开发了非平面环形线阵柱面导波换能器，并在设计加工人工反射体的模拟试块上进行工艺验证。结果表明，高频段柱面导波频散曲线趋于一致，T形高低台阶延时激励方式和晶片内径32 mm、外径50 mm尺寸设计的声场响应最优，可有效检出深度1 mm的人工刻槽，且深度误差在±2 mm以内。本文设计开发的非平面环形线阵柱面导波换能器可实现辐射控制区紧固件高效便携的在线检测。Abstract: In order to realize online detection of nuclear safety level fasteners on T-boss end face in radiation control area, the cylinder guided wave in M56 mm×416 mm fastener is simulated using COMSOL software. The non-planar annular linear array cylindrical guided wave transducer is designed and developed, and the process validation is carried out on the simulation test block for designing and processing artificial reflectors. The results show that the dispersion curve of high frequency cylindrical guided wave tends to be consistent, and the T-shaped high-low step delayed excitation mode and the design of the chip size of 32 mm inner diameter and 50 mm outer diameter have optimal sound field response, which can effectively detect artificial grooves with a depth of 1 mm, and the depth error is within ±2 mm. The non-planar annular linear array cylindrical guided wave transducer designed and developed in this paper can realize efficient and portable on-line detection of fasteners in radiation control area.
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Key words:
- T-boss /
- Phased array /
- Cylindrical guided wave /
- Online detection /
- Delayed excitation
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图 2 换能器自适应探头外壳结构（俯视图）
Figure 2. Housing Structure for Transducer Adaptive Probe (Top View)
图 4 紧固件内的纵向模态导波频散曲线
Figure 4. Longitudinal Mode Guided Wave Dispersion Curve in Fastener
图 5 8 μs时刻紧固件的声场分布示意图
Figure 5. Schematic Diagram of Sound Field Distribution of Fasterner at 8 μs
图 6 51 μs时刻紧固件的声场分布示意图
Figure 6. Schematic Diagram of Sound Field Distribution of Fasterner at 51 μs
图 8 3种激励方式声压对比结果
Figure 8. Comparison Results of Sound Pressure of Three Excitation Modes
图 9 不同晶片尺寸组合对应声压分布
Figure 9. Sound Pressure Distribution Corresponding to Different Chip Size Combinations
图 10 紧固件人工直切槽示意图
1~7—按顺序加工的直切槽
Figure 10. Schematic Diagram of Manual Straight Groove of Fastener
表 1 晶片尺寸影响参数
Table 1. Parameters of Chip Size Influence
序号 d/mm D/mm 高台覆盖
角度低台覆盖
角度晶片覆盖面积/
mm21 32 50 0°~15° 50°~90° 209.31 2 36 50 0°~15° 56°~90° 186.50 3 40 50 0°~15° 60°~90° 147.26 
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表 2 检测工艺参数
Table 2. Detection Process Parameters
序号 项目 参数设置 1 时基调节 底波A扫信号位于满屏高度80% 2 检测灵敏度 缺陷7信号幅值位于满屏高度20% 3 聚焦方式 动态聚焦 4 检测声速 5830 m/s（实测） 5 检测频率 5 MHz 6 晶片尺寸 内径32 mm、外径50 mm 7 成像模式 A扫+周向B扫+环形C扫 8 脉冲频率 500 Hz
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表 3 紧固件模拟试块人工反射体检测结果
Table 3. Test Results of Artificial Reflector of Fastener Simulation Test Block
人工反射体
序号布置高度/
mm布置中心
角度直切槽深度/
mm检出高度偏差/
mm1 58 0° 2 +2 2 58 115° 2 +2 3 136 250° 1 +1 4 213 200° 1 +1 5 302 70° 1 −1 6 360 295° 2 −1 7 360 180° 2 +2 布置高度—以低台阶端面为距离起始；布置中心角度—缺陷1的中心位置为起始角度，顺时针增大
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