摘要:电声检测模型(EAM模型)是为研究超声无损检测系统建立的一种系统模型。该模型组合了超声检测系统各个环节的子模型，包括:超声波激励脉冲发射，检测信号接收，连接电缆，超声换能器，以及在被检测材料中的传播过程。利用该方法对海底管道内爬行器的超声部分的设计进行计算机仿真，可以对爬行器设计方案进行前期验证，优化设计。这种方法既能缩短设计周期，又节省大量费用，可以说EAM模型为分析超声检测系统提供了一种全新而有力的工具。
1引言
超声无损检测是分析材料特性和检测缺陷的重要方法。一直以来，国外都尝试用建模的方法来对超声无损检侧系统进行定量的研究。因为任何一个超声检测系统都可以分为以下几个环节:超声激励脉冲的发射，超声检测信号的接收，电缆传输，换能器的超声发射/接收，以及超声在媒介中的传播。应用相应理论，建立上述各个环节的子模型，而后将这些模型组合起来，从而建立整个超声检测系统的模型，可以通过该模型对整个超声检测系统进行仿真分析。这是一种全新的系统分析的方法，可以大大节省检测时间和费用。该模型涉及电子领域，声学领域，故称为电声模型(EMA模型)。本文将重点介绍建模的过程。
2模型建立
模型可以分为三部分:超声波发射过程，超声检测信号接收过程以及超声传播过程。模型的每个子模型都有精确的数学描述，但本文通过简单测量来获得这些模型参数，对模型的具体数学描述不作讨论。下面介绍一下该模型的建立过程(各个环节的模型都是频域表示)。
2.1超声波发射过程
2.1.1超声激励脉冲发生器
超声脉冲发生器是一个复杂的电压驱动电路。但在这里，脉冲发生器的内部特性并不重要，重要的是其网络输出特性(输出波形，内阻抗)。这里我们把脉冲发生器简化为一个线性器件，用一个TheveNIn等效电路(图l)来模拟它。这个电路包括电压源Vi(w)和一个串联电阻抗买Zi(w)。事实上，由于实际电路中有二极管保护电路，脉冲发生器在不同的设置下并不是全局线性的。但是，如果电路外部电气负载不变，且电路的各种参数(如衰减度，能量级)一旦确定下来，该模型可以精确模拟脉冲发生器。
2.1.2电缆
很少有文献讨论换能器电缆在超声正常检测频率(1-2oMHz)下对系统的影响。事实上对电缆的影响进行补偿在换能器特性研究中是至关重要的。这里我们把换能器电缆看作是无损耗的传输线，用一两端口系统来描述其特性(图l)，模型表达式如式(l)。
2.1.3换能器
换能器的建模较为复杂，因为它包含了电气部件，压电部件，机械部件。模型中，必须选择合适的集总参数对这些领域进行描述:电压/电流，声压积分/声速，这样才能与检测系统中其他环节模型的参数相统一从而进行组合。通过检测
对于同一个换能器而言，该转换矩阵是确定的，且是可逆的。这样，我们将换能器简化为一两端口的可逆系统。但这并不是一个完整的换能器模型。当换能器产生的超声波进人一个传播媒介，这个过程等价于在换能器的机械端口接了一
2.2超声波接收过程
2.2.1人射声波
先讨论一下人射到换能器B上的超声波，这些声波可能是来自缺陷的，可能是来自被检测物体的，或是直接来自发射用换能器A的。大多数情形下，这些波都不是平面波。而当这些波人射到换能器B表面上时，其中一部分在表面发生散射，一部分入射到换能器内部并转换为电能。这些人射波，散
2.2.2接收用换能器
接收用换能器B与发射用换能器A相反，在机械端口接收超声波，在电气端口输出电气信号。但和发射用换能器A一样，接收用换能器也可简化为一两端口系统(如图2)。转换矩阵〔TB〕为换能器B用作发射用换能器时的转换矩阵。那么，可以得到式(12)。
2.2.3超声波接收器
和脉冲发生器一样，超声接收器也是个复杂的电路网络。但仅仅用于仿真目的，把它简化为一个接收负载Z:(w)和一个放大部件K(w)是足够的(图2)。这里，Z:(w)和K(w)都是接收器控制量(如增益，衰减度)的函数。如果选用与发射过程相同的电缆，那么接收电缆的模型可以表示为:
2.3声波传播过程
对声场进行精确模拟是十分困难的。这里仅给出一种较为简单的声场模型，模型的基础是声媒介和弹性媒介的互惠原则。模型是对处于液体中的两个半径同为a的圆形平面探产生的声场进行的模拟。数学表达式为:
3EMA模型
到此，系统三个部分的模型都建立了，将这些模型组合在一起就构成了一个完整的超声检测系统模型，模型的转换函数为:
实际工程中会遇到很多问题，EMA模型并没有都体现出来，如EMA模型把每个环节都看作是理想的，所以在实际建模过程中必须根据实际情况不断完善模型，才能尽可能真实的反映系统。
4仿真试验及改进
海底管道内爬行器的设计开发在我国尚属空白，主要是为了对海底输油管道腐蚀情况进行检测，其中超声检测部分的设计涉及机械，电子，声学等多个领域，是项复杂庞大的工作。该项工作在国内仍处探索阶段，对早期的每个设计思路进行实物验证是不现实的。EMA电声模型可以很好的解决这一问题。一旦建立了整个系统的模型，就可以在PC机上实现对检测系统的模拟，可以对检测结果进行仿真，即使检测系统的某个环节发生了变化，只需将相应环节的模型更新，就可以对新系统进行仿真，十分方便。
在获得各个子模型参数后(具体获得参数的方法见参考文献[5]，用MATLAB中的Simulink可视化工具平台来实现整个模型。在建模过程中，我们发现前面提到的声场模型是一种很理想的声场模拟，实际工程要复杂的多。近轴近似Gauss模型可以有效的评价复杂几何形状和复杂材料对换能器辐射声波的影响，而且计算量较其他模型而言最多可降低几个数量级。我们采用Uster等提出的近轴近似高斯波束叠加模型来模拟系统的声场。该模型公式可以模拟平面探头或聚焦探头以任何角度辐射穿过曲线固液界面时产生的超声区的有效声束，且计算量较小，适合MATLAB运行。声场模拟可以说是整个模型中最困难的部分，所以这个部分有很大的提升空间。将模型获得输出波形和实际测量的输出波形进行比较，我们发现模型对系统的模拟还是比较准确的(图3)。
参考文献:
