导读：

超声检测一般是指超声波与工件相互作用产生反射、投射和散射波来对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测与表征、特定应用评估的技术。

作为无损检测的重要分支，超声检测已被广泛应用于各种工业领域。

利用超声检测方法对工件进行无损探伤时，一般测量出回波信号的幅值与传播时间，就可评定工件中缺陷的严重程度及其所在位置。

但对于超薄（小于8mm）与超厚（100-500mm）的焊缝、铸造奥氏体不锈钢焊缝和异种金属接头等，需要开发专用的检测技术与装备。

如果基于实际试验进行开发，通常成本很高且非常困难，对于材料及研究经费都会造成很大浪费。

采用计算机仿真技术模拟检测过程，不仅可对上述问题进行深入分析并得出最佳检测方法，还能与实际检测设备的检测结果进行对比以提高检测设备的检测性能。

如今，超声检测仿真现状：

（1）国外发展现状

在20世纪90年代初，CEA(法国原子能委员会)开始开发用于超声无损检测的数值模拟和建模的专用工具CIVA。

该系统的超声无损检测部分主要由Champ-Son和Mephisto两个模块组成。

Champ-Son模型基于几何最优化近似，一方面能够简化处理复杂几何形状界面、任意探头以及任意激发脉冲，另一方面能够定量预测工件中的声场分布。

Mephisto模型基于Kirchhoff衍射理论，能独立进行各种缺陷的分析计算。

通过CIVA软件可进行模拟、优化检测程序，也可在检测过程中涉及最有影响的参数，包括传感器、检测样品的几何形状或材料以及所追求的缺陷。

通过调整这些参数，就可确定所需要的最合适的检测方法，或评估现有程序的性能和相关性。

通过多年的发展，CIVA目前包括允许在CAD设计组件上执行模拟的CAD连接。

CIVA软件平台包括三个主要的非破坏性测试方法，具体有以下检测模块：超声测试、导波检测、涡流探伤、Xray检测、计算机断层扫描等。

法国原子能委员会通过发布CIVA的不同版本，不断将最新研究成果集成到软件中。

Imagine 3D是加拿大UTEX科学仪器公司开发的一套用于超声仿真的软件。Imagine 3D可以处理任意数量的纵向和横向模式转换并以不同颜色显示，并可准确识别原因不明的回波来源。模拟A扫描图能够验证实际检测信号的强度和位置，模拟B扫描可以显示杂散声音模式和零件几何形状可能存在的遮蔽缺陷。

simSUNDT是瑞典科学无损检测中心(SCeNDT)开发的一套用于超声仿真的计算机软件。simSUNDT程序包括基于Windows的预处理器和后处理器，以及处理实际数学建模的数学内核(UTDefect)。UTDefect的计算机代码由Chalmers技术大学机械学院开发，并已进行实验验证。该软件采用各种积分变换和积分方程技术来模拟探针和缺陷散射，可模拟整个测试程序，以及任意类型、角度和大小的接触探针作用与脉冲回波或串联检查情况。目前，该软件主要用于模拟各向同性的同种材料的超声检测过程。

Virtual NDE(VNDE)是美国电力研究院(Electric Power Research Institute)开发的一套超声仿真软件，主要用于NDE操作人员的培训和能力测试。VNDE软件包含三种程序模式：练习模式、测验模式和场景生成模式。练习模式提供了一系列不同情况下模拟检测的机会，并能够及时反馈操作者的练习情况；测验模式主要用来评估操作者在超声检测中的技能；场景生成模式是模拟具体的检测试样，以及与该试样相关的所有材料和能力参数。

UTSim是美国爱荷华州立大学(Iowa State University)无损评价中心(Center for Nondestructive Evaluation)开发的一套软件。该软件集成了CAD模型和声束模型，其中，CAD模型主要用来显示组件的三维实体，声束模型能够用以精确计算三维空间（3D）内弯曲界面或平界面下的聚焦波束或平面波束所形成的超声场，UTSim旨在帮助计划和完善复杂形状零件的超声波检查。目前，该软件的功能包括射线追踪覆盖图、相控阵延迟规律计算器的开发、缺陷响应覆盖图和DAC传输功能。最近，CNDE已经开发出了新版本超声模拟软件包UTSim2，可支持先前开发的物理模型以及尚未开发的未来模型。

Wave3000是美国CyberLogic公司开发的一套超声仿真软件，是一个独立的计算超声学软件包。它基于三维(3D)黏弹性波束方程，并采用有限差分法进行求解。Wave3000允许用户在受到指定声源的任意三维（3D）物体中计算完整的黏弹性波解（纵向和剪切位移）。该程序除了模拟完整的空间和时间相关声学解决方案之外，还允许用户模拟各种源和接收器配置中的超声波测量。Wave3000主要应用于非破坏性测试、材料评估、地球物理、医学成像和生物组织表征等不同领域的研究。

除了上述发展比较成熟且用户较多的超声仿真软件外，还有部分仿真软件的研发正在不断发展中。

Paul Rawlinson团队所研发的模拟仿真软件UTman，结合检测仪器的相关功能进行编写，主要实现TOFD检测技术与全自动超声检测技术(AUT)。UTman可以通过调节楔块角度以及超声波频率来模拟不同的扫查，还能够实现被检测模块的三维动态特征（见图1）。

目前，该软件主要用来对检测人员进行培训。

（图1  UTman软件TOFD检测仿真 ）

澳大利亚的Gary Martin等成立了ATTAR。其拥有大量的无损检测方法仿真软件，从简单的模拟计算器到精确的模拟超声波仿真软件，如图2和图3所示的相控阵计算器、 TOFD检测模拟计算。

ATTAR的主要目的是利用现有的最先进技术进行材料测试研究和提供无损检测培训。

目前，其业务主要包含非破坏性评估、材料工程方法学以及专家认证服务。

（图2  相控阵模拟计算示例 ）

（图3  TOFD模拟计算示例 ）

Eclipse Scientific研发的超声仿真软件BeamTool8主要用于相控阵超声扫描部件设计。

该软件可以适应各种几何形状和检测技术，展示了许多无损检测的基本原理，涉及视觉和动态学习过程，相控阵与TOFD设置示例如图4所示。

目前，该软件包括常规UT、相控阵(PAUT)、TOFD、小波可视化、CAD功能、焊缝配置、3D声音路径射线追踪等功能，该团队还开发了一系列用于检测的辅助插件。

（图4  (a)相控阵设置 ）

（图4  (b)TOFD设置 ）

（2）国内发展现状

相比于国外，国内关于超声波检测模拟仿真软件的研究较少。20世纪90年代末，浙江大学方海滨等开始着手这方面的研究。

针对无损检测工艺规划，提出了计算机辅助无损检测工艺设计系统开发的可行性与实现方法。

同时结合数据库技术，最终研发出了基于框架结构知识表达的无损检测工艺制定专家系统(CAPPNDT)。

CAPPNDT专家系统结构见图5。

该系统的设计目的是根据提出的检测要求，参照各种无损检测标准和现有技术条件，以多种方式(人机交互)实现无损检测工艺的计算机辅助设计。

（图5  CAPPNDT系统结构 ）

同时期，冶金部锅炉压力容器检验站的陈翠梅等研制了无损检测专用软件NDTS。

该软件主要由报表和数据库等组成，其主要作用是检验报表的自动生成，还未涉及到检测理论与仿真方法。

随着检测技术的逐渐成熟，近年来国内也开始尝试通过超声声学理论进行模拟仿真软件的开发。

哈工大现代焊接生产技术国家重点实验室的张伟志等基于VB6.0作为平台开发了超声检测分析计算和模拟仿真软件，该系统基于代入法的幂函数联立求解，并基于几何光学的折、反射原理，简化了超声波传播路径的模拟，主要用于超声检测的分析计算、可检测性评定。

中国海洋大学信息学院与核动力研究所共同研发了基于声线跟踪法的超声无损检测动态仿真软件。

该软件以“声线跟踪法”为基础，利用Visual C++和三维场景开发工具OpenGL，解决了三维介质建模、声线传播路径模拟等问题，从而实现了超声检测过程的三维可视化并对超声波传播路径和A型显示都有较好的模拟仿真。

武汉大学NDT研究中心的丁辉等以半解析法计算模型为核心开发了超声检测计算分析系统UT-CAS。

该软件首先基于Rayleigh-Sommerfeld积分和Pencil法建立声场半解析计算模型，其次基于基尔霍夫近似、GTD和波恩近似理论建立超声场与缺陷相互作用的半解析计算模型。

针对超声检测发射声场以及缺陷回波，UT-CAS都能快速进行分析计算，因此该系统适用于声场、缺陷信号辅助分析以及对于无损检测人员的培训。

（仿真软件生成演示图 ）

总结：

通过概述国外有关超声检测仿真工具的应用现状与研究进展，介绍了目前应用较成熟的CIVA、Imagine3D、simSUNDT、VNDE以及近年来发展的BeamTool8等软件的主要功能和应用情况。

同时介绍了国内大学与研究机构在该领域的研究方法和软件的应用领域。

通过对比国内外的研究现状，对国内超声模拟仿真工具的研究有重大参考价值。