冰封介质中球形固体的超声波成像技术突破及其在无损检测中的应用

本文创新性地提出采用冰耦合超声技术（Cryo-UT）解决金属构件双曲面检测难题。通过将传统水耦合剂替换为聚晶冰（P波速约4000 m·s?1），显著提升超声波在冰-金属界面的透射角度范围（可达40°），结合线性阵列自适应波束成形技术，成功实现球体内部缺陷的高保真成像，为复杂几何部件无损检测（NDT）提供新范式。

　　

亮点

本研究揭示了冰介质在双曲面超声成像中的独特优势：聚晶冰的高P波速度（~4000 m·s^?1）和刚性特性，使超声波能以更宽入射角（对比传统水耦合的15°限制）穿透金属界面，为复杂几何部件检测开辟新途径。

实验方法

采用含人工缺陷（电火花加工FBH凹槽和缺口）的铝合金球体模型，通过线性阵列发射/接收超声波，对比冰耦合与水耦合下的信号强度。数值模拟基于几何声学近似，分析双曲面对二维成像的三维射线路径影响。

核心发现

1. 冰耦合使FBH反射信号强度提升3-5倍（对比水耦合）

2. 射线路径分析表明：成像平面与阵列方位面存在偏移，偏移量随表面法向角增大而增加，随冰-材料波速差减小而降低

3. 在含内部翼片的增材制造（AM）模拟件中验证技术普适性

结论

Cryo-UT突破了传统浸没式超声检测对法向入射的苛刻要求，通过冰介质实现宽角度波束穿透，为球轴承等含双曲面金属部件的缺陷检测提供解决方案。该射线理论框架可扩展至更复杂表面结构的成像解析。

（注：严格按生物医学领域表达习惯处理专业术语，如"聚晶冰"保留物相特征，"P/S波"标注波动类型，技术名称Cryo-UT保持首字母大写）