冰层中相控阵超声波束传播特性的数值模拟

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29289

结冰与防除冰

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冰层中相控阵超声波束传播特性的数值模拟

张鸿健¹^,², 张晏鑫¹^,², 熊建军¹, 赵照¹, 冉林¹, 易贤¹^,²()

^1.中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室，绵阳 621000
^2.中国空气动力研究与发展中心空天飞行空气动力科学与技术全国重点实验室，绵阳 621000

收稿日期:2023-07-10 修回日期:2023-07-16 接受日期:2023-07-17 出版日期:2023-10-11 发布日期:2023-10-08
通讯作者: 易贤 E-mail:yixian_2000@163.com
基金资助:
国家重大科技专项（J2019-Ⅲ-0010-0054）;国家自然科学基金重点项目(12132019)

Numerical simulation of phased array ultrasonic beam propagation characteristics in ice layer

Hongjian ZHANG¹^,², Yanxin ZHANG¹^,², Jianjun XIONG¹, Zhao ZHAO¹, Lin RAN¹, Xian YI¹^,²()

^1.Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^2.State Key Laboratory of Aerodynamics，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2023-07-10 Revised:2023-07-16 Accepted:2023-07-17 Online:2023-10-11 Published:2023-10-08
Contact: Xian YI E-mail:yixian_2000@163.com
Supported by:
National Science and Technology Major Project （J2019-Ⅲ-0010-0054）;National Natural Science Foundation of China （Key Program）(12132019)

摘要/Abstract

摘要：

为解决现有结冰探测技术监测范围小、探测灵敏度低和冰厚探测受限等问题，开展了基于相控阵的超声结冰探测机理研究。以COMSOL为数值计算平台，在相控阵超声波束合成原理基础上，构建了相控阵超声波束覆冰铝板传播模型，研究了相控阵超声波束在三维冰层中的传播规律。与其他结冰探测技术比较，相控阵超声结冰探测范围更宽；与同相激励比较，相控阵激励产生的超声波束能量更集中；S₀模态波束位移峰值随冰厚、冰宽、冰长的变化更加显著，S₀模态波束位移峰值变化率随激励频率递增，可应用于提高结冰探测灵敏度；超过一定激励频率时S₀模态波束位移峰值出现拐点，可能导致冰厚提前饱和；选用合适的激励频率，可同时提高结冰探测灵敏度和冰厚探测的上限。初步探明了相控阵超声波束在冰层中的传播特性，为后续开展超声结冰探测的工程化应用提供了理论参考。

关键词: 结冰探测, 超声波束, 相控阵, 数值模拟, S₀模态

Abstract:

To solve the problems of small monitoring range， low detection sensitivity and limited detection of ice thickness， the mechanism of ultrasonic icing detection based on phased array is studied. Based on the synthesis principle of phased array ultrasonic beam， using COMSOL as a numerical calculation platform， a propagation model of phased array ultrasonic beam on aluminum plate covered with ice is constructed， and the propagation law of phased array ultrasonic beam in three-dimensional ice layer is studied. Compared with the other icing detection technologies， phased array ultrasonic icing detection offers a wider detection range. Compared with in-phase excitation， the energy of ultrasonic beam generated by phased array excitation is more concentrated. The displacement peak of the S₀ mode beam changes more significantly with ice thickness， ice width， and ice length. The displacement peak change rate of the S₀ mode beam increases with the excitation frequency， which can enhance the sensitivity of ice detection. When the excitation frequency exceeds a certain level， the peak displacement of the S₀ mode beam exhibits a turning point， which may lead to early saturation of ice thickness. Choosing an appropriate excitation frequency can simultaneously improve the sensitivity of icing detection and the upper limit of ice thickness detection. The propagation characteristics of phased array ultrasonic beam in ice layer are preliminarily verified， which provides theoretical reference for future engineering application of ultrasonic icing detection.

Key words: ice detection, ultrasonic beam, phased array, numerical simulation, S₀ mode

中图分类号:

V241

张鸿健, 张晏鑫, 熊建军, 赵照, 冉林, 易贤. 冰层中相控阵超声波束传播特性的数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729289-729289.

Hongjian ZHANG, Yanxin ZHANG, Jianjun XIONG, Zhao ZHAO, Lin RAN, Xian YI. Numerical simulation of phased array ultrasonic beam propagation characteristics in ice layer[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S2): 729289-729289.

图/表 19

图 1

图 2

图 3

图 4

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图 8

图 9

图 10

图 11

表 1

图 12

表 2

图 13

表 3

图 14

图 15

图 16

参考文献 28

1	易贤. 飞机积冰的数值计算与积冰试验相似准则研究［D］. 绵阳：中国空气动力研究与发展中心， 2007： 13-16.
	YI X. Study on similarity criterion between numerical calculation and icing test of aircraft icing［D］. Mianyang： China Aerodynamics Research and Development Center， 2007： 13-16. （in Chinese）.
2	王国柱，葛俊锋，桂康，等. 谐振式结冰状态传感器的分析与建模［J］. 国外电子测量技术， 2018， 37（7）： 117-121.
	WANG G Z， GE J F， GUI K， et al. Analysis and modeling of resonant icing status sensor［J］. Foreign Electronic Measurement Technology， 2018， 37（7）： 117-121 （in Chinese）.
3	郑燕，郑英，张杰，等. 压电谐振式结冰传感器的结冰试验和数据处理［J］. 计量与测试技术， 2011， 38（2）： 1-3.
	ZHENG Y， ZHENG Y， ZHANG J， et al. Piezoelectric resonant icing sensors ice experiments and date processing［J］. Metrology & Measurement Technique， 2011， 38（2）： 1-3 （in Chinese）.
4	MAIO L， MOLL J， MEMMOLO V， et al. Ultrasonic inspection for ice accretion assessment： Effects on direct wave propagation in composite media［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2022， 173： 109025.
5	于全朋，周世圆，徐春广，等. 飞机关键部件结冰的超声导波探测［J］. 无损检测， 2021， 43（8）： 67-71.
	YU Q P， ZHOU S Y， XU C G， et al. Ultrasonic guided wave detection of aircraft key components icing［J］. Nondestructive Testing， 2021， 43（8）： 67-71 （in Chinese）.
6	赵伟伟，朱春玲，陶明杰，等. 超声导波技术用于飞机结冰探测的实验研究［J］. 压电与声光， 2018， 40（2）： 269-275.
	ZHAO W W， ZHU C L， TAO M J， et al. Experimental study on ultrasonic guided wave technology for aircraft icing detection［J］. Piezoelectrics & Acoustooptics， 2018， 40（2）： 269-275 （in Chinese）.
7	WANG Y， WANG Y， LI W， et al. Study on freezing characteristics of the surface water film over glaze ice by using an ultrasonic pulse-echo technique［J］. Ultrasonics， 2022， 126： 106804.
8	LIU Y， BOND L J， HU H. Ultrasonic-attenuation-based technique for ice characterization pertinent to aircraft icing phenomena［J］. AIAA Journal， 2017， 55（5）： 1602-1609.
9	LIU Y， BOND L J， HU H. Ultrasonic-attenuation-based technique for ice characterization pertinent to aircraft icing phenomena［J］. AIAA Journal， 2017， 55（5）： 1602-1609.
10	赵伟伟. 基于压电材料的飞机结冰探测系统［D］. 南京：南京航空航天大学， 2018： 24-41.
	ZHAO W W. Aircraft icing detection system based on piezoelectric materials［D］.Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2018： 24-41 （in Chinese）.
11	LIU Y， CHEN W L， BOND L J， et al. A feasibility study to identify ice types by measuring attenuation of ultrasonic waves for aircraft icing detection ［C］∥ASME 2014 4th Joint US-European Fluids Engineering Division Summer Meeting， FEDSM 2014， Collocated with the ASME 2014 12th International Conference on Nanochannels.New York： ASME， 2014.
12	刘琦. 基于超声导波的波导结构频散分析与覆冰响应［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2017： 47-64.
	LIU Q. Dispersion analysis and icing response of waveguide structure based on ultrasonic guided waves［D］.Harbin： Harbin Engineering University， 2017： 47-64 （in Chinese）.
13	吴荣兴，李建中，于兰珍，等. 兰姆波飞机结冰传感器的最佳工作模态研究［J］. 工业安全与环保， 2016， 42（7）： 8-10， 14.
	WU R X， LI J Z， YU L Z， et al. Analysis of optimal functioning modes of lamb wave aircraft ice sensor［J］. Industrial Safety and Environmental Protection， 2016， 42（7）： 8-10， 14 （in Chinese）.
14	朱程香，张玉雷，朱春玲，等. 风力机超声导波结冰探测方法的数值和试验研究［J］. 中国科学：物理学力学天文学， 2016， 46（12）： 63-70.
	ZHU C X， ZHANG Y L， ZHU C L， et al. Numerical and experimental study on icing detection of wind turbine blade based on ultrasonic guided wave［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica & Astronomica）， 2016， 46（12）： 63-70 （in Chinese）.
15	ZHAO X， ROSE J L. Ultrasonic guided wave tomography for ice detection［J］. Ultrasonics， 2016， 67： 212-219.
16	张鸿健，张晏鑫，熊建军，等. 冰层中Lamb波传播特性的数值模拟和实验研究［J］. 实验流体力学， 2023， 37（2）： 68-77.
	ZHANG H J， ZHANG Y X， XIONG J J， et al. Numerical simulation and experimental research of Lamb wave propagation characteristics in ice［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2023， 37（2）： 68-77 （in Chinese）.
17	李培江. 基于Lamb超声导波的结构缺陷成像研究［D］. 上海：上海大学， 2017： 88-109.
	LI P J. Research on structural defect imaging based on lamb ultrasonic guided waves［D］.Shanghai： Shanghai University， 2017： 88-109 （in Chinese）.
18	樊程广，余孙全，高斌，等. 基于超分辨率超声图像的缺陷量化方法［J］. 国防科技大学学报， 2022， 44（5）： 187-192.
	FAN C G， YU S Q， GAO B， et al. Defect quantification method based on super-resolution ultrasonic image［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2022， 44（5）： 187-192 （in Chinese）.
19	余海军，王孝卿，王良涛，等. 管道的相控阵超声高频导波检测［J］. 无损检测， 2020， 42（10）： 32-39.
	YU H J， WANG X Q， WANG L T， et al. Detection of pipeline by phased array ultrasonic high frequency guided waves［J］. Nondestructive Testing， 2020， 42（10）： 32-39 （in Chinese）.
20	DUPONT-MARILLIA F， JAHAZI M， LAFRENIERE S， et al. Design and optimisation of a phased array transducer for ultrasonic inspection of large forged steel ingots［J］. NDT & E International， 2019， 103： 119-129.
21	TAHERI H， HASSEN A A. Nondestructive ultrasonic inspection of composite materials： A comparative advantage of phased array ultrasonic［J］. Applied Sciences， 2019， 9（8）： 1628.
22	章东，桂杰，周哲海. 超声相控阵全聚焦无损检测技术概述［J］. 声学技术， 2018， 37（4）： 320-325.
	ZHANG D， GUI J， ZHOU Z H. A review of total focusing method for ultrasonic phased array imaging［J］. Technical Acoustics， 2018， 37（4）： 320-325 （in Chinese）.
23	WANG L J， LI S A. Acoustic field calculation of ultrasonic phased array concave cylindrical transducer［J］. Applied Mechanics and Materials， 2014， 716-717： 1111-1113.
24	REN Y Q， QIU L， YUAN S F， et al. Multi-damage imaging of composite structures under environmental and operational conditions using guided wave and Gaussian mixture model［J］. Smart Materials and Structures， 2019， 28（11）： 115017.
25	LIN S B， SHAMS S， CHOI H， et al. Ultrasonic imaging of multi-layer concrete structures［J］. NDT & E International， 2018， 98： 101-109.
26	金浩然. 圆柱类部件在线相控阵超声成像理论与技术的研究［D］. 杭州：浙江大学， 2017： 34-45.
	JIN H R. Research on the theory and technology of on-line phased array ultrasonic imaging for cylindrical parts［D］.Hangzhou： Zhejiang University， 2017： 34-45 （in Chinese）.
27	郑祥明，赵玉珍，史耀武. 兰姆波频散曲线的计算［J］. 无损检测， 2003， 25（2）： 66-68.
	ZHENG X M， ZHAO Y Z， SHI Y W. Calculation of lamb wave dispersion curve［J］. Nondestructive Testing， 2003， 25（2）： 66-68 （in Chinese）.
28	梁颖. 用于结构健康监测的声发射传感器研究［D］. 太原：中北大学， 2022： 34-45.
	LIANG Y. Research on acoustic emission sensor for structural health monitoring［D］.Taiyuan： North University of China， 2022： 34-45 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

冰层厚度/mm	单点激励位移峰值/nm	同相激励位移峰值/nm	相控阵激励位移峰值/nm
0.5	6.5	60.2	115
1	3.8	34.8	65.1

冰层宽度/mm	单点激励位移峰值/nm	同相激励位移峰值/nm	相控阵激励位移峰值/nm
10	8.4	76.2	143.1
20	6.8	60.6	111.4
30	5.3	49.1	88.7
40	4.3	40	70.2
50	3.4	31.1	56.1

冰层长度/mm	单点激励位移峰值/nm	同相激励位移峰值/nm	相控阵激励位移峰值/nm
10	5.6	51.5	98.9
20	5.5	48.3	88.2
30	5.3	49.1	88.7
40	5.4	49.7	89.2
50	5.4	49.9	89.7

[1]	赖江, 范召林, 王乾, 董思卫, 童福林, 袁先旭. 高超声速有攻角锥裙直接数值模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128610-128610.
[2]	高郭池, 张波, 全敬泽, 尹崇, 丁丽, 姜裕标. 正常类飞机自然结冰试飞适航审定技术[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 128531-128531.
[3]	刘进一, 熊建军, 桂康, 葛俊锋, 叶林. 基于多光谱和复阻抗的复合结冰探测技术[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729309-729309.
[4]	傅亚陆, 袁先旭, 刘朋欣, 余明. 可压缩壁湍流热力学量统计特性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 127217-127217.
[5]	韩荣, 刘伟, 杨小亮. 高超声速飞行器自适应减阻盘动态减阻机理[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126633-126633.
[6]	曾品棚, 陈树生, 李金平, 贾苜梁, 高正红. 减阻杆与环形喷流组合构型钝头降热数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(22): 128407-128407.
[7]	熊芬芬, 李泽贤, 刘宇, 夏侯唐凡. 基于数值模拟的工程设计中参数不确定性表征方法研究综述[J]. 航空学报, 2023, 44(22): 28611-028611.
[8]	郑云隆, 刘沛清, 屈秋林, 戴佳骅, 田逾. BWB飞机水上迫降运动特性数值研究[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 528588-528588.
[9]	张阳, 罗佳奇, 曾先. 基于改进虚拟单元浸没边界法的椭圆气动噪声问题[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 128418-128418.
[10]	丁军亮, 赵利利, 杨涛, 张海妮, 申晓霞. 自然结冰飞行试验技术综述[J]. 航空学报, 2023, 44(17): 28270-028270.
[11]	郑建成, 曲智国, 谭贤四, 李志淮, 朱刚, 喻晨龙. 一种相控阵雷达搜索参数设计策略[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 328124-328124.
[12]	马乙楗, 柴得林, 易贤, 屈经国, 王强. 考虑侵蚀效应的冰晶/混合相结冰计算方法[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528609-528609.
[13]	李峻洋, 刘朋欣, 余明, 孙东, 董思卫, 袁先旭. 高焓湍流边界层黏性耗散对壁面热流的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528963-528963.
[14]	孙佳濛, 左光, 徐艺哲, 杜若凡, 崔玉红. 临近空间高超声速飞行器武器投放方案数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 127808-127808.
[15]	刘晓东, 刘朋欣, 李辰, 孙东, 袁先旭. 高焓激波/湍流边界层干扰直接数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 127832-127832.

冰层中相控阵超声波束传播特性的数值模拟

Numerical simulation of phased array ultrasonic beam propagation characteristics in ice layer

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