声波的传感和解释可以揭示各种物体中有价值的隐藏信息。必须仔细设计和校准使我们能够看到波动行为的设备，例如压电（PZT）传感器表征。一个基于瑞士的研究团队已使用多物理学建模来表征材料和产品的声学非破坏性测试（NDT）中使用的PZT传感器。乐动体育app无法登录他们的项目展示了仿真如何帮助使这一过程更有效。通过优化几何图形的网格，团队将模型的内存需求减少了一半，并将计算时间减少了5倍！
声学NDT揭示了声音的隐藏缺陷
NDT描述了一个过程，该过程揭示了对象的重要属性而不会损坏它。此过程是许多产品和系统开发和质量控制的组成部分。乐动体育app无法登录NDT方法通常将能量脉冲应用于结构或材料。能量信号将通过结构内部的裂缝或其他身体不规则性改变。这些更改可以通过安装在结构上或附近的仪器来拾取。例如，主动热成像涉及将热量应用于物体。内部不规则性会导致热分布的意外变化，可以测量这些变化并用于定位它们。
声学排放（AE）分析是另一种重要的NDT技术。当应用于实心物体时，超声波频率范围内的波浪将受到内部裂缝和其他不连续性的影响。可以通过PZT传感器拾取声学信号的最终变化，该传感器会响应机械压力而产生电流。解释产生的信号并从中获取有用的信息是一个持续的挑战。
多物理模拟是AE测试过程的自然补充。通过将实验数据纳入给定材料的模型，以及波传播和PZT传感器响应的模型，研究人员可以为声学信号行为建立模拟基线。基于断裂机械的材料缺陷的建模以及这些缺陷对模拟波行为的影响，可以帮助预测PZT传感器在进一步测试中如何应对实际不连续性。随着最近的进步，这种模拟的计算需求已大大减少。
PZT传感器记录球冲击测试的结果
无论是用来绘制地下断层线还是金属板内的微观缺陷，声学排放ndt都需要精确的传感仪器表征。瑞士地震局的研究人员隶属于苏黎世Eth的岩石物理和力学实验室，在ComsolMultiphysics®软件中建立了一个模型，以表征PZT传感器，以用于板材材料的球冲击测试。用于这些测试的设备如下所示。
瑞士团队用于PZT传感器实验测试的设备（左）的插图。传感器阵列与工件（右）的布置。R. Wu，P。A。Selvadurai，C。Chen和O. Moradian的图像。获得许可CC由4.0， 通过施普林格。
当用作表征过程的一部分时，测试设备将各种尺寸的金属球掉到均匀的金属工件上。每个球的影响在超声波频率范围内产生声波。通过在这些受控条件下测量传感器行为，研究人员获得了用于数值表征过程中的数据。
在Wu等人（2021）中进行的球滴测试的一个例子。
DG-FEM建模可以实现PZT传感器的数值表征
为了从PZT传感器跟踪的波行为中获取有用的信息，研究人员可以将测试结果与半无限同质和各向同性弹性板中的波的计算出来进行比较。计算基于广义射线理论的弹性应力波如何传播的过程称为“羔羊的问题”。羔羊对给定材料（称为“绿色功能”）的解决方案是由于点力引起的应力波引起的弹性干扰的值。
这些计算可以帮助建立表征PZT传感器的基线，但是这种方法具有重大局限性。在他们的报告发表在非破坏性评估杂志，瑞士研究小组解释（参考。1）：
两个主要问题限制了广义射线理论在计算格林功能方面的应用。首先，振幅光谱的角频率原位AE事件可能低至数百个Hz至几个KHz。[…]这需要大量的计算负载，以获得Green功能的大量可能的射线路径。其次，样品有限使与LAMB的问题不现实有关的半无限条件进行实验室研究，因此，有限弹性板的侧面反射的射线路径不可忽视。
该团队通过在Comsol多物理学中的明确，不连续的Galerkin有限元方法（DG-FEM）建模来解决这些问题。基于仿真的方法使他们能够在边界条件中获得与有限的现实测试案例相当的边界条件中的值。
优化网格以降低模拟的计算成本
PZT表征模型是使用弹性波，时间显式界面，可用于模拟包含许多波长的大间隔的弹性波的传播。该模型通过Heaviside Step Force-Time函数激发了数值从1 KHz到1 MHz的True Green功能。它使用一个相对细的网格来找到Green的高频波的功能，并找到更粗的网眼来找到Green的低频功能。在下面进一步解释了网格优化过程及其对计算效率的积极影响。
将三个网眼的插图应用于一个工件，以进行模拟的球下降测试。这三个三个位置的密集网状区域表示将安装PZT传感器的点。在右边，弹性波，时间显式界面显示避免太小元素网格优化工具。
当使用时间显式DG-FEM公式进行建模时，求解器所采用的时间步长受网格元件尺寸度量的最小值相对于最大波速（通常是固体中的压力波速度）。这意味着仔细的网格划分对于获得最佳性能很重要。在左上图的图像中，从上到下的三个网格在优化过程中显示渐进步骤。顶部的网格显示一个自由的四面体网格，并在PZT传感器的位置进行了细化，以进行实验室测试。中央网格显示出轻微的变化，因为避免太小元素工具（计算时间减少了因子2）。在底部的网格中，我们看到了进一步的简化，因为三角形网被扫过11层水平面。结构化的网格导致自由度降低（DOF），并帮助模型的内存需求减少了2倍，其计算时间却减少了5倍。
当然，如果损害模型性能，简化的网格将无济于事。幸运的是，这三个模型均显示出在两个测量点的模拟波响应的响应中几乎相同的结果。通过使用更粗的网格来测量较长波长的模拟波来实现进一步的优化，如下所示。
在左侧，一个粗网格，用于模拟建模的钢板上的低频波传播。高频模拟波行为是使用右侧显示的较细网格捕获的。R. Wu，P。A。Selvadurai，C。Chen和O. Moradian的图像。获得许可CC由4.0， 通过施普林格。
粒子运动速度场的幅度，使用细网模型模拟，在8.6纳秒（左）和25.8纳米秒（右）。R. Wu，P。A。Selvadurai，C。Chen和O. Moradian的图像。获得许可CC由4.0， 通过施普林格。
下一步进行进一步学习
在基于建模的实验测试之后，团队确认他们的基于DG-FEM的过程使他们“绝对校准PZT传感器，从而正确解释AE监视的地面运动信息”。（（参考。1）展望未来，他们计划完善自己的模型，以进一步研究一系列材料中的断裂传播。
相关资源
- 尝试此教程模型：
- 查看这些博客文章和视频：
参考
- R. Wu，P。A. Selvadurai，C。Chen和O. Moradian，“使用弹性动力学的体波重新访问压电传感器校准方法”，”非破坏性评估杂志，卷。40，不。68，2021，https://doi.org/10.1007/s10921-021-00799-1
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