李 迎

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 深圳 518055）

基于VB的動(dòng)畫(huà)仿真系統(tǒng)在高職超聲檢測(cè)課程中的應(yīng)用

李 迎

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 深圳 518055）

基于Visual Basic軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)超聲檢測(cè)課程中三個(gè)重要的基本原理進(jìn)行動(dòng)畫(huà)仿真開(kāi)發(fā)并將其應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，以豐富教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)效果。

VB；動(dòng)畫(huà)仿真系統(tǒng)；高職；超聲檢測(cè)

目前，高職課堂教學(xué)面臨著課程學(xué)時(shí)減少、難度增大、學(xué)生文化基礎(chǔ)薄弱、缺乏學(xué)習(xí)興趣等困難。如何提高課堂教學(xué)質(zhì)量，創(chuàng)新教學(xué)方法，是值得深入研究的重要課題。

超聲檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)方向一門(mén)十分重要的課程，需要學(xué)生在理論基礎(chǔ)與操作能力上有透徹的理解和嫻熟的應(yīng)用。由于超聲檢測(cè)的部分理論知識(shí)枯燥艱深，課堂教學(xué)難以讓學(xué)生建立感性認(rèn)識(shí)，不容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。若建立實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)則耗時(shí)、耗材。如果對(duì)這些重要知識(shí)點(diǎn)借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真教學(xué)，不僅方便經(jīng)濟(jì)，還可以通過(guò)修改參數(shù)、變換模型，讓學(xué)生隨時(shí)觀(guān)察到系統(tǒng)模型各變量變化的全過(guò)程。這樣就使學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程由感性到理性，學(xué)生將更深刻地理解超聲檢測(cè)技術(shù)。可以此為基礎(chǔ)，調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行模擬仿真學(xué)習(xí)的積極性與參與性，逐步實(shí)施基于工作過(guò)程的自主學(xué)習(xí)型高技能人才培養(yǎng)模式。

目前，可以實(shí)現(xiàn)仿真的軟件很多，基于VB來(lái)編寫(xiě)教學(xué)仿真系統(tǒng)相對(duì)而言直觀(guān)、靈活。下面筆者將以A型脈沖反射式超聲波探傷、超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面的反射和折射以及超聲縱波聲場(chǎng)三個(gè)知識(shí)點(diǎn)為例，介紹VB在超聲檢測(cè)教學(xué)中的仿真應(yīng)用。

A型脈沖反射式超聲波探傷

（一）基本原理

在一定重復(fù)頻率的同步脈沖信號(hào)觸發(fā)下，發(fā)射電路以相同的重復(fù)頻率產(chǎn)生高頻高壓脈沖信號(hào)，該信號(hào)激勵(lì)換能器以相同的重復(fù)頻率發(fā)射同頻率的超聲波。這種超聲波傳導(dǎo)于工件中，遇到不連續(xù)性（包括工件底面）后產(chǎn)生反射，該反射回波被換能器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)接收、放大后傳至顯示器的垂直偏轉(zhuǎn)板產(chǎn)生垂直偏轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，在同步信號(hào)的觸發(fā)下，時(shí)基電路以相同的重復(fù)頻率產(chǎn)生時(shí)基信號(hào)，給顯示器的水平偏轉(zhuǎn)板產(chǎn)生時(shí)基掃描線(xiàn)。這樣，接收信號(hào)的波形便顯示于示波屏，根據(jù)示波屏上顯示信號(hào)的位置、高度和特征，可判斷不連續(xù)性的位置、大小和性質(zhì)。

（二）仿真系統(tǒng)

探傷平臺(tái)仿真系統(tǒng)涉及信號(hào)發(fā)送、超聲波工件探傷和接收信號(hào)顯示三大部分，如圖1所示。信號(hào)發(fā)送部分包括同步信號(hào)、時(shí)基電路和發(fā)射信號(hào)三個(gè)演示框。探傷平臺(tái)部分用藍(lán)色實(shí)體方框表示被測(cè)工件，紅色實(shí)體方框表示換能器（探頭），黃色實(shí)體方框表示工件內(nèi)部缺陷，探頭接收到激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生超聲波，傳播到工件內(nèi)部進(jìn)行探傷，同時(shí)探頭經(jīng)接收電路將微弱的反射信號(hào)進(jìn)行放大處理在顯示器部分演示出來(lái)，讓缺陷回波信號(hào)位置隨缺陷埋深的變化而變化。演示平臺(tái)上還設(shè)置了頻率、幅值等調(diào)節(jié)參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)的變化，學(xué)生可以更深刻地理解超聲檢測(cè)原理。

程序關(guān)鍵部分是超聲波激勵(lì)信號(hào)的模擬演示。筆者引用的激勵(lì)信號(hào)為加窗正弦波信號(hào)，表達(dá)形式為 Vin（t）=A[H（t）-H（t-n/其中A表示信號(hào)幅值，n為波峰數(shù)，fc是中心頻率，H（t）是Heaviside階梯函數(shù)。

圖1 A型脈沖反射式超聲波探傷基本原理仿真圖

（三）教學(xué)應(yīng)用

A型脈沖反射式超聲波探傷基本工作原理是較難理解的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生很難把同步信號(hào)、時(shí)基信號(hào)、發(fā)射信號(hào)等概念以及它們之間的聯(lián)系掌握清楚。為此，教學(xué)可安排在實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行，一方面，學(xué)生自行演示并操作仿真軟件方便理解超聲檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部的電路運(yùn)行情況，另一方面，讓學(xué)生選擇檢測(cè)系統(tǒng)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)在超聲探傷儀屏幕上觀(guān)察檢測(cè)結(jié)果。這樣，讓學(xué)生將軟硬件結(jié)合，動(dòng)手操作和學(xué)習(xí)結(jié)合，能極好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生深入理解超聲探傷基本工作原理，為后續(xù)實(shí)訓(xùn)操作奠定了基礎(chǔ)。

超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面的反射和折射

（一）基本原理

當(dāng)超聲波在某一介質(zhì)中以入射角傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，將會(huì)在界面處發(fā)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，即產(chǎn)生反射縱波和反射橫波以及折射縱波和折射橫波。入射角與反射角之間以及入射角與折射角之間符合施耐爾定律。通過(guò)該定律還可以延伸出臨界角的概念。

（二）仿真系統(tǒng)

如圖2所示，演示平臺(tái)中包括參數(shù)設(shè)置和聲波傳播演示兩部分。參數(shù)設(shè)置涉及兩種異質(zhì)材料和入射角的選擇，確定好異質(zhì)材料，右側(cè)的信息欄中將顯示出兩種介質(zhì)的縱波速度與橫波速度，有助于學(xué)生對(duì)材料信息的了解。一旦調(diào)節(jié)入射角，用直線(xiàn)條表示的超聲波隨即在平臺(tái)部分顯示出來(lái)，借助不同顏色區(qū)分入射、反射和折射的縱波與橫波，線(xiàn)條的粗細(xì)用來(lái)表示信號(hào)能量的強(qiáng)弱。隨著入射角的改變，反射波與折射波角度亦隨之發(fā)生變化，當(dāng)條件滿(mǎn)足，可以清晰掌握折射角達(dá)到90°時(shí)波形軌跡的變化，這會(huì)使學(xué)生對(duì)第一臨界角和第二臨界角的理解更加深入。程序編制過(guò)程需要注意的是當(dāng)入射角達(dá)到第一臨界角時(shí)，在介質(zhì)2中只有橫波而無(wú)縱波，此時(shí)反射縱波能量加強(qiáng)，當(dāng)入射角達(dá)到第二臨界角時(shí)，在介質(zhì)2中既沒(méi)有橫波也沒(méi)有縱波，反射橫波沿界面?zhèn)鞑ァ?/p>

圖2 超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)反射和折射仿真圖

（三）教學(xué)應(yīng)用

這部分是超聲檢測(cè)的重要知識(shí)點(diǎn)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生由于不熟悉超聲波傳播特性，只能死記公式，無(wú)法靈活運(yùn)用，對(duì)臨界角的概念理解不清。在教學(xué)中，可將仿真軟件與練習(xí)題相結(jié)合，教師先介紹仿真軟件的使用，隨即讓學(xué)生進(jìn)行仿真操作，模擬各種光疏到光密物質(zhì)、光密到光疏物質(zhì)的超聲波傳播情況，觀(guān)察第一、第二臨界角的產(chǎn)生條件與時(shí)機(jī)，同時(shí)結(jié)合仿真動(dòng)畫(huà)理解斯奈爾公式每個(gè)參數(shù)的含義，再結(jié)合練習(xí)題進(jìn)行公式運(yùn)用，之后將公式計(jì)算結(jié)果在仿真軟件中進(jìn)行驗(yàn)證，保證了學(xué)生全面掌握超聲波傳播原理與斯奈爾定律。

超聲縱波聲場(chǎng)

（一）基本原理

超聲換能器向介質(zhì)中輻射超聲波的區(qū)域稱(chēng)為聲場(chǎng)，通常用聲壓分布與聲場(chǎng)的指向性來(lái)描繪。該聲壓在極大值和極小值間起伏變化，最后一個(gè)極大值點(diǎn)處與聲源的距離稱(chēng)為近場(chǎng)長(zhǎng)度，用N表示，N=D2/4λ。聲場(chǎng)能量主要分布在以聲軸線(xiàn)為中心的一定角度內(nèi)，這種聲束集中向一個(gè)方向輻射的性質(zhì)稱(chēng)為聲場(chǎng)的指向性，用指向角或半擴(kuò)散角θ表示，θ=sin-11.22λ/D。近場(chǎng)長(zhǎng)度和半擴(kuò)散角是描述聲場(chǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵要素，而它們的值主要取決于檢測(cè)頻率和探頭晶片尺寸。

（二）仿真系統(tǒng)

如圖3所示，演示平臺(tái)包括參數(shù)設(shè)置和聲場(chǎng)演示兩部分。晶片尺寸和檢測(cè)頻率通過(guò)滾動(dòng)條調(diào)節(jié)大小，從而表現(xiàn)出對(duì)聲場(chǎng)的影響。演示部分分別用不同顏色表示被檢工件、探頭、聲場(chǎng)，其中近場(chǎng)區(qū)聲場(chǎng)不擴(kuò)散，而進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)聲束開(kāi)始擴(kuò)散。當(dāng)分別改變晶片尺寸和檢測(cè)頻率大小時(shí)，可以清晰看到聲場(chǎng)中近場(chǎng)長(zhǎng)度與擴(kuò)散情況的變化。由于晶片尺寸和檢測(cè)頻率同時(shí)決定聲場(chǎng)，因此在程序中需要用到大量條件嵌套語(yǔ)句。

圖3 超聲縱波聲場(chǎng)仿真圖

部分程序如下：

（三）教學(xué)應(yīng)用

晶片尺寸與檢測(cè)頻率對(duì)聲場(chǎng)與擴(kuò)散角的影響以及近場(chǎng)的概念是學(xué)生必須掌握的重要知識(shí)點(diǎn)。知識(shí)點(diǎn)的掌握主要還是對(duì)公式的理解與記憶。學(xué)生通過(guò)設(shè)置仿真參數(shù)，模擬各種聲場(chǎng)擴(kuò)散情況，將仿真動(dòng)畫(huà)結(jié)果與公式實(shí)例分析互相驗(yàn)證，不僅能對(duì)各參數(shù)的含義有更深入的理解，同時(shí)將公式運(yùn)用到實(shí)例能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)聲場(chǎng)全面的理解。

本文介紹的基于VB實(shí)現(xiàn)的教學(xué)仿真已經(jīng)很好地應(yīng)用于超聲檢測(cè)課程教學(xué)，促進(jìn)了課堂互動(dòng)，極大地改善了教學(xué)效果，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)知識(shí)理解，得到了一致好評(píng)，值得教學(xué)一線(xiàn)的教師嘗試和持續(xù)改進(jìn)。目前，該超聲檢測(cè)課程已成功申報(bào)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用專(zhuān)業(yè)自主學(xué)習(xí)型高級(jí)能人才培養(yǎng)模式實(shí)踐研究教育教學(xué)研究項(xiàng)目，并已獲批深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)精品課程。

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G712

A

1672-5727（2011）04-0173-02

李迎（1976—），女，河北樂(lè)亭人，碩士，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)與信號(hào)處理等。