李 迎

（深圳職業(yè)技術(shù)學院 廣東 深圳 518055）

基于VB的動畫仿真系統(tǒng)在高職超聲檢測課程中的應用

李 迎

（深圳職業(yè)技術(shù)學院 廣東 深圳 518055）

基于Visual Basic軟件開發(fā)環(huán)境，對超聲檢測課程中三個重要的基本原理進行動畫仿真開發(fā)并將其應用于實踐教學，以豐富教學內(nèi)容、提高教學效果。

VB；動畫仿真系統(tǒng)；高職；超聲檢測

目前，高職課堂教學面臨著課程學時減少、難度增大、學生文化基礎薄弱、缺乏學習興趣等困難。如何提高課堂教學質(zhì)量，創(chuàng)新教學方法，是值得深入研究的重要課題。

超聲檢測是無損檢測方向一門十分重要的課程，需要學生在理論基礎與操作能力上有透徹的理解和嫻熟的應用。由于超聲檢測的部分理論知識枯燥艱深，課堂教學難以讓學生建立感性認識，不容易激發(fā)學生的學習興趣。若建立實驗室平臺則耗時、耗材。如果對這些重要知識點借助計算機進行仿真教學，不僅方便經(jīng)濟，還可以通過修改參數(shù)、變換模型，讓學生隨時觀察到系統(tǒng)模型各變量變化的全過程。這樣就使學生的學習過程由感性到理性，學生將更深刻地理解超聲檢測技術(shù)。可以此為基礎，調(diào)動學生進行模擬仿真學習的積極性與參與性，逐步實施基于工作過程的自主學習型高技能人才培養(yǎng)模式。

目前，可以實現(xiàn)仿真的軟件很多，基于VB來編寫教學仿真系統(tǒng)相對而言直觀、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三個知識點為例，介紹VB在超聲檢測教學中的仿真應用。

A型脈沖反射式超聲波探傷

（一）基本原理

在一定重復頻率的同步脈沖信號觸發(fā)下，發(fā)射電路以相同的重復頻率產(chǎn)生高頻高壓脈沖信號，該信號激勵換能器以相同的重復頻率發(fā)射同頻率的超聲波。這種超聲波傳導于工件中，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，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，在同步信號的觸發(fā)下，時基電路以相同的重復頻率產(chǎn)生時基信號，給顯示器的水平偏轉(zhuǎn)板產(chǎn)生時基掃描線。這樣，接收信號的波形便顯示于示波屏，根據(jù)示波屏上顯示信號的位置、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)

探傷平臺仿真系統(tǒng)涉及信號發(fā)送、超聲波工件探傷和接收信號顯示三大部分，如圖1所示。信號發(fā)送部分包括同步信號、時基電路和發(fā)射信號三個演示框。探傷平臺部分用藍色實體方框表示被測工件，紅色實體方框表示換能器（探頭），黃色實體方框表示工件內(nèi)部缺陷，探頭接收到激勵信號產(chǎn)生超聲波，傳播到工件內(nèi)部進行探傷，同時探頭經(jīng)接收電路將微弱的反射信號進行放大處理在顯示器部分演示出來，讓缺陷回波信號位置隨缺陷埋深的變化而變化。演示平臺上還設置了頻率、幅值等調(diào)節(jié)參數(shù)，通過這些參數(shù)的變化，學生可以更深刻地理解超聲檢測原理。

程序關(guān)鍵部分是超聲波激勵信號的模擬演示。筆者引用的激勵信號為加窗正弦波信號，表達形式為 Vin（t）=A[H（t）-H（t-n/其中A表示信號幅值，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）教學應用

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知識點。學生很難把同步信號、時基信號、發(fā)射信號等概念以及它們之間的聯(lián)系掌握清楚。為此，教學可安排在實訓室進行，一方面，學生自行演示并操作仿真軟件方便理解超聲檢測設備內(nèi)部的電路運行情況，另一方面，讓學生選擇檢測系統(tǒng)搭建試驗平臺，同時在超聲探傷儀屏幕上觀察檢測結(jié)果。這樣，讓學生將軟硬件結(jié)合，動手操作和學習結(jié)合，能極好地調(diào)動學生的學習興趣，使學生深入理解超聲探傷基本工作原理，為后續(xù)實訓操作奠定了基礎。

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，將會在界面處發(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，演示平臺中包括參數(shù)設置和聲波傳播演示兩部分。參數(shù)設置涉及兩種異質(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，有助于學生對材料信息的了解。一旦調(diào)節(jié)入射角，用直線條表示的超聲波隨即在平臺部分顯示出來，借助不同顏色區(qū)分入射、反射和折射的縱波與橫波，線條的粗細用來表示信號能量的強弱。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，當條件滿足，可以清晰掌握折射角達到90°時波形軌跡的變化，這會使學生對第一臨界角和第二臨界角的理解更加深入。程序編制過程需要注意的是當入射角達到第一臨界角時，在介質(zhì)2中只有橫波而無縱波，此時反射縱波能量加強，當入射角達到第二臨界角時，在介質(zhì)2中既沒有橫波也沒有縱波，反射橫波沿界面?zhèn)鞑ァ?/p>

圖2 超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時反射和折射仿真圖

（三）教學應用

這部分是超聲檢測的重要知識點。在傳統(tǒng)教學中，學生由于不熟悉超聲波傳播特性，只能死記公式，無法靈活運用，對臨界角的概念理解不清。在教學中，可將仿真軟件與練習題相結(jié)合，教師先介紹仿真軟件的使用，隨即讓學生進行仿真操作，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，觀察第一、第二臨界角的產(chǎn)生條件與時機，同時結(jié)合仿真動畫理解斯奈爾公式每個參數(shù)的含義，再結(jié)合練習題進行公式運用，之后將公式計算結(jié)果在仿真軟件中進行驗證，保證了學生全面掌握超聲波傳播原理與斯奈爾定律。

超聲縱波聲場

（一）基本原理

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

（二）仿真系統(tǒng)

如圖3所示，演示平臺包括參數(shù)設置和聲場演示兩部分。晶片尺寸和檢測頻率通過滾動條調(diào)節(jié)大小，從而表現(xiàn)出對聲場的影響。演示部分分別用不同顏色表示被檢工件、探頭、聲場，其中近場區(qū)聲場不擴散，而進入遠場區(qū)聲束開始擴散。當分別改變晶片尺寸和檢測頻率大小時，可以清晰看到聲場中近場長度與擴散情況的變化。由于晶片尺寸和檢測頻率同時決定聲場，因此在程序中需要用到大量條件嵌套語句。

圖3 超聲縱波聲場仿真圖

部分程序如下：

（三）教學應用

晶片尺寸與檢測頻率對聲場與擴散角的影響以及近場的概念是學生必須掌握的重要知識點。知識點的掌握主要還是對公式的理解與記憶。學生通過設置仿真參數(shù)，模擬各種聲場擴散情況，將仿真動畫結(jié)果與公式實例分析互相驗證，不僅能對各參數(shù)的含義有更深入的理解，同時將公式運用到實例能真正實現(xiàn)對聲場全面的理解。

本文介紹的基于VB實現(xiàn)的教學仿真已經(jīng)很好地應用于超聲檢測課程教學，促進了課堂互動，極大地改善了教學效果，強化了學生對知識理解，得到了一致好評，值得教學一線的教師嘗試和持續(xù)改進。目前，該超聲檢測課程已成功申報檢測技術(shù)及應用專業(yè)自主學習型高級能人才培養(yǎng)模式實踐研究教育教學研究項目，并已獲批深圳職業(yè)技術(shù)學院校級精品課程。

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G712

A

1672-5727（2011）04-0173-02

李迎（1976—），女，河北樂亭人，碩士，深圳職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院講師，研究方向為無損檢測與信號處理等。