超聲波檢測工藝與聲場觀測的虛擬仿真實驗教學研究與實踐

陳振華， 帥珍珍， 敖 波， 盧 超,3

（1. 無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063； 2. 南昌航空大學 文法學院，南昌 330063；3. 贛南師范大學 物理與電子信息學院，江西 贛州 334001）

引 言

超聲波無損檢測技術是利用超聲波在介質中的傳播特性，在不損害被檢對象使用性能的前提下，評估其內外缺陷和不均勻性，并給出缺陷的大小、位置、性質和數量等信息的一門應用型工程技術[1-2]。超聲波無損檢測實驗培養檢測人員的實操能力和數據分析能力，是培養無損檢測人員的重要環節[3-4]。超聲無損檢測技術的試驗教學工作面臨以下問題：首先，受實驗條件的影響，實驗教學所用的檢測對象常為簡單試塊，與實際構件相差較大；其次，操作步驟繁多，教師難以實時監控并及時糾正；第三、學生實訓流于操作表面，不理解操作背后復雜的超聲傳播理論、限制了技能提升的潛力；最后，超聲檢測的實訓實驗教學只能在專門實驗室完成，人手一臺設備和試塊并需要老師現場指導監督完成，教學條件要求和教學成本很高。綜上，超聲檢測技術的實驗教學非常重要且難度很大。

本研究建立了超聲波無損檢測工藝及聲場虛擬仿真實驗平臺，并建立了支撐其良好運行的線上教學體系。通過對實驗步驟的虛擬仿真使學生熟練掌握檢測工藝，在關鍵步驟中引入聲場分析與控制場景使學生深入理解超聲檢測的聲場控制理論基礎。學生通過虛擬仿真實驗理解檢測參數?聲場變化?檢測結果的相互關系，進而培養解決具體工程問題的創新實踐能力。該虛擬仿真實驗平臺及其線上教學體系將有效促進超聲無損檢測教學理念和方法的重大改進，提高無損檢測實踐教學的教學效果；持續推廣后，不僅利于大學教育也可極大增強社會技能培訓效益。

1 虛擬仿真實驗平臺

1.1 仿真對象

本虛擬仿真實驗教學的實驗對象設定為大型筒形鍛件，屬于航空渦輪盤、車輛輪盤、輪軸、閥體等的重要制造原材料[5-7]。受加工工藝的影響，筒形鍛件內部存在多類型、分布復雜的內部缺陷；并且，由于鍛造是零部件精密加工前的最后一個材料成型階段，鍛件質量直接影響零部件使用性能，鍛件超聲檢測顯得尤為重要。為了全面檢測筒形鍛件，需采用縱波直探頭和橫波斜探頭檢測技術對筒形鍛件進行綜合檢測。因此，筒形鍛件的超聲波無損檢測無論是在檢測工藝層面還是檢測對象層面均具有很強的代表性，非常適用于實驗教學工作。

1.2 檢測步驟分解和提煉

本虛擬仿真實驗的具體項目是筒形鍛件的超聲波無損檢測，涉及常規縱波直探頭檢測和橫波斜探頭檢測工藝，可體現構件檢測的獨特性又能夠反映常規檢測的一般要求。虛擬仿真實驗平臺的細化分解圖如圖1 所示，包括：包含預習、知識考核、學習認知的知識學習部分，以及包含縱波直探頭超聲檢測和橫波斜探頭超聲檢測的實驗操作部分。其中，實驗操作部分的關鍵步驟可大致分解為：儀器調整、試塊選型、探頭選型及性能測試、檢測靈敏度調整、掃查過程、缺陷定量、缺陷評級；此外，在實驗過程——“檢測面、探頭、試塊選擇”處插入聲場仿真功能，分析檢測參數度聲場的影響，在實驗過程——“掃查、缺陷定位定量”步驟也插入了聲場仿真功能，由于揭示超聲波聲場與缺陷的相互作用。實驗步驟的分解和提煉對于學生深入掌握超聲波無損檢測的標準操作和基礎理論具有重要作用，也有利于簡化仿真模型和降低網絡的數據傳輸量，是保證該虛擬仿真實驗能夠適用于網絡傳輸和網絡教學的關鍵。

圖1 虛擬仿真實驗的步驟流程圖

1.3 虛擬仿真實驗平臺的系統構建

虛擬仿真實驗平臺的系統架構分為用戶層、用戶接口、系統層、技術層、基礎層和數據庫。用戶層的學習者、教師、管理人員可以通過虛擬仿真實驗教學智能管理開放式平臺進行視頻學習、實驗測試、實驗操作、綜合評價等；系統層主要包括：縱波直探頭檢測實驗、橫波斜探頭檢測實驗、檢測聲場特征觀察實驗。其中，縱波直探頭檢測實驗、橫波斜探頭檢測實驗均包括：“檢測前準備—靈敏度調整—掃查—缺陷記錄與評價——結果反饋”五大環節，而聲場特征觀察實驗則嵌套在上述五大環節內；技術層主要采用了3D 技術、仿真技術、交互技術等現代技術；基礎層主要包括操作系統各數據庫管理系統，主要包括：探頭參數數據庫、缺陷類型及分布數據庫、聲場分布特征數據庫。系統架構如圖2 所示。

圖2 系統架構圖

1.4 考核評價方法

從預習、實驗報告、實操的規范性考核3 個方面對學生做出綜合評價，三方面的考核成績占比分別為：20%、30%及50%，成績分布參見圖3 所示。

圖3 綜合考核評價的成績分布

預習中的考核題目設定為10 個，內容涉及：常用超聲檢測技術原理、超聲場基本理論知識、筒形鍛件超聲檢測標準等；而實驗報告應則應包括關鍵參數測量結果、聲場分布特征及其影響因素、檢測結果及評定結果的準確性和規范性。操作步驟評分則是依托計算機技術對操作步驟進行實施監控和自動評分，按100 分計，具體成績分布參見表1。需要注意的是，為進一步鞏固學生對理論知識的掌握，在操作步驟中增加10 分的理論知識考核內容。

表1 操作步驟評分標準細化

2 圍繞虛擬仿真實驗室項目構建多維線上教學平臺

虛擬仿真實驗超越了時空距離將師生聚集在網絡實驗室中，師生的客觀直接聯系被阻斷，教學過程管理存在不穩定性[8-9]。因此，相比傳統線下教學，線上網絡教學過程更加需要周密的教學組織[10]。課程教學團隊充分利用網絡平臺資源，基于超星泛雅平臺（學習通）考核和問卷、QQ 群資料上傳、騰訊會議開展線上討論，共同構建能夠支撐虛擬仿真實驗穩定運行的多維教學平臺。具體教學活動包括：通過學習通對學生預習情況進行考核、并實現課前和課后問卷；通過QQ 群上傳實操演示視頻、檢測標準、儀器資料等必要材料，使學生能夠方便的獲得教學資源；通過騰訊會議開展疑難問題的線上討論、師生交流，共同解決疑難問題。如圖4 所示，采用多維教學平臺既具備穩定、標準化的教學資源，又兼顧教師與學生的交流互動，共同保障虛擬仿真實驗的良好運行。

圖4 多維線上教學平臺

3 教學實踐與質量評價

3.1 教學實踐

虛擬仿真實驗的場景分布為中部實驗臺、頂部為“南昌航空大學?無損檢測檢測技術重點實驗室”字樣、右上角為功能菜單、右下角為操作細節窗口、左側為整體放大的檢測儀器面板，如圖5 所示。中部試驗臺面按實際實驗要求擺放了檢測儀器、檢測對象及試塊、探頭、耦合劑等；右下角操作細節窗口顯示探頭置于試塊上檢測（移動）過程的操作細節；而左側儀器面板是實際的儀器操作面板，學生可在該面板操作檢測儀器、觀察檢測信號和實驗結果。操作過程中，探頭、儀器、檢測對象及試塊、耦合劑等均可移動，與實際檢測過程一致；學生通過鼠標控制超聲波探頭在檢測試塊及檢測對象上移動，模擬完成基于試塊的儀器標定、距離波幅曲線繪制、檢測靈敏度調整等關鍵操作步驟；同時，可將探頭置于檢測對象上進行超聲波掃查、并對檢測對象中的預埋缺陷進行定位和定量。

圖5 實驗場景

為了能夠使學生深入理解超聲波無損檢測中超聲波聲場控制的理論基礎，在虛擬實驗的關鍵步驟嵌入聲場控制與分析功能。學生通過聲場控制與分析功能直觀觀察超聲波聲場分布特征及其與缺陷的相互作用，幫助學生厘清檢測參數?聲場變化?檢測結果的相互關系，使學生在深入理解超聲檢測聲場控制理論的基礎上培養學生的創新實踐能力。圖6 顯示，虛擬仿真實驗中縱波直探頭檢測的聲場控制及分析場景，直探頭發射超聲波向下輻射，遭遇缺陷發生波形變化。

圖6 聲場控制與分析場景

3.2 質量評價

超聲波檢測工藝與聲場控制的虛擬仿真實驗于2020 年正式在江西省高校虛擬仿真實驗教學共享服務平臺上線，實驗教學團隊從運行服務、教學效果、改進措施3 個方面評估教學質量。運行服務指標重點考察虛擬仿真實驗教學系統的有效性和穩定性、教師在線服務、面向社會提供服務等情況；教學效果指標重點考察項目在本校及其它學校的應用、學生實驗參與度和認可度、對學生能力培養的貢獻度等方面的情況；改進措施指標重點考察項目方案提出的后續建設計劃和持續改進服務計劃落實情況，以及實驗內容更新和資源完善情況等，具體見表2 所示。

表2 質量評價指標及觀測點

超聲波無損檢測工藝及聲場控制虛擬仿真實驗于2020 年9 月認定為省級虛擬仿真實驗教學項目，實驗對象主要為本專業學生，網絡評分達到4.9 分（參與實驗人數：200 人），取得了良好的教學效果。在教學工作運行的半年時間里，針對存在的教學問題，對實驗平臺開展持續建設和改進，最新改進版本將于2021 年3 月上線，屆時平臺教學效果將達到新的更好的效果。

4 結 論

1) 依據無損檢測國家標準結合實際鍛件的缺陷分布，關注虛擬仿真實驗的科學性和有效性，使仿真模型與實際操作過程具有高度的一致性。

2) 通過仿真技術直觀觀察“關鍵操作步驟——聲場分布特征及其與缺陷的相互作用——檢測結果”的相互關系，揭示關鍵參數對檢測聲場及檢測結果的影響，仿真度應能達到定性分析的程度。

3) 構建多維線上教學平臺共同支撐虛擬仿真實驗室的教學工作，可提高虛擬仿真實驗室教學的互動性和穩定性，有效的保障良好的教學效果。

4) 提出由運行服務、教學效果、改進措施三大指標點組成的虛擬仿真實驗教學質量評價方法，通過形成教學活動?質量評價?持續改進閉環不斷促進教學質量的提高。