奥氏体不锈钢作为一种具有良好机械性能、强大耐腐蚀性的材料,在核电工业、石油化工、食品加工和医疗器材制造等领域得到了广泛的应用。为了预防潜在危险,提高安全性,常常需要采用超声无损检测方法对奥氏体不锈钢焊接结构进行缺陷检测。由于奥氏体不锈钢在焊接过程中具有不发生相变的特点,在焊接热循环的作用下,焊缝内部会形成粗大地柱状晶组织。这些柱状晶尺寸巨大,使焊缝整体上呈现出各向异性和不均匀性。在采用超声对焊缝进行检测时,会发生声束的畸变、曲线传播等复杂的物理现象,严重影响检测的灵敏度和准确性。针对以上奥氏体不锈钢超声检测中遇到的困难,本文用模拟的方法对超声在奥氏体不锈钢中的传播行为进行了研究。为了对检测时的基本物理过程有更清楚的认识,研究中首先对超声的产生过程,也就是超声换能器辐射的声场进行了分析,使用多元高斯声束模型模拟了不同类型换能器的辐射声场并给出了可视化的结果。通过与实验测量结果比较,验证了模拟结果的准确性。在此基础上,设计开发了具有良好人机交互界面的声场模拟仿真程序。研究了超声在介质中传播时的声场分布,模拟了超声在平界面、弯曲界面传播时的折射、波形转换和聚焦/散焦等行为。利用各向异性介质中的多元高斯声束模型,模拟了超声从各向同性介质入射到各向异性介质中时传播声场的变化,讨论了材料中的晶粒取向角度对超声传播行为的影响。分析了奥氏体不锈钢焊缝中的组织结构特点,通过对焊缝中晶粒取向角度分布的研究,提出了一种基于图像处理技术的晶粒取向识别算法。将该算法应用于奥氏体不锈钢焊缝的宏观金相图像,获得了焊缝中的晶粒取向角度分布。以此为基础,通过将焊缝作为分层介质处理,利用多元高斯声束模型计算了焊缝中的超声声场分布,并预测了声束的传播路径。用一发一收模式的B扫描测量了超声在经过焊缝组织后传播的终点,通过与预测结果的对比验证了模拟的可靠性。