縱波直探頭垂直入射固體界面產(chǎn)生橫波試驗

楊育偉，朱 穩(wěn)，魯 元

（西安特種設備檢驗檢測院，西安 710065）

按超聲波傳播過程中介質(zhì)質(zhì)點振動方向與波的傳播方向的關系，可將超聲波分為縱波、橫波、表面波等波型，其中，縱波和橫波是實際檢測時使用最多的兩種波型。在板材、鍛件、管材等原材料檢測時用縱波直探頭實現(xiàn)縱波檢測，焊縫檢測時用橫波斜探頭實現(xiàn)橫波檢測。探頭中壓電材料制成的晶片是產(chǎn)生超聲波的核心元件，目前常見的有縱波直探頭和橫波斜探頭，晶片產(chǎn)生的超聲波都是縱波?？v波沿晶片的法線方向傳播并垂直進入工件，即縱波直探頭；縱波在第一臨界角和第二臨界角之間傾斜進入工件，在工件中就產(chǎn)生了折射橫波，即橫波斜探頭。傾斜入射的縱波在第二介質(zhì)中產(chǎn)生折射橫波，垂直入射的縱波在第二介質(zhì)中是否也會有一個橫波還未知。筆者通過介質(zhì)質(zhì)點振動狀態(tài)的定性分析，以及對垂直入射的縱波在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的橫波位置的定量計算，再經(jīng)過試驗來研究垂直入射的縱波是否在固體界面產(chǎn)生橫波。

1 縱波傳播過程中介質(zhì)質(zhì)點振動狀態(tài)的定性分析

振動產(chǎn)生波動，波動是介質(zhì)質(zhì)點振動狀態(tài)的傳播。介質(zhì)質(zhì)點僅在其平衡位置附近做往復振動，并產(chǎn)生微觀上的位移最后又回到平衡位置，而不會產(chǎn)生宏觀上的位移隨波前行。超聲波的縱波、橫波、表面波等波型的傳播都是如此。介質(zhì)質(zhì)點振動方向平行于傳播方向的波為縱波，垂直于傳波方向的波為橫波。下面對縱波傳播過程中，微觀狀態(tài)下聲束中心軸線上的介質(zhì)質(zhì)點和其附近質(zhì)點的振動情況做定性分析，如圖1所示。為討論方便，把x軸的方向稱為縱向，y軸的方向稱橫向。圖中沿縱向、斜向及由斜向分解出的縱向和橫向達到最大位移（即振幅）的質(zhì)點均用加圈的點表示。

圖1（a）所示為時刻0，即擾動前各質(zhì)點的狀態(tài)。此時，中心軸線各質(zhì)點（a、b、c、d、e）、兩側(cè)軸線y＋各質(zhì)點（1、2、3、4、5）及y－各質(zhì)點（6、7、8、9、10）均位于其平衡位置，未產(chǎn)生位移。

圖1（a）所示為時刻1，即擾動后某一時刻各質(zhì)點的振動及位移的狀態(tài)。此時，質(zhì)點a受外力F沿x方向的作用后離開了平衡位置并沿x軸達到了最大縱向位移A（即縱向振幅）。受質(zhì)點a的作用，質(zhì)點b、c、d、e依次受到干擾后開始振動并產(chǎn)生了不同程度的縱向位移。因外力F沿x軸方向作用于質(zhì)點a，所以中心軸線上的各質(zhì)點只做縱向振動產(chǎn)生縱向位移而無其他方向的振動和位移。

圖1（b）～（f）分別為時刻2～時刻5，即擾動后的某四個特定時刻。其時，質(zhì)點b、c、d、e分別達到了最大縱向位移A（也即縱向振幅，圖上用表示波峰位置）。也就是說，受外力F的作用之后，質(zhì)點a把達到縱向振幅的振動狀態(tài)沿縱向依次傳遞給質(zhì)點b、c、d、e。中心軸線上各質(zhì)點的這種縱向振動狀態(tài)沿縱向的傳播即為縱波。

超聲波在彈性介質(zhì)中傳播，介質(zhì)中的各質(zhì)點以彈性力連接并相互作用。當中心軸線上各質(zhì)點（a、b、c、d、e）做縱向振動并產(chǎn)生縱向位移時，其兩側(cè)軸線y＋和y－上的各質(zhì)點（1、2、3、4、5）和（6、7、8、9、10）則分別受到與中心軸線各質(zhì)點相連的彈性力的作用沿斜向振動并產(chǎn)生斜向位移。在質(zhì)點a受外力F作用后的某四個特定時刻，質(zhì)點（1、2、3、4、5）和質(zhì)點（6、7、8、9、10）分別沿斜向達到了最大斜向位移。如圖2所示。

這種斜向位移可以分解為沿x軸的縱向位移和沿y軸的橫向位移。最大斜向位移當然也就分解成為最大縱向位移Ax（也即縱向振幅）和最大橫向位移Ay（也即橫向振幅）。可見，受中心軸線質(zhì)點縱向振動的作用，兩側(cè)軸線各質(zhì)點同時進行著縱向振動和橫向振動，并將這種振動向前面的各質(zhì)點依次傳遞。兩側(cè)軸線各質(zhì)點沿縱向傳播的縱向振動即為主聲束旁的縱波，如圖3所示。而兩側(cè)軸線各質(zhì)點沿縱向傳播的橫向振動應該就是橫波，如圖4所示。

在呂慶貴等［1］的研究中，利用聲場的數(shù)字模擬和光學玻璃圓棒動態(tài)光彈試驗，也發(fā)現(xiàn)垂直入射的縱波后面出現(xiàn)橫波，如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬和動態(tài)光彈試驗的比較

2 縱波入射后產(chǎn)生的橫波定量計算及試驗

試驗采用Hs616e 型數(shù)字式超聲波探傷儀、2.5 MHz／φ20mm直探頭、2.5P13mm×13mmK2斜探頭及CSK－ⅠA 試塊。對該試塊進行聲速測試，測試結(jié)果是縱波聲速為5 974m·s－1，橫波聲速為3 230m·s－1。按縱波聲程1∶1調(diào)節(jié)掃描速度。此時，厚度為t的大平底面的一次底波B1、二次底波B2、三次底波B3在超聲探傷儀屏幕上的位置依次為t、2t和3t。

首先，分析計算幾種不同情況下縱波后的橫波在屏幕上的位置。第一，跟隨在入射縱波后面的橫波到達底面并反射回探頭，這個回波的傳播過程為：入射橫波＋反射橫波，稱之為Bss1，則Bss1＝1.85t，顯然，Bss1應在二次底波B2之前靠近B2的地方；第二，入射縱波到達底面后會產(chǎn)生反射縱波，跟隨在這個反射縱波后面橫波的回波的傳播過程為：入射縱波＋反射橫波，稱為Bls1，則Bls1＝1.425t，Bls1應在一次底波B1和二次底波B2之間略靠近B1的地方；第三，跟隨在二次入射縱波后面的橫波到達底面并反射回探頭，這個回波的傳播過程為：入射縱波＋反射縱波＋二次入射橫波＋二次反射橫波，稱為Bss2，則Bss2＝2.85t，Bss2應在三次底波B3之前靠近B3的地方；第四，二次入射縱波到達底面后會產(chǎn)生二次反射縱波，跟隨在這個二次反射縱波后面的橫波回波的傳播過程為：入射縱波＋反射縱波＋二次入射縱波＋二次反射橫波，稱為Bls2，則Bls2＝2.425t，Bls2應在二次底波B2和三次底波B3之間略靠近B2的地方。

然后，用CSK－ⅠA 試塊25mm 的大平底面對以上計算的幾種回波在屏幕上的位置進行試驗。將一次底波B1自動增益到80%波高，此時，t＝25mm，一次底波B1、二次底波B2、三次底波B3在屏幕上分別位于25，50，75mm 處，如圖6（a）所示，未發(fā)現(xiàn)其他波，考慮到橫波強度較弱，提高增益后發(fā)現(xiàn)在一次底波和二次底波、二次底波和三次底波之間分別有其他波的存在，測試這些波的深度分別為：45.8，35.4，71.9，60.4mm，按前面計算分析，當t＝25mm 時，Bss1＝46.25mm，Bls1＝35.63mm，Bss2＝71.25mm，Bls2＝60.63mm分別與圖6中檢測結(jié)果相對應，并非常接近。

圖6 超聲波試驗截圖

上述分析計算和實際測試的結(jié)果及其偏差如表1所示。

表1 縱波后的橫波計算值、實測值及偏差

當超聲波探傷儀水平線性誤差不大于2%［2］，或者超聲波探傷儀水平線性誤差不大于1%［3］，都屬于誤差允許值內(nèi)，從表1可知，Bss1、Bls1、Bss2、Bls1的計算值與實測值的最大偏差率為0.97%，均小于上述兩個標準規(guī)定的超聲波探傷儀水平線性誤差允許值。所以，可以認為上述縱波入射后產(chǎn)生橫波的分析計算結(jié)果與實際測試結(jié)果相吻合。同樣在張紀周等［4］的研究中，發(fā)現(xiàn)了一次底波和二次底波之間的波，稱為遲到波，就是縱波直探頭垂直入射固體界面在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的橫波。

從試驗還可看出，橫波的強度遠小于縱波。從圖6（a）～（c）可知，以80%為基準，回波B1、Bss1、Bls1的增益分別為：B1＝12.1dB、Bss1＝63.0dB、Bls1＝51.9dB，其增益差分別為：ΔB1／Bss1＝50.9dB、ΔB1／Bls1＝39.8dB。如果衰減48dB，可將80%波高降低為0.312 5%；衰減40dB，可將80%的波高降低為2.5%。也就是說，當B1為80%時，Bss1不到0.312 5%，Bls1僅為2.5%。

3 結(jié)語

通過對縱波傳播過程中介質(zhì)質(zhì)點振動狀態(tài)的定性分析、縱波后產(chǎn)生橫波的定量計算和試驗說明：縱波直探頭垂直入射固體界面時，在第二介質(zhì)中也會產(chǎn)生橫波；由于其強度遠小于縱波，使得該橫波極易被掩蓋，經(jīng)過折射則可以把它和縱波清晰地區(qū)分開，實際檢測中也正是這樣應用的。

［1］呂慶貴，宋愛文，陳以方.棒材中超聲散射場的模擬及信號的識別［J］.無損檢測，2010，32（1）：32－35.

［2］JB／T 10061－1999 A 型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術條件［S］.

［3］JB／T 4730－2005 承壓設備無損檢測［S］.

［4］張紀周，袁世麗，何順開.用縱波直探頭測量新型耐熱鋼材料橫波聲速的方法［J］.無損檢測，2013，35（12）：19－23.