超聲實(shí)驗(yàn)中遲到波成因和影響因素的探究

馬聆越,孫文博

(1.清華大學(xué)附屬中學(xué),北京 100084； 2.清華大學(xué) 物理系，北京 100084)

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超聲實(shí)驗(yàn)中遲到波成因和影響因素的探究

馬聆越1,孫文博2

(1.清華大學(xué)附屬中學(xué),北京 100084； 2.清華大學(xué) 物理系，北京 100084)

在超聲實(shí)驗(yàn)及探測中，在第一次和第二次底面回波之間存在一系列等間距的衰減波包. 利用縱波探頭對不同材質(zhì)和規(guī)格的試塊產(chǎn)生的這些衰減波包分別測試其聲時，分析了它們的形成原因和影響因素.

超聲；遲到波；波形轉(zhuǎn)換

在超聲實(shí)驗(yàn)中用縱波探頭對鋼、鋁試塊測量縱波聲速或探傷檢測時，筆者在第1次底面回波和第2次底面回波之間觀察到一系列衰減波包(在第2次底面回波和第3次底面回波之間出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象)，但實(shí)驗(yàn)講義和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中并未涉及這些回波的來源及影響因素，本文將對這些回波的產(chǎn)生原因和影響因素進(jìn)行深入的探究和分析.

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[1-4]，超聲無損檢測被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域. 在超聲探測時，示波屏上除了始波、底波和缺陷波外，還會出現(xiàn)其他的信號，主要有遲到波、三角反射波、儀器及探頭引起的雜波等偽缺陷波[5-6]. 偽缺陷波并非工件中缺陷所造成的反射信號，但這類波的存在影響對缺陷波的正確判斷，應(yīng)加以識別. 其中遲到波是在1次底波后出現(xiàn)的固定位置的特殊回波. 因此了解遲到波的成因，正確認(rèn)識遲到波，避免超聲檢測中把遲到波誤認(rèn)為缺陷波，對于超聲探傷和無損檢測也具有重要意義.

1　實(shí)驗(yàn)原理

為了分析遲到波的形成與哪些因素有關(guān)，實(shí)驗(yàn)中分別用縱波探頭對2種不同幾何尺寸的鋼試塊和同樣幾何尺寸、不同材料的鋼及鋁試塊進(jìn)行測量. 所用探頭的晶片直徑為φ22 mm,工作頻率為3.5 MHz. 鋼試塊1和鋁試塊幾何尺寸相同，均為300 mm×130 mm×20 mm. 鋼試塊2材質(zhì)和鋼塊1相同，厚25 mm.

實(shí)驗(yàn)測量儀器為數(shù)字智能化的超聲波分析測試儀，如圖1所示. 它主要有主機(jī)、超聲波發(fā)射接收卡、A/D轉(zhuǎn)換卡和超聲波換能器(探頭). 主機(jī)是整個系統(tǒng)的樞紐，完成系統(tǒng)的控制操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)的分析處理. 超聲卡實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射和接收功能，A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了超聲波接收信號的數(shù)字化. 利用計(jì)算機(jī)的控制和高速運(yùn)算功能對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字處理以實(shí)現(xiàn)超聲波分析測試智能化.

圖1　超聲波分析測試儀器

測量時將縱波探頭放在試塊上方，讓探頭與試塊緊密接觸，探頭在高壓負(fù)脈沖激勵下產(chǎn)生有一定周期的波包，該波包在試塊中傳播遇到缺陷或界面時發(fā)生反射，反射回波被同一個探頭接收顯示在示波器(計(jì)算機(jī)顯示器)上. 實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是正確判斷超聲波經(jīng)試塊底面反射產(chǎn)生的第1次和第2次底面反射回波(簡稱底波)，調(diào)整增益使待測信號能夠完整且清晰地顯示，避免信號振幅過大或過小，以減小測量誤差. 分別測量縱波探頭在鋼、鋁不同試塊不同側(cè)面中2次底面回波之間的一系列衰減波包對應(yīng)的聲時和聲程，以分析其產(chǎn)生原因和影響因素.

2　實(shí)驗(yàn)測量與分析

2.1超聲實(shí)驗(yàn)中觀察到2次底波之間的一系列衰減波

圖2是將縱波探頭置于鋼試塊1的20 mm×300 mm面沿130 mm方向測量時示波屏上顯示的典型超聲回波信號. 從圖2可以看到示波屏上在每2個底波間均存在一系列的衰減波信號. 在試塊上沿300 mm方向移動探頭時這一系列衰減波包一直穩(wěn)定存在，回波信號的強(qiáng)度和位置均不隨探頭位置的改變而改變. 鋁試塊中衰減波包的波形和鋼塊1相似，但回波位置與鋼試塊中不同. 圖3為探頭放在鋼塊2寬面(100 mm×300 mm)沿25 mm方向測量時示波屏上顯示的超聲回波信號，可以看到圖中只有底面回波的多次反射信號，在底面回波之間沒有出現(xiàn)衰減回波信號.

圖2　縱波探頭置于鋼試塊1的窄面時顯示的超聲波型

圖3　探頭置于鋼塊2寬面顯示的超聲波型

2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1為同一縱波探頭分別置于相同幾何尺寸的鋼試塊1和鋁試塊的20 mm×300 mm 面、聲波沿130 mm方向傳播時及鋼試塊2的25 mm×300 mm 面、沿100 mm方向測量的各衰減波聲時及相鄰信號的聲時差.

表1　用縱波探頭在鋼試塊1,2和鋁試塊中測量的各衰減波聲時及相鄰信號的聲時差

1)同一試塊中各衰減波的位置固定，相鄰衰減波信號間的聲時差相等. 同一試塊，左右移動探頭，各衰減波包的位置不變.

2)相鄰衰減波間的聲時差與試塊材質(zhì)和試塊幾何尺寸有關(guān). 相同幾何尺寸的鋼試塊和鋁試塊中相鄰波包間的聲時差明顯不同；相同材質(zhì)的2個鋼試塊厚度不同，相鄰波包的聲時差也不同.

3) 衰減波包的出現(xiàn)與探測面有關(guān). 只有將探頭放置于細(xì)長面(20 mm×300 mm;130 mm×300 mm) 時2次底面回波間才出現(xiàn)系列衰減波. 當(dāng)探頭置于寬面(130 mm×300 mm)時，2次底面回波之間不出現(xiàn)衰減波包.

4)衰減波包個數(shù)與試塊幾何尺寸有關(guān)，傳播距離越長，窄邊尺寸越小，出現(xiàn)的波包個數(shù)越多.

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)中把探頭置于試塊的窄面(如20 mm×300 mm)表面測量時2次底波間才會出現(xiàn)衰減波，說明衰減波的出現(xiàn)可能與縱波波束的擴(kuò)散及試塊窄面兩側(cè)的側(cè)壁對擴(kuò)散波的反射時的波型轉(zhuǎn)換有關(guān). 當(dāng)超聲縱波斜入射到固體表面，在固體界面發(fā)生反射與折射，不僅會產(chǎn)生反射或折射縱波，也會產(chǎn)生反射或折射橫波. 這種由縱波通過反射或折射產(chǎn)生橫波的現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換. 反射波傳播方向遵守反射定律(斯涅耳定律)：

(1)

式(1)中αL表示縱波入射角，γL表示縱波反射角，γS表示轉(zhuǎn)換橫波反射角，CL1表示第1種材料中縱波聲速，CS1表示第1種材料中橫波聲速. 波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象一般發(fā)生在斜入射的場合，而且與界面兩側(cè)媒質(zhì)的狀態(tài)有關(guān).

圖4給出超聲實(shí)驗(yàn)中第1和第2次底波之間衰減波形成的原理示意圖. 當(dāng)把縱波探頭P置于鋼或鋁試塊的窄長面(如圖4中AB面)上檢測時，擴(kuò)散縱波波束(FE)斜入射到試塊的側(cè)壁BD面,被BD面反射，反射的部分包括縱波和發(fā)生波型轉(zhuǎn)換的橫波. 縱波(圖中未畫出)經(jīng)側(cè)壁和底面

圖4　衰減波形成原理示意圖

的反射后被探頭捕獲，因縱波速度大，試塊尺寸較小，經(jīng)側(cè)面和底面反射的縱波聲時與直接由底面反射的縱波聲時相差無幾，形成第1次底面回波的波包. 而反射波中經(jīng)波型轉(zhuǎn)換成為橫波的部分(EG)，因橫波速度比縱波速度小近一半，橫波聲程變長(EG>NG)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換橫波的聲時比縱波的聲時明顯增加. 橫波EG斜入射到試塊另一側(cè)面AC,被AC反射的波既有橫波GK，也有再次發(fā)生波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的縱波GI,縱波GI被底面CD反射后(IM)經(jīng)兩側(cè)面多次反射(MN-NO)回到探頭，被探頭接收產(chǎn)生第1個衰減波信號. 每次超聲波被試塊界面反射時，無論縱波和橫波均發(fā)生與E點(diǎn)和G點(diǎn)類似的波型轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，每多經(jīng)歷1個橫波聲程，到達(dá)探頭的聲時會延長一定時間. 經(jīng)歷1個橫波聲程的回波信號形成第1個衰減波，經(jīng)歷2個橫波聲程的超聲波信號是第2個衰減波，依此類推，經(jīng)歷n個橫波聲程的信號為第n個衰減波. 聲波在傳播過程中經(jīng)2個側(cè)面的多次反射回到超聲探頭，因此兩底波之間會出現(xiàn)一組衰減波信號. 隨著聲程不斷增大，振幅逐漸衰減. 另外，轉(zhuǎn)換波型的回波必須經(jīng)底面反射才能回到探頭被接收，因此這些經(jīng)過波型轉(zhuǎn)換的回波信號總是出現(xiàn)在第1次底波之后，故稱之為遲到波或延遲波.

根據(jù)圖4中遲到波的形成原理，可以推導(dǎo)相鄰2個遲到波之間的聲時差和聲程差. 設(shè)試塊的兩側(cè)壁間厚度為d，探頭發(fā)射的縱波垂直入射試塊方向傳播的長度為L(如圖4所示)，則縱波發(fā)射后在試塊中不發(fā)生波型轉(zhuǎn)換經(jīng)底面反射后到達(dá)探頭的聲時(從探頭發(fā)射到接收的時間)為

(2)

式中：t0表示探頭延遲(超聲波在探頭內(nèi)傳播時間)，L表示縱波沿直線傳播方向的試塊長度，CL為試塊中縱波波速.

(3)

記n為轉(zhuǎn)換橫波被2個側(cè)壁(厚度為d)反射的次數(shù),則第n個遲到波的聲時為

(4)

由(2)和(4)式得到相鄰2個遲到波之間的聲時差Δt為

Δt=T1-T0=T2-T1=T3-T2=

(5)

用(5)式能很好地解釋前面所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)試塊中有遲到波產(chǎn)生時，同種材料的聲速相同，相鄰遲到波之間的聲時差與試塊厚度d有關(guān). 當(dāng)d較大時Δt變大. 鋼試塊2比鋼試塊1厚，所以鋼試塊2中Δt比鋼塊1的值大. 對相同尺寸的鋼試塊1和鋁試塊，d相同，但聲速CL和CS不同，所以同樣尺寸的鋼和鋁試塊中相鄰遲到波之間的聲時差也不同. 下面用(5)式對鋼和鋁試塊中的Δt進(jìn)行定量計(jì)算.

雖然擴(kuò)散縱波斜入射到試塊側(cè)壁的很多位置都可產(chǎn)生反射橫波，但對應(yīng)不同入射角產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換橫波的反射角不同，有些位置的反射橫波及縱波經(jīng)2個側(cè)面多次反射后不能到達(dá)探頭被接收，也就不能被檢測到. 另外不同入射角產(chǎn)生的橫波強(qiáng)度不同，只有當(dāng)轉(zhuǎn)換橫波強(qiáng)度較大時，才能經(jīng)側(cè)壁多次反射到達(dá)接收探頭被檢測出來. 如果轉(zhuǎn)換橫波強(qiáng)度較弱，在傳播過程中經(jīng)過衰減很難被探測到. 據(jù)文獻(xiàn)[6]報(bào)道，縱波斜入射到鋼/空氣界面，當(dāng)αL≈70°，αS≈33°時，轉(zhuǎn)換橫波最強(qiáng).

已知鋼中縱波聲速CL=5 900 m/s, 橫波聲速CS=3 230 m/s；鋁材料中CL=6 260 m/s，CS=3 080 m/s. 鋁試塊中當(dāng)αL=70°時，由(3)式可計(jì)算出αS=28°. 將鋼和鋁的縱波波速和橫波波速分別代入(5)式，計(jì)算出鋼、鋁試塊中相鄰遲到波的聲時差為

Δt鋼=0.26d,

(6)

Δt鋁=0.28d.

(7)

(6)和(7)式中d的單位取mm. 對鋼試塊1:d鋼1= 20 mm; 鋼試塊2：d鋼2= 25 mm;鋁試塊：d鋁=20 mm. 將這些值分別代入(6)和(7)式，得：Δt鋼1=5.2 μs，Δt鋼2=6.5 μs，Δt鋁=5.6 μs.

將上述理論推導(dǎo)計(jì)算的聲時差與表1中實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果相比較，可分別計(jì)算出鋼試塊1、鋼塊2和鋁塊中實(shí)驗(yàn)測量的相鄰衰減波之間的聲時差的平均值與理論值的相對偏差分別為0.2 %,0.6 %和0.9 %. 理論值與實(shí)驗(yàn)值相對偏差很小，說明了理論模型的正確性.

另外，2次底波之間遲到波的個數(shù)也可以從上述理論模型中推導(dǎo)出來. 從(5)式可以容易地推出相鄰遲到波之間的等效聲程差為

(8)

將鋼試塊的參量代入(8)式，得

Δx鋼=0.76d.

(9)

設(shè)在第1次和2次底波之間能夠檢測到的遲到波的個數(shù)為n，則有

(10)

從(10)式可知，只有當(dāng)L>0.76d時，n>1，才能在第1次底波之后出現(xiàn)遲到波，對同種材料的試塊，能夠檢測到的遲到波的個數(shù)與試塊的厚度和長度有關(guān). 分別將鋼試塊1和2的數(shù)據(jù)代入(10)式得到2個鋼試塊中可檢測到遲到波的個數(shù)分別為n1≈8，n2≈5.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果相同，表明了理論模型的正確.

3　結(jié)束語

分析了超聲實(shí)驗(yàn)中2次底波之間系列衰減波的成因及影響因素. 分析表明：這些衰減波不是常規(guī)缺陷波，其產(chǎn)生條件是探頭尺寸和試塊厚度相近、探頭發(fā)射的縱波聲束具有一定的擴(kuò)散. 擴(kuò)散的超聲縱波斜入射到試塊側(cè)壁，被側(cè)壁反射時發(fā)生了波型轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致聲程變長，聲速減慢. 據(jù)此模型從理論上推導(dǎo)出相鄰遲到波之間的聲時差和聲程差公式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果十分吻合，證明了理論模型的正確性.

[1]宗和厚，張偉斌，肖麗，等. 超聲端點(diǎn)反射法檢測PBX表面裂紋深度[J]. 含能材料,2016，24(2):166-170.

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[責(zé)任編輯：郭偉]

Formation mechanism and affecting factors of delayed wave in ultrasonic experiments

MA Ling-yue1, SUN Wen-bo2

(1.Attached High School of Tsinghua University, Beijing 100084, China;2.Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In ultrasonic experiment, there were a series of decaying wave packets with equal spacing between the first and the second wave packets reflected by the bottom surface of the rectangular block. Different types of longitudinal wave ultrasonic transducers and different materials with different geometry sizes were used to measure the spread time of the decayed waves in the experiment. The formation mechanism and influencing factors of these decayed waves were analyzed.

ultrasonic wave; delayed wave; waveform conversion

2016-03-11；修改日期：2016-04-14

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金(No.J1210018)；教育部基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃資助(No.20160204)

馬聆越(1999-),男，北京人，清華大學(xué)附屬中學(xué)學(xué)生.

孫文博(1980-)，男，遼寧錦州人，清華大學(xué)物理系工程師，學(xué)士，從事實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)工作.

學(xué)生園地

O426,2;TB559

A

1005-4642(2016)09-0032-05