基于CIVA軟件分析探頭帶寬對超聲波探傷定量的影響

林章敏 華 磊 肖 峰 王 翔 劉 剛 胡 屈 劉海波

（1、安徽馬鋼表面技術(shù)股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000 2、寶武集團馬鋼軌交科技材料有限公司,安徽 馬鞍山 243000）

1 概述

超聲波探傷是根據(jù)超聲波入射到介質(zhì)中，遇到介質(zhì)改變會發(fā)生反射，根據(jù)反射波的特性確定當(dāng)量的位置、大小及其性質(zhì)。目前，國、內(nèi)外大部分的超聲波探傷標(biāo)準是以缺陷的當(dāng)量大小和測量缺陷指示長度驗收的。因此，超聲波探傷定量的分析有著重要意義。超聲波探傷的缺陷理論計算都是通過單頻連續(xù)脈沖波聲壓公式推導(dǎo)而來的，但在實際運用中是多頻脈沖波，二者有何不同，查以往的研究文獻，研究相對缺乏。因此，本文將重點分析討論二者的關(guān)系。

2 超聲波軸線場壓誤差分析

2.1 圓盤波源輻射軸線上的單頻縱波聲場的分布[1,2]

式中P0=ρCU0

ρC——傳聲介質(zhì)的特征聲阻抗；ρ——介質(zhì)密度；C——聲速；U0——聲源振動時的速度振幅；λ——介質(zhì)中的聲波波長；a——圓盤聲源半徑；x——觀察點至聲源中心的距離；式（1）為圓盤波源輻射軸線上的單頻縱波聲場，其分布圖如圖1所示。

圖1 圓盤軸線上的聲壓分布圖

2.2 圓盤波源輻射軸線上的單頻縱波聲場誤差分析

在近場區(qū)（N）內(nèi)，聲壓值在0至2P0連續(xù)變化。因此，對于單頻連續(xù)波而言，即使兩個完全相同的缺陷，如果在不同位置，其回波高度變化較大，使缺陷定量極其困難[3,4]。

當(dāng)x》λ時，根據(jù)牛頓二項式，式(1)可以簡化為式(2)，式(2)超聲波探傷中推導(dǎo)規(guī)則各類反射體回波聲壓的基本公式，也是計算缺陷當(dāng)量的基礎(chǔ)。

式中F——聲源面積;

F=πa2。

根據(jù)式(2)和式(1)對比，當(dāng)缺陷位于一倍近場區(qū)（N）至三倍近場區(qū)（3 N）時，用缺陷當(dāng)量計算法很大誤差，距離越近，誤差越大。當(dāng)缺陷位于一倍近場區(qū)（N）時，根據(jù)式(1)求得此處聲壓P(z)=2P0，根據(jù)式(2)求得此處聲壓為πP0，二者誤差高達57 %，所以公式（2）顯然不適用的。若要求誤差<5 %，則缺陷位于三倍近場區(qū)（3N）。即只有當(dāng)聲程大于三倍近場時，才能使用公式(2)計算缺陷當(dāng)量。對單頻連續(xù)波而言，若要求誤差小于5 %，以常規(guī)超聲波探傷直探頭5P20Z為例，計算可知N≈85mm，3N≈255mm，所以可以得出檢測深度大于255mm時，才適于缺陷當(dāng)量計算方法。因此，三倍近場區(qū)內(nèi)多采用試塊對比方法進行缺陷的檢測，根據(jù)以上的分析，在近場區(qū)（N）內(nèi)，聲壓值連續(xù)在0至2P0進行變化，對比試塊需要做大量不同的深度平底孔進行對比，才能使測量誤差將至最低。

3 CIVA軟件仿真分析

CIVA軟件一款專業(yè)無損檢測仿真平臺，包括超聲、射線、渦流等方法?？梢詫ぜ?、探頭和缺陷進行一比一建模，將實際的檢測環(huán)境完全建模到軟件中，并對其結(jié)果進行仿真模擬等等。根據(jù)查閱文獻可知，由較多實例[5,6]對CIVA仿真可靠性進行了驗證。對不同頻率和不同的直徑，用CIVA軟件模擬結(jié)果和書本上認識到一樣，頻率越大，近場區(qū)越大，探頭越大，近場區(qū)越大。實際超聲檢測中基本上使用的是多頻脈沖波，此時使用單頻連續(xù)波的公式是否合理，如下，將重點根據(jù)探頭的帶寬進行分析。

3.1 直探頭不同帶寬的聲場的仿真

CIVA仿真參數(shù)5P20Z常規(guī)直探頭為例，在深度500mm碳鋼中的聲軸線上的聲壓分布，如圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 帶寬20%聲軸線上的聲壓分布

圖3 帶寬50%聲軸線上的聲壓分布

圖4 帶寬60%聲軸線上的聲壓分布

圖5 帶寬70%聲軸線上的聲壓分布

一般來說，對于超探探頭性能指標(biāo)的要求，其中-6dB相對帶寬≥60%。根據(jù)圖4可知，5P20Z直探頭在一倍近場區(qū)內(nèi)最大聲壓和最小聲壓差值為2.2 dB。根據(jù)圖5可知，5P20Z直探頭相對帶寬≥70%時，在一倍近場區(qū)內(nèi)最大聲壓和最小聲壓差值為0.5 dB以內(nèi)。

以上特點為用當(dāng)量方法確定近場區(qū)缺陷用對比試塊提供了理論依據(jù)。根據(jù)以上仿真結(jié)果，在一倍近場區(qū)以內(nèi)的最后一個極小值和近場區(qū)的極大值對定量影響極大，因此，在該處制作平底孔為距離波幅曲線的制作，可以提高缺陷定量的準確性。

根據(jù)以上仿真結(jié)果顯示，帶寬不同，軸線上的縱波聲場有很大不同。探頭采用的脈沖波的波形愈窄(即頻帶愈寬)，探傷結(jié)果的理論值和實際值愈接近。近場區(qū)內(nèi)確定缺陷當(dāng)量一般用對比試塊加插入法，使用窄脈沖探頭能提高缺陷定量的準確性。原因是帶寬越寬，不同頻率分量的極值點愈密集，且位置相互錯開，這樣相互疊加的結(jié)果就使總聲壓趨于平緩。這也是寬帶探頭不同于單頻波探頭的顯著特點之一。

3.2 直探頭不同帶寬的缺陷檢測的仿真

采用常規(guī)直探頭5P20Z，深度300mm普通碳鋼中的不同帶寬的缺陷檢測的仿真。深度分別為10mm，20mm，30mm，42mm，60mm，85mm、100mm，120mm，150mm，200mm，直徑?1mm平底孔，如圖6。

圖6 不同深度的平底孔建模

圖7、圖8、圖9、圖10分別為帶寬20%、50%、60%、70%通過CIVA軟件仿真聲軸線缺陷反射波高，從在缺陷42mm效果分析，帶寬70%聲軸線上的反射波高比帶寬60%、帶寬50%、帶寬20%聲軸高2dB、3dB，19dB。聲軸線上的反射波高的變化相對帶寬的變化更快，結(jié)果再一次證明，帶寬越高對近場區(qū)的缺陷的定量越精確。

圖7 帶寬20%聲軸線缺陷反射波高

圖8 帶寬50%聲軸線缺陷反射波高

圖9 帶寬60%聲軸線缺陷反射波高

圖10 帶寬70%聲軸線缺陷反射波高

從仿真結(jié)果來看，聲軸線缺陷反射波高和聲場仿真趨勢基本一直，近場區(qū)探傷聲軸線上的缺陷反射波高起伏波動。當(dāng)帶寬到達70%時，缺陷反射波高起伏波動相對較??；當(dāng)達到近場區(qū)以后，聲軸線上的聲壓振幅，不再有起伏波動。

從仿真結(jié)果來看，在近場區(qū)中，帶寬對聲場橫截面聲壓影響較大，當(dāng)帶寬較低時，產(chǎn)生較多的旁瓣與柵瓣，影響聲束的能量，因篇幅所限，將另行撰文進行分析。

4 結(jié)論

4.1 超聲波探傷探頭使用的多頻脈沖波，可用數(shù)值仿真的方法確定聲軸線上的聲壓分布，為提高缺陷定量的準確性提供了前提條件。

4.2 CIVA聲場仿真表明，多頻脈沖波在近場內(nèi)的聲壓分布較單頻連續(xù)波平緩，其最小值遠大于零。證實了對多頻波軸線場壓的推斷，為在近場區(qū)使用試塊對比法檢測缺陷當(dāng)量提供了有力依據(jù)。

4.3 鑒于近場區(qū)探傷是不可避免的，為提高定量的準確性，探頭購買時有必要對探頭帶寬進行強制檢測。根據(jù)其檢測結(jié)果，在通過仿真軟件分析聲場分布結(jié)果后，制作不同的深度平底孔的為適應(yīng)不同參數(shù)的探頭，為進一步提高缺陷準確性提供了有力保證。

4.4 CIVA聲場和缺陷檢測仿真證實，帶寬越寬，在近場區(qū)內(nèi)的聲壓波動幅度愈小，有利于提高近場區(qū)內(nèi)缺陷定量的準確性。在遠場區(qū)，脈沖波的軸線聲壓變化類似于單頻波的聲壓變化，中心頻率附近的能量對聲場分布具有決定性的作用。同時證明三倍近場區(qū)外，用單頻波聲壓公式(1)計算缺陷當(dāng)量具有合理性。