超聲縱波垂直入射波型轉(zhuǎn)換的討論

,

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司， 秦皇島 066206)

使用縱波直探頭對(duì)鍛件、焊縫、鋼板等工件進(jìn)行超聲檢測(cè)的過程中，回波信號(hào)中會(huì)有缺陷波、底波、遲到波、幾何輪廓波、幾何輪廓波變型波、幻象波等信號(hào)。有些波形可以通過觀察、理論計(jì)算或借助其他輔助方法來鑒別，而有些波形卻較難解釋。

筆者就遇到過以下情況：在以φ2 mm平底孔為掃查靈敏度，縱波直射法檢查無限大(遠(yuǎn)大于聲場(chǎng)直徑)的鍛件、焊縫、鋼板時(shí)，為了避免盲區(qū)和始脈沖占寬影響的近表面區(qū)漏檢，常利用二次底波進(jìn)行檢測(cè)；會(huì)在一次底波(B1)后二次底波(B2)前有兩個(gè)反射微弱、固定位置的回波(F1,F2)，回波幅度約相當(dāng)于φ2 mm平底孔，見圖1(圖中T表示工件厚度)。這兩個(gè)波的產(chǎn)生原因很難解釋，但可以確定這兩個(gè)顯示回波不是缺陷顯示。

圖1 異常波的波形顯示

筆者經(jīng)過理論分析、數(shù)學(xué)計(jì)算和試驗(yàn)得知：接觸法縱波垂直入射時(shí)在被檢測(cè)材料中同樣會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。上述一次底波后二次底波前有兩個(gè)反射微弱、固定位置的回波就是波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的波。

1 理論分析

(1) 超聲波聲場(chǎng)

探頭晶片在儀器激勵(lì)電脈沖的激勵(lì)下，會(huì)產(chǎn)生一束截面與晶片截面尺寸幾乎完全一樣的脈沖機(jī)械波。這一束脈沖波是由很多列脈沖波合成的，在阻尼系數(shù)不同、介質(zhì)表面輕微的凹凸不平、耦合層厚度不均等多種因素的影響下，多列脈沖波的初始相位、幅度、頻率、聲程甚至方向等并不相同；同時(shí)在波的疊加和干涉作用下，質(zhì)點(diǎn)的位移也會(huì)發(fā)生變化，所以在近場(chǎng)區(qū)中不但聲壓存在著極大值和極小值，部分聲束的傳播方向也會(huì)發(fā)生變化，即在多列波束中部分波束和與界面垂直的法線構(gòu)成一定的角度[1]。超聲波的聲場(chǎng)示意如圖2所示。

圖2 超聲波的聲場(chǎng)示意

(2) 超聲波束的指向

超聲波頻率高，波長(zhǎng)短，具有良好的方向性，能定向傳播。晶片產(chǎn)生的是活塞振動(dòng)，波的傳播卻是以球面波的形式傳播的，而球面波本身就具有擴(kuò)散性；在近場(chǎng)區(qū)，由于疊加和波的干涉作用，波的擴(kuò)散性沒有顯現(xiàn)，即聲束有未擴(kuò)散區(qū)，但擴(kuò)散的角度已存在近場(chǎng)聲束中[1]。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，邊緣聲壓為零處的聲束線與聲束中心軸線的夾角稱聲束的指向角，又稱半擴(kuò)散角，用θ表示,θ=arcsin1.22λ/D≈70λ/D。這個(gè)角度的大小與波長(zhǎng)和晶片尺寸有關(guān)。

(3) 超聲波的波型轉(zhuǎn)換

當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí),除了產(chǎn)生同類型的反射波和折射波外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射波和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換[1]。而平面縱波垂直入射到異質(zhì)界面時(shí)，只有同種類型的反射波和折射波，無波型轉(zhuǎn)換。但是，在接觸法縱波垂直入射時(shí)，并非完全是垂直的縱波入射，在上述的(1)和(2)中已做說明。部分聲束相對(duì)于與界面垂直的法線來說是傾斜入射，探頭晶片和被檢材料之間是異質(zhì)界面，晶片和被檢材料的聲速不同，根據(jù)波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律可知，在探頭晶片和被檢材料之間的異質(zhì)界面上就會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，如圖3所示(注：晶片與被檢材料之間有保護(hù)膜和耦合層，保護(hù)膜是以半透聲層設(shè)計(jì)的，耦合層厚度較薄，又因技術(shù)水平和試驗(yàn)條件的限制這里不做討論)。在被檢材料中，不但有透射、折射縱波，也有轉(zhuǎn)換橫波。這些波以某一角度傳播到工件底面，在底面與空氣的界面上再次發(fā)生反射和波型轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的變型波和反射的未變型波經(jīng)底面反射，部分能量被探頭接收，如圖4所示，在熒光屏上就形成如圖1所示的波形顯示。其中F1是第二介質(zhì)中兩種回波的疊加能量和。一種是探頭發(fā)射時(shí)縱波以很小的角度傾斜到工件底面轉(zhuǎn)換反射回來的橫波；另一種是探頭發(fā)射時(shí)縱波以很小的角度傾斜到工件表面，在第二介質(zhì)中直接產(chǎn)生折射橫波，橫波在工件底面再次發(fā)生波型轉(zhuǎn)換而反射回來的縱波。F2是探頭發(fā)射時(shí)縱波以很小的角度傾斜到工件表面，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的折射橫波經(jīng)工件底面反射回來的橫波。

圖3 波型轉(zhuǎn)換示意一

圖4 波型轉(zhuǎn)換示意二

2 數(shù)學(xué)計(jì)算分析

由于鋼中縱波聲速CL(5 900 m·s-1)是橫波聲速CS(3 230 m·s-1)的1.83倍，縱波入射、橫波返回疊加的波形(F1)位置應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)在完全由縱波(傳播時(shí)間)標(biāo)定的板厚T的1.41倍處，而橫波入射、橫波反射的波形(F2)位置應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)在1.82T處。

3 試驗(yàn)

(1) 選取同一頻率(2.5 MHz),直徑為φ10,φ14,φ20 mm的探頭3個(gè)。選取頻率為1，2.5，5 MHz；直徑均為φ20 mm的探頭3個(gè)。6個(gè)探頭檢測(cè)同一個(gè)工件(長(zhǎng)×寬×厚為300 mm×300 mm×120 mm)。檢測(cè)得到的波形顯示結(jié)果和圖1一樣，

在第一次底波和第二次底波之間出現(xiàn)兩個(gè)波，位置與理論計(jì)算一致，只是F1，F(xiàn)2的幅度略有差異。

(2) 選取頻率2.5 MHz，直徑φ20 mm的探頭2個(gè)；用一發(fā)一收雙探頭模式檢測(cè)，發(fā)射探頭不動(dòng)，接收探頭從兩探頭相鄰位置開始移動(dòng)，然后慢慢分開(如圖5所示)，顯示結(jié)果開始如圖1一樣,接收探頭移動(dòng)過程中F2先行消失，F(xiàn)1后消失。F2和F1消失時(shí)兩探頭間的距離基本符合指向角大小所指向的距離。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述理論分析、數(shù)學(xué)運(yùn)算及驗(yàn)證試驗(yàn)得出結(jié)論：使用接觸法縱波垂直入射進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，在被檢材料中同樣會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。

圖5 試驗(yàn)探頭的移動(dòng)示意

[1] 鄭暉，林樹青.NDT全國(guó)特種設(shè)備無損檢測(cè)人員資格考核統(tǒng)編教材[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2008.