超聲檢測(cè)中雙晶縱波探頭的選擇機(jī)理

王朝輝,劉 峰,周 麗

(1.遼寧石油化工大學(xué)研究生院,撫順 113001;2.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,撫順 113001;3.撫順特殊鋼質(zhì)量部,撫順 113001)

通過(guò)建立選擇雙晶探頭的數(shù)學(xué)模型來(lái)有效地檢測(cè)超聲檢測(cè)系統(tǒng)接收到的缺陷體的回波信號(hào),不僅可以更深入地理解超聲波在固體中的傳播、散射等復(fù)雜的物理現(xiàn)象,而且對(duì)正確利用雙晶探頭進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)有著重要指導(dǎo)意義。目前,國(guó)內(nèi)外在超聲數(shù)學(xué)建模領(lǐng)域的研究比較活躍,其完整的雙晶探頭的數(shù)學(xué)模型主要包括確定雙晶探頭探測(cè)范圍、建立聲場(chǎng)模型和散射模型三方面的工作。雙晶探頭探測(cè)范圍可用來(lái)描述脈沖發(fā)射接收器、電纜和換能器等各個(gè)部分對(duì)回波信號(hào)的影響,可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)反射體試驗(yàn)來(lái)確定雙晶探頭探測(cè)范圍。關(guān)于聲場(chǎng)模型和散射模型的選擇,主要針對(duì)所研究的具體情況所涉及的物理問(wèn)題,并綜合考慮其計(jì)算精度和計(jì)算效率。

雙晶探頭是由兩塊壓電晶片構(gòu)成,被固定在單獨(dú)的延遲線上,中間有軟木隔離以免發(fā)生串音。這種傳感器的接收晶片不能直接接收由發(fā)射晶片發(fā)出的能量,而是接收由工件中反射回來(lái)的聲束轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)。由于操作中選擇了探傷儀上的雙晶操作按鈕,使發(fā)射電路與接收電路分開(kāi),這樣就不存在單晶探頭遇到的問(wèn)題,即由于到達(dá)放大器的第一個(gè)聲壓來(lái)自于脈沖發(fā)生器,使發(fā)射和接收的聲波在始脈沖區(qū)域產(chǎn)生混疊,產(chǎn)生所謂的盲區(qū)。因此使用雙晶探頭檢測(cè)識(shí)別近表面缺陷的能力明顯優(yōu)于普通的單晶探頭。雙晶縱波直探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中L為延遲楔塊高度,F為焦距,αL和βL分別為入射角和折射角,在工件中聲束交叉的區(qū)域?yàn)锳BCD菱形區(qū),雙晶探頭具有較高的檢測(cè)靈敏度。另外,平底孔反射體常常作為參考對(duì)比信號(hào),廣泛地應(yīng)用于各種超聲檢測(cè)過(guò)程。

針對(duì)雙晶探頭檢測(cè)系統(tǒng),筆者從超聲斯涅爾定律出發(fā)展開(kāi)討論,依次確定了相應(yīng)的聲場(chǎng)計(jì)算模型、平底孔缺陷體散射模型以及確定雙晶探頭探測(cè)范圍計(jì)算 ,進(jìn)而將上述三個(gè)模型有效結(jié)合,建立了一個(gè)完整的縱波雙晶直探頭選擇模型系統(tǒng)。最后用平底孔反射回波試驗(yàn)有效地驗(yàn)證了該模型系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖1 雙晶縱波直探頭的結(jié)構(gòu)

1 理論模型

1.1 雙晶探頭聲場(chǎng)計(jì)算模型

根據(jù)斯涅爾定律：

可以得出,雙晶探頭的焦距可近似等于圖1中DO的距離。D點(diǎn)上方因?yàn)楦袈曑浤拘纬傻娜切嗡绤^(qū)[1](即盲區(qū))將在稍候進(jìn)行分析。由幾何原理可以推導(dǎo)出：

從而得出：

即為求得的近似焦距。經(jīng)過(guò)計(jì)算可求得常用折射角為10°,7°和5°的雙晶探頭的近似焦距分別為28.79,41.02和57.36 mm。但這并不是我們選擇探頭進(jìn)行探傷的主要依據(jù),更不能因?yàn)榱庑螀^(qū)域的存在而將探測(cè)距離定位為2DO。還需要從多方面進(jìn)行討論,并且盡可能確定雙晶探頭在鋼中的實(shí)際探測(cè)距離以及效率最高的探測(cè)距離。

圖2 超聲波聲束截面上的聲壓差模型

1.2 超聲波聲束截面上的聲壓差模型

通過(guò)惠更斯原理可知,如圖2,一個(gè)點(diǎn)聲源被數(shù)個(gè)同心圓圍繞,這些同心圓表示在聲開(kāi)始傳播之后的很短時(shí)間內(nèi)的連續(xù)壓力波。每個(gè)聲循環(huán)能量逐漸減弱。這種聲源被稱(chēng)為“有限源”,聲源邊緣會(huì)損失很小一部分能量。由于聲束擴(kuò)散,聲束中心的聲壓與邊緣的聲壓差20 dB[2]。

所以從能量傳播方面,可以估計(jì)雙晶探頭在鋼中的有效最遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)該為焦距的中心,在中心O點(diǎn)能量成匯聚狀態(tài),然而這個(gè)距離并不是聲束在鋼中實(shí)際行走的距離。

1.3 有機(jī)楔塊中聲束的距離和盲區(qū)的距離

由于聲束在雙晶探頭的有機(jī)玻璃楔塊中產(chǎn)生延遲,并且發(fā)射器和接收器相分離,所以無(wú)法從理論上精確確定聲束入射到材料表面的那一點(diǎn)。校準(zhǔn)的唯一辦法就是對(duì)比單晶探頭在試塊上的實(shí)測(cè)結(jié)果。

雙晶探頭還存在由隔聲軟木在材料上表面形成的盲區(qū),這是雙晶檢測(cè)中的盲點(diǎn)。由幾何原理可以得出盲區(qū)的高度L0為：

式中δ為隔聲層寬度的一半。

1.4 從聲束路徑確定雙晶探頭探測(cè)的最近點(diǎn)

如果雙晶探頭折射角選擇不當(dāng),在少于探頭焦距的材料中聲束的路徑可能為W形,而不是能量較集中的V形。這將導(dǎo)致第一次底波無(wú)法顯現(xiàn),而在示波屏上直接顯現(xiàn)二次底波的假象,從而導(dǎo)致反射信號(hào)不敏銳造成漏檢。所以在實(shí)測(cè)過(guò)程中推薦厚度變化的標(biāo)準(zhǔn)為±25%,也就是DO距離的四分之一為雙晶探頭探測(cè)的最近點(diǎn)。由此可知,常用的折射角為 10°,7°和 5°的雙晶探頭的近似最近點(diǎn)分別為7.19,10.25和14.37 mm。綜上所述可得探頭應(yīng)用范圍的頻帶見(jiàn)表1。

圖3 有機(jī)楔塊中聲束的距離和死區(qū)的距離

表1可見(jiàn),5°雙晶探頭的探測(cè)范圍基本可以用單晶直探頭代替。在中厚板中推薦使用7°的雙晶探頭。

表1 雙晶探頭應(yīng)用范圍

2 理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果及驗(yàn)證

以檢測(cè)40 mm模具扁鋼10Ni3MnCuAl層下缺陷為例。由于模具扁鋼層下缺陷處于近表面,缺陷的檢出采用7°雙晶縱波探頭。7°探頭折射角度大,同時(shí)雙晶縱波探頭可以克服聲束衰減,易于發(fā)現(xiàn)近表面的缺陷[3]。在對(duì)層下缺陷的定量時(shí),又采用5°雙晶縱波探頭。5°探頭在層下角度扭曲較小,水平線性準(zhǔn)確,尖端信號(hào)分辨率高,便于缺陷自身高度的精確測(cè)量。圖4是采用7°探頭和5°探頭對(duì)同一缺陷檢測(cè)B掃描圖示。圖中可以明顯看出,7°探頭發(fā)現(xiàn)缺陷的信號(hào)較為強(qiáng)烈,5°探頭能明顯分辨缺陷的尖端信號(hào)。所以初檢時(shí)應(yīng)用7°雙晶縱波探頭更易于引起檢測(cè)者的警覺(jué),不易漏檢。

3 結(jié)論

建立了一個(gè)完整的雙晶直探頭超聲選擇模型,用于準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)平底孔缺陷體的回波信號(hào)。由于采用了斯涅爾定律聲束模型和超聲波聲束截面上的聲壓差模型來(lái)計(jì)算換能器輻射聲場(chǎng)和缺陷體散射場(chǎng),使得該模型具有較高計(jì)算效率,。通過(guò)對(duì)比模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,驗(yàn)證了該模型具有較好的計(jì)算精度。該模型作為一種快速有效的測(cè)量模型,可以為許多聲學(xué)無(wú)損檢測(cè)提供有益的參考。

[1]Charles J Hellier.Nondestructive Testing and Evaluation Handbook[M].Beijing：China Petyochemical Press,2006：1-324.

[2]Xiao S H,Zhou Y Z,Guo JD.The effect of high current density electropulsing on persistent slip bands in fatigued copper singlecrystal[J].Mater Sci&Eng A,2002,332(1)：351.

[3]張海龍,孫軍.工業(yè)純鐵內(nèi)部疲勞微裂紋擴(kuò)散愈合過(guò)程中的形態(tài)演變[J].金屬學(xué)報(bào),2002,38(3)：239-244.