縱波直探頭垂直入射固體界面產生橫波試驗

楊育偉，朱 穩，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質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縱波檢測，焊縫檢測時用橫波斜探頭實現橫波檢測。探頭中壓電材料制成的晶片是產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，晶片產生的超聲波都是縱波。縱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，在工件中就產生了折射橫波，即橫波斜探頭。傾斜入射的縱波在第二介質中產生折射橫波，垂直入射的縱波在第二介質中是否也會有一個橫波還未知。筆者通過介質質點振動狀態的定性分析，以及對垂直入射的縱波在第二介質中產生的橫波位置的定量計算，再經過試驗來研究垂直入射的縱波是否在固體界面產生橫波。

1 縱波傳播過程中介質質點振動狀態的定性分析

振動產生波動，波動是介質質點振動狀態的傳播。介質質點僅在其平衡位置附近做往復振動，并產生微觀上的位移最后又回到平衡位置，而不會產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。介質質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，微觀狀態下聲束中心軸線上的介質質點和其附近質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）的質點均用加圈的點表示。

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

圖1（a）所示為時刻1，即擾動后某一時刻各質點的振動及位移的狀態。此時，質點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）。受質點a的作用，質點b、c、d、e依次受到干擾后開始振動并產生了不同程度的縱向位移。因外力F沿x軸方向作用于質點a，所以中心軸線上的各質點只做縱向振動產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，質點a把達到縱向振幅的振動狀態沿縱向依次傳遞給質點b、c、d、e。中心軸線上各質點的這種縱向振動狀態沿縱向的傳播即為縱波。

超聲波在彈性介質中傳播，介質中的各質點以彈性力連接并相互作用。當中心軸線上各質點（a、b、c、d、e）做縱向振動并產生縱向位移時，其兩側軸線y＋和y－上的各質點（1、2、3、4、5）和（6、7、8、9、10）則分別受到與中心軸線各質點相連的彈性力的作用沿斜向振動并產生斜向位移。在質點a受外力F作用后的某四個特定時刻，質點（1、2、3、4、5）和質點（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，受中心軸線質點縱向振動的作用，兩側軸線各質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點依次傳遞。兩側軸線各質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。而兩側軸線各質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，利用聲場的數字模擬和光學玻璃圓棒動態光彈試驗，也發現垂直入射的縱波后面出現橫波，如圖5所示。

圖5 數值模擬和動態光彈試驗的比較

2 縱波入射后產生的橫波定量計算及試驗

試驗采用Hs616e 型數字式超聲波探傷儀、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調節掃描速度。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，未發現其他波，考慮到橫波強度較弱，提高增益后發現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，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生橫波的分析計算結果與實際測試結果相吻合。同樣在張紀周等［4］的研究中，發現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中產生的橫波。

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 結語

通過對縱波傳播過程中介質質點振動狀態的定性分析、縱波后產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，在第二介質中也會產生橫波；由于其強度遠小于縱波，使得該橫波極易被掩蓋，經過折射則可以把它和縱波清晰地區分開，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.