超聲實驗中遲到波成因和影響因素的探究

馬聆越,孫文博

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

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超聲實驗中遲到波成因和影響因素的探究

馬聆越1,孫文博2

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

在超聲實驗及探測中，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和規格的試塊產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；波形轉換

在超聲實驗中用縱波探頭對鋼、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同樣的現象)，但實驗講義和實驗內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生原因和影響因素進行深入的探究和分析.

據文獻報道[1-4]，超聲無損檢測被廣泛應用于各個領域. 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，應加以識別. 其中遲到波是在1次底波后出現的固定位置的特殊回波. 因此了解遲到波的成因，正確認識遲到波，避免超聲檢測中把遲到波誤認為缺陷波，對于超聲探傷和無損檢測也具有重要意義.

1　實驗原理

為了分析遲到波的形成與哪些因素有關，實驗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材質和鋼塊1相同，厚25 mm.

實驗測量儀器為數字智能化的超聲波分析測試儀，如圖1所示. 它主要有主機、超聲波發射接收卡、A/D轉換卡和超聲波換能器(探頭). 主機是整個系統的樞紐，完成系統的控制操作、數據采集、數據存儲和數據的分析處理. 超聲卡實現超聲波發射和接收功能，A/D轉換實現了超聲波接收信號的數字化. 利用計算機的控制和高速運算功能對數字信號進行數字處理以實現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，探頭在高壓負脈沖激勵下產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生反射，反射回波被同一個探頭接收顯示在示波器(計算機顯示器)上. 實驗的關鍵是正確判斷超聲波經試塊底面反射產生的第1次和第2次底面反射回波(簡稱底波)，調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、鋁不同試塊不同側面中2次底面回波之間的一系列衰減波包對應的聲時和聲程，以分析其產生原因和影響因素.

2　實驗測量與分析

2.1超聲實驗中觀察到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定存在，回波信號的強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實驗數據

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和試塊幾何尺寸有關. 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) 衰減波包的出現與探測面有關. 只有將探頭放置于細長面(20 mm×300 mm;130 mm×300 mm) 時2次底面回波間才出現系列衰減波. 當探頭置于寬面(130 mm×300 mm)時，2次底面回波之間不出現衰減波包.

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

2.3實驗結果分析與討論

實驗中把探頭置于試塊的窄面(如20 mm×300 mm)表面測量時2次底波間才會出現衰減波，說明衰減波的出現可能與縱波波束的擴散及試塊窄面兩側的側壁對擴散波的反射時的波型轉換有關. 當超聲縱波斜入射到固體表面，在固體界面發生反射與折射，不僅會產生反射或折射縱波，也會產生反射或折射橫波. 這種由縱波通過反射或折射產生橫波的現象稱為波型轉換. 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. 波型轉換現象一般發生在斜入射的場合，而且與界面兩側媒質的狀態有關.

圖4給出超聲實驗中第1和第2次底波之間衰減波形成的原理示意圖. 當把縱波探頭P置于鋼或鋁試塊的窄長面(如圖4中AB面)上檢測時，擴散縱波波束(FE)斜入射到試塊的側壁BD面,被BD面反射，反射的部分包括縱波和發生波型轉換的橫波. 縱波(圖中未畫出)經側壁和底面

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，經側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. 而反射波中經波型轉換成為橫波的部分(EG)，因橫波速度比縱波速度小近一半，橫波聲程變長(EG>NG)，導致轉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面AC,被AC反射的波既有橫波GK，也有再次發生波型轉換產生的縱波GI,縱波GI被底面CD反射后(IM)經兩側面多次反射(MN-NO)回到探頭，被探頭接收產生第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生與E點和G點類似的波型轉化現象，每多經歷1個橫波聲程，到達探頭的聲時會延長一定時間. 經歷1個橫波聲程的回波信號形成第1個衰減波，經歷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2個側面的多次反射回到超聲探頭，因此兩底波之間會出現一組衰減波信號. 隨著聲程不斷增大，振幅逐漸衰減. 另外，轉換波型的回波必須經底面反射才能回到探頭被接收，因此這些經過波型轉換的回波信號總是出現在第1次底波之后，故稱之為遲到波或延遲波.

根據圖4中遲到波的形成原理，可以推導相鄰2個遲到波之間的聲時差和聲程差. 設試塊的兩側壁間厚度為d，探頭發射的縱波垂直入射試塊方向傳播的長度為L(如圖4所示)，則縱波發射后在試塊中不發生波型轉換經底面反射后到達探頭的聲時(從探頭發射到接收的時間)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為轉換橫波被2個側壁(厚度為d)反射的次數,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驗現象和實驗結果：當試塊中有遲到波產生時，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. 當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進行定量計算.

雖然擴散縱波斜入射到試塊側壁的很多位置都可產生反射橫波，但對應不同入射角產生的轉換橫波的反射角不同，有些位置的反射橫波及縱波經2個側面多次反射后不能到達探頭被接收，也就不能被檢測到. 另外不同入射角產生的橫波強度不同，只有當轉換橫波強度較大時，才能經側壁多次反射到達接收探頭被檢測出來. 如果轉換橫波強度較弱，在傳播過程中經過衰減很難被探測到. 據文獻[6]報道，縱波斜入射到鋼/空氣界面，當αL≈70°，αS≈33°時，轉換橫波最強.

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αL=70°時，由(3)式可計算出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.

將上述理論推導計算的聲時差與表1中實驗測量的結果相比較，可分別計算出鋼試塊1、鋼塊2和鋁塊中實驗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 %. 理論值與實驗值相對偏差很小，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也可以從上述理論模型中推導出來. 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)

設在第1次和2次底波之間能夠檢測到的遲到波的個數為n，則有

(10)

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

實驗結果和理論計算結果相同，表明了理論模型的正確.

3　結束語

分析了超聲實驗中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缺陷波，其產生條件是探頭尺寸和試塊厚度相近、探頭發射的縱波聲束具有一定的擴散. 擴散的超聲縱波斜入射到試塊側壁，被側壁反射時發生了波型轉換，從而導致聲程變長，聲速減慢. 據此模型從理論上推導出相鄰遲到波之間的聲時差和聲程差公式，計算結果與實驗測量結果十分吻合，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

國家基礎科學人才培養基金(No.J1210018)；教育部基礎學科拔尖學生培養試驗計劃資助(No.20160204)

馬聆越(1999-),男，北京人，清華大學附屬中學學生.

孫文博(1980-)，男，遼寧錦州人，清華大學物理系工程師，學士，從事實驗物理教學工作.

學生園地

O426,2;TB559

A

1005-4642(2016)09-0032-05