超聲縱波垂直入射波型轉換的討論

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(哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司， 秦皇島 066206)

使用縱波直探頭對鍛件、焊縫、鋼板等工件進行超聲檢測的過程中，回波信號中會有缺陷波、底波、遲到波、幾何輪廓波、幾何輪廓波變型波、幻象波等信號。有些波形可以通過觀察、理論計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(遠大于聲場直徑)的鍛件、焊縫、鋼板時，為了避免盲區和始脈沖占寬影響的近表面區漏檢，常利用二次底波進行檢測；會在一次底波(B1)后二次底波(B2)前有兩個反射微弱、固定位置的回波(F1,F2)，回波幅度約相當于φ2 mm平底孔，見圖1(圖中T表示工件厚度)。這兩個波的產生原因很難解釋，但可以確定這兩個顯示回波不是缺陷顯示。

圖1 異常波的波形顯示

筆者經過理論分析、數學計算和試驗得知：接觸法縱波垂直入射時在被檢測材料中同樣會發生波型轉換。上述一次底波后二次底波前有兩個反射微弱、固定位置的回波就是波型轉換產生的波。

1 理論分析

(1) 超聲波聲場

探頭晶片在儀器激勵電脈沖的激勵下，會產生一束截面與晶片截面尺寸幾乎完全一樣的脈沖機械波。這一束脈沖波是由很多列脈沖波合成的，在阻尼系數不同、介質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；同時在波的疊加和干涉作用下，質點的位移也會發生變化，所以在近場區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發生變化，即在多列波束中部分波束和與界面垂直的法線構成一定的角度[1]。超聲波的聲場示意如圖2所示。

圖2 超聲波的聲場示意

(2) 超聲波束的指向

超聲波頻率高，波長短，具有良好的方向性，能定向傳播。晶片產生的是活塞振動，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散性；在近場區，由于疊加和波的干涉作用，波的擴散性沒有顯現，即聲束有未擴散區，但擴散的角度已存在近場聲束中[1]。在遠場區，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，又稱半擴散角，用θ表示,θ=arcsin1.22λ/D≈70λ/D。這個角度的大小與波長和晶片尺寸有關。

(3) 超聲波的波型轉換

當超聲波傾斜入射到異質界面時,除了產生同類型的反射波和折射波外，還會產生不同類型的反射波和折射波，這種現象稱為波型轉換[1]。而平面縱波垂直入射到異質界面時，只有同種類型的反射波和折射波，無波型轉換。但是，在接觸法縱波垂直入射時，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界面，晶片和被檢材料的聲速不同，根據波型轉換與反射、折射定律可知，在探頭晶片和被檢材料之間的異質界面上就會產生波型轉換，如圖3所示(注：晶片與被檢材料之間有保護膜和耦合層，保護膜是以半透聲層設計的，耦合層厚度較薄，又因技術水平和試驗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生反射和波型轉換。轉換后的變型波和反射的未變型波經底面反射，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是第二介質中兩種回波的疊加能量和。一種是探頭發射時縱波以很小的角度傾斜到工件底面轉換反射回來的橫波；另一種是探頭發射時縱波以很小的角度傾斜到工件表面，在第二介質中直接產生折射橫波，橫波在工件底面再次發生波型轉換而反射回來的縱波。F2是探頭發射時縱波以很小的角度傾斜到工件表面，在第二介質中產生的折射橫波經工件底面反射回來的橫波。

圖3 波型轉換示意一

圖4 波型轉換示意二

2 數學計算分析

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)位置應當出現在完全由縱波(傳播時間)標定的板厚T的1.41倍處，而橫波入射、橫波反射的波形(F2)位置應當出現在1.82T處。

3 試驗

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

在第一次底波和第二次底波之間出現兩個波，位置與理論計算一致，只是F1，F2的幅度略有差異。

(2) 選取頻率2.5 MHz，直徑φ20 mm的探頭2個；用一發一收雙探頭模式檢測，發射探頭不動，接收探頭從兩探頭相鄰位置開始移動，然后慢慢分開(如圖5所示)，顯示結果開始如圖1一樣,接收探頭移動過程中F2先行消失，F1后消失。F2和F1消失時兩探頭間的距離基本符合指向角大小所指向的距離。

4 結語

根據上述理論分析、數學運算及驗證試驗得出結論：使用接觸法縱波垂直入射進行超聲檢測時，在被檢材料中同樣會發生波型轉換。

圖5 試驗探頭的移動示意

[1] 鄭暉，林樹青.NDT全國特種設備無損檢測人員資格考核統編教材[M].北京：中國勞動社會保障出版社,2008.