基于CIVA軟件分析探頭帶寬對超聲波探傷定量的影響

林章敏 華 磊 肖 峰 王 翔 劉 剛 胡 屈 劉海波

（1、安徽馬鋼表面技術股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000 2、寶武集團馬鋼軌交科技材料有限公司,安徽 馬鞍山 243000）

1 概述

超聲波探傷是根據超聲波入射到介質中，遇到介質改變會發生反射，根據反射波的特性確定當量的位置、大小及其性質。目前，國、內外大部分的超聲波探傷標準是以缺陷的當量大小和測量缺陷指示長度驗收的。因此，超聲波探傷定量的分析有著重要意義。超聲波探傷的缺陷理論計算都是通過單頻連續脈沖波聲壓公式推導而來的，但在實際運用中是多頻脈沖波，二者有何不同，查以往的研究文獻，研究相對缺乏。因此，本文將重點分析討論二者的關系。

2 超聲波軸線場壓誤差分析

2.1 圓盤波源輻射軸線上的單頻縱波聲場的分布[1,2]

式中P0=ρCU0

ρC——傳聲介質的特征聲阻抗；ρ——介質密度；C——聲速；U0——聲源振動時的速度振幅；λ——介質中的聲波波長；a——圓盤聲源半徑；x——觀察點至聲源中心的距離；式（1）為圓盤波源輻射軸線上的單頻縱波聲場，其分布圖如圖1所示。

圖1 圓盤軸線上的聲壓分布圖

2.2 圓盤波源輻射軸線上的單頻縱波聲場誤差分析

在近場區（N）內，聲壓值在0至2P0連續變化。因此，對于單頻連續波而言，即使兩個完全相同的缺陷，如果在不同位置，其回波高度變化較大，使缺陷定量極其困難[3,4]。

當x》λ時，根據牛頓二項式，式(1)可以簡化為式(2)，式(2)超聲波探傷中推導規則各類反射體回波聲壓的基本公式，也是計算缺陷當量的基礎。

式中F——聲源面積;

F=πa2。

根據式(2)和式(1)對比，當缺陷位于一倍近場區（N）至三倍近場區（3 N）時，用缺陷當量計算法很大誤差，距離越近，誤差越大。當缺陷位于一倍近場區（N）時，根據式(1)求得此處聲壓P(z)=2P0，根據式(2)求得此處聲壓為πP0，二者誤差高達57 %，所以公式（2）顯然不適用的。若要求誤差<5 %，則缺陷位于三倍近場區（3N）。即只有當聲程大于三倍近場時，才能使用公式(2)計算缺陷當量。對單頻連續波而言，若要求誤差小于5 %，以常規超聲波探傷直探頭5P20Z為例，計算可知N≈85mm，3N≈255mm，所以可以得出檢測深度大于255mm時，才適于缺陷當量計算方法。因此，三倍近場區內多采用試塊對比方法進行缺陷的檢測，根據以上的分析，在近場區（N）內，聲壓值連續在0至2P0進行變化，對比試塊需要做大量不同的深度平底孔進行對比，才能使測量誤差將至最低。

3 CIVA軟件仿真分析

CIVA軟件一款專業無損檢測仿真平臺，包括超聲、射線、渦流等方法。可以對工件、探頭和缺陷進行一比一建模，將實際的檢測環境完全建模到軟件中，并對其結果進行仿真模擬等等。根據查閱文獻可知，由較多實例[5,6]對CIVA仿真可靠性進行了驗證。對不同頻率和不同的直徑，用CIVA軟件模擬結果和書本上認識到一樣，頻率越大，近場區越大，探頭越大，近場區越大。實際超聲檢測中基本上使用的是多頻脈沖波，此時使用單頻連續波的公式是否合理，如下，將重點根據探頭的帶寬進行分析。

3.1 直探頭不同帶寬的聲場的仿真

CIVA仿真參數5P20Z常規直探頭為例，在深度500mm碳鋼中的聲軸線上的聲壓分布，如圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 帶寬20%聲軸線上的聲壓分布

圖3 帶寬50%聲軸線上的聲壓分布

圖4 帶寬60%聲軸線上的聲壓分布

圖5 帶寬70%聲軸線上的聲壓分布

一般來說，對于超探探頭性能指標的要求，其中-6dB相對帶寬≥60%。根據圖4可知，5P20Z直探頭在一倍近場區內最大聲壓和最小聲壓差值為2.2 dB。根據圖5可知，5P20Z直探頭相對帶寬≥70%時，在一倍近場區內最大聲壓和最小聲壓差值為0.5 dB以內。

以上特點為用當量方法確定近場區缺陷用對比試塊提供了理論依據。根據以上仿真結果，在一倍近場區以內的最后一個極小值和近場區的極大值對定量影響極大，因此，在該處制作平底孔為距離波幅曲線的制作，可以提高缺陷定量的準確性。

根據以上仿真結果顯示，帶寬不同，軸線上的縱波聲場有很大不同。探頭采用的脈沖波的波形愈窄(即頻帶愈寬)，探傷結果的理論值和實際值愈接近。近場區內確定缺陷當量一般用對比試塊加插入法，使用窄脈沖探頭能提高缺陷定量的準確性。原因是帶寬越寬，不同頻率分量的極值點愈密集，且位置相互錯開，這樣相互疊加的結果就使總聲壓趨于平緩。這也是寬帶探頭不同于單頻波探頭的顯著特點之一。

3.2 直探頭不同帶寬的缺陷檢測的仿真

采用常規直探頭5P20Z，深度300mm普通碳鋼中的不同帶寬的缺陷檢測的仿真。深度分別為10mm，20mm，30mm，42mm，60mm，85mm、100mm，120mm，150mm，200mm，直徑?1mm平底孔，如圖6。

圖6 不同深度的平底孔建模

圖7、圖8、圖9、圖10分別為帶寬20%、50%、60%、70%通過CIVA軟件仿真聲軸線缺陷反射波高，從在缺陷42mm效果分析，帶寬70%聲軸線上的反射波高比帶寬60%、帶寬50%、帶寬20%聲軸高2dB、3dB，19dB。聲軸線上的反射波高的變化相對帶寬的變化更快，結果再一次證明，帶寬越高對近場區的缺陷的定量越精確。

圖7 帶寬20%聲軸線缺陷反射波高

圖8 帶寬50%聲軸線缺陷反射波高

圖9 帶寬60%聲軸線缺陷反射波高

圖10 帶寬70%聲軸線缺陷反射波高

從仿真結果來看，聲軸線缺陷反射波高和聲場仿真趨勢基本一直，近場區探傷聲軸線上的缺陷反射波高起伏波動。當帶寬到達70%時，缺陷反射波高起伏波動相對較小；當達到近場區以后，聲軸線上的聲壓振幅，不再有起伏波動。

從仿真結果來看，在近場區中，帶寬對聲場橫截面聲壓影響較大，當帶寬較低時，產生較多的旁瓣與柵瓣，影響聲束的能量，因篇幅所限，將另行撰文進行分析。

4 結論

4.1 超聲波探傷探頭使用的多頻脈沖波，可用數值仿真的方法確定聲軸線上的聲壓分布，為提高缺陷定量的準確性提供了前提條件。

4.2 CIVA聲場仿真表明，多頻脈沖波在近場內的聲壓分布較單頻連續波平緩，其最小值遠大于零。證實了對多頻波軸線場壓的推斷，為在近場區使用試塊對比法檢測缺陷當量提供了有力依據。

4.3 鑒于近場區探傷是不可避免的，為提高定量的準確性，探頭購買時有必要對探頭帶寬進行強制檢測。根據其檢測結果，在通過仿真軟件分析聲場分布結果后，制作不同的深度平底孔的為適應不同參數的探頭，為進一步提高缺陷準確性提供了有力保證。

4.4 CIVA聲場和缺陷檢測仿真證實，帶寬越寬，在近場區內的聲壓波動幅度愈小，有利于提高近場區內缺陷定量的準確性。在遠場區，脈沖波的軸線聲壓變化類似于單頻波的聲壓變化，中心頻率附近的能量對聲場分布具有決定性的作用。同時證明三倍近場區外，用單頻波聲壓公式(1)計算缺陷當量具有合理性。