纵波直探头垂直入射固体界面产生横波试验

2015-01-11杨育伟

无损检测 2015年9期

杨育伟，朱稳，鲁元

（西安特种设备检验检测院，西安 710065）

按超声波传播过程中介质质点振动方向与波的传播方向的关系，可将超声波分为纵波、横波、表面波等波型，其中，纵波和横波是实际检测时使用最多的两种波型。在板材、锻件、管材等原材料检测时用纵波直探头实现纵波检测，焊缝检测时用横波斜探头实现横波检测。探头中压电材料制成的晶片是产生超声波的核心元件，目前常见的有纵波直探头和横波斜探头，晶片产生的超声波都是纵波。纵波沿晶片的法线方向传播并垂直进入工件，即纵波直探头；纵波在第一临界角和第二临界角之间倾斜进入工件，在工件中就产生了折射横波，即横波斜探头。倾斜入射的纵波在第二介质中产生折射横波，垂直入射的纵波在第二介质中是否也会有一个横波还未知。笔者通过介质质点振动状态的定性分析，以及对垂直入射的纵波在第二介质中产生的横波位置的定量计算，再经过试验来研究垂直入射的纵波是否在固体界面产生横波。

1 纵波传播过程中介质质点振动状态的定性分析

振动产生波动，波动是介质质点振动状态的传播。介质质点仅在其平衡位置附近做往复振动，并产生微观上的位移最后又回到平衡位置，而不会产生宏观上的位移随波前行。超声波的纵波、横波、表面波等波型的传播都是如此。介质质点振动方向平行于传播方向的波为纵波，垂直于传波方向的波为横波。下面对纵波传播过程中，微观状态下声束中心轴线上的介质质点和其附近质点的振动情况做定性分析，如图1所示。为讨论方便，把x轴的方向称为纵向，y轴的方向称横向。图中沿纵向、斜向及由斜向分解出的纵向和横向达到最大位移（即振幅）的质点均用加圈的点表示。

图1（a）所示为时刻0，即扰动前各质点的状态。此时，中心轴线各质点（a、b、c、d、e）、两侧轴线y＋各质点（1、2、3、4、5）及y－各质点（6、7、8、9、10）均位于其平衡位置，未产生位移。

图1（a）所示为时刻1，即扰动后某一时刻各质点的振动及位移的状态。此时，质点a受外力F沿x方向的作用后离开了平衡位置并沿x轴达到了最大纵向位移A（即纵向振幅）。受质点a的作用，质点b、c、d、e依次受到干扰后开始振动并产生了不同程度的纵向位移。因外力F沿x轴方向作用于质点a，所以中心轴线上的各质点只做纵向振动产生纵向位移而无其他方向的振动和位移。

图1（b）～（f）分别为时刻2～时刻5，即扰动后的某四个特定时刻。其时，质点b、c、d、e分别达到了最大纵向位移A（也即纵向振幅，图上用表示波峰位置）。也就是说，受外力F的作用之后，质点a把达到纵向振幅的振动状态沿纵向依次传递给质点b、c、d、e。中心轴线上各质点的这种纵向振动状态沿纵向的传播即为纵波。

超声波在弹性介质中传播，介质中的各质点以弹性力连接并相互作用。当中心轴线上各质点（a、b、c、d、e）做纵向振动并产生纵向位移时，其两侧轴线y＋和y－上的各质点（1、2、3、4、5）和（6、7、8、9、10）则分别受到与中心轴线各质点相连的弹性力的作用沿斜向振动并产生斜向位移。在质点a受外力F作用后的某四个特定时刻，质点（1、2、3、4、5）和质点（6、7、8、9、10）分别沿斜向达到了最大斜向位移。如图2所示。

这种斜向位移可以分解为沿x轴的纵向位移和沿y轴的横向位移。最大斜向位移当然也就分解成为最大纵向位移Ax（也即纵向振幅）和最大横向位移Ay（也即横向振幅）。可见，受中心轴线质点纵向振动的作用，两侧轴线各质点同时进行着纵向振动和横向振动，并将这种振动向前面的各质点依次传递。两侧轴线各质点沿纵向传播的纵向振动即为主声束旁的纵波，如图3所示。而两侧轴线各质点沿纵向传播的横向振动应该就是横波，如图4所示。

在吕庆贵等［1］的研究中，利用声场的数字模拟和光学玻璃圆棒动态光弹试验，也发现垂直入射的纵波后面出现横波，如图5所示。

图5 数值模拟和动态光弹试验的比较

2 纵波入射后产生的横波定量计算及试验

试验采用Hs616e 型数字式超声波探伤仪、2.5 MHz／φ20mm直探头、2.5P13mm×13mmK2斜探头及CSK－ⅠA 试块。对该试块进行声速测试，测试结果是纵波声速为5 974m·s－1，横波声速为3 230m·s－1。按纵波声程1∶1调节扫描速度。此时，厚度为t的大平底面的一次底波B1、二次底波B2、三次底波B3在超声探伤仪屏幕上的位置依次为t、2t和3t。

首先，分析计算几种不同情况下纵波后的横波在屏幕上的位置。第一，跟随在入射纵波后面的横波到达底面并反射回探头，这个回波的传播过程为：入射横波＋反射横波，称之为Bss1，则Bss1＝1.85t，显然，Bss1应在二次底波B2之前靠近B2的地方；第二，入射纵波到达底面后会产生反射纵波，跟随在这个反射纵波后面横波的回波的传播过程为：入射纵波＋反射横波，称为Bls1，则Bls1＝1.425t，Bls1应在一次底波B1和二次底波B2之间略靠近B1的地方；第三，跟随在二次入射纵波后面的横波到达底面并反射回探头，这个回波的传播过程为：入射纵波＋反射纵波＋二次入射横波＋二次反射横波，称为Bss2，则Bss2＝2.85t，Bss2应在三次底波B3之前靠近B3的地方；第四，二次入射纵波到达底面后会产生二次反射纵波，跟随在这个二次反射纵波后面的横波回波的传播过程为：入射纵波＋反射纵波＋二次入射纵波＋二次反射横波，称为Bls2，则Bls2＝2.425t，Bls2应在二次底波B2和三次底波B3之间略靠近B2的地方。

然后，用CSK－ⅠA 试块25mm 的大平底面对以上计算的几种回波在屏幕上的位置进行试验。将一次底波B1自动增益到80%波高，此时，t＝25mm，一次底波B1、二次底波B2、三次底波B3在屏幕上分别位于25，50，75mm 处，如图6（a）所示，未发现其他波，考虑到横波强度较弱，提高增益后发现在一次底波和二次底波、二次底波和三次底波之间分别有其他波的存在，测试这些波的深度分别为：45.8，35.4，71.9，60.4mm，按前面计算分析，当t＝25mm 时，Bss1＝46.25mm，Bls1＝35.63mm，Bss2＝71.25mm，Bls2＝60.63mm分别与图6中检测结果相对应，并非常接近。

图6 超声波试验截图

上述分析计算和实际测试的结果及其偏差如表1所示。

表1 纵波后的横波计算值、实测值及偏差

当超声波探伤仪水平线性误差不大于2%［2］，或者超声波探伤仪水平线性误差不大于1%［3］，都属于误差允许值内，从表1可知，Bss1、Bls1、Bss2、Bls1的计算值与实测值的最大偏差率为0.97%，均小于上述两个标准规定的超声波探伤仪水平线性误差允许值。所以，可以认为上述纵波入射后产生横波的分析计算结果与实际测试结果相吻合。同样在张纪周等［4］的研究中，发现了一次底波和二次底波之间的波，称为迟到波，就是纵波直探头垂直入射固体界面在第二介质中产生的横波。

从试验还可看出，横波的强度远小于纵波。从图6（a）～（c）可知，以80%为基准，回波B1、Bss1、Bls1的增益分别为：B1＝12.1dB、Bss1＝63.0dB、Bls1＝51.9dB，其增益差分别为：ΔB1／Bss1＝50.9dB、ΔB1／Bls1＝39.8dB。如果衰减48dB，可将80%波高降低为0.312 5%；衰减40dB，可将80%的波高降低为2.5%。也就是说，当B1为80%时，Bss1不到0.312 5%，Bls1仅为2.5%。