超声纵波垂直入射波型转换的讨论

2018-03-07,

无损检测 2018年2期

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司，秦皇岛 066206)

使用纵波直探头对锻件、焊缝、钢板等工件进行超声检测的过程中，回波信号中会有缺陷波、底波、迟到波、几何轮廓波、几何轮廓波变型波、幻象波等信号。有些波形可以通过观察、理论计算或借助其他辅助方法来鉴别，而有些波形却较难解释。

笔者就遇到过以下情况：在以φ2 mm平底孔为扫查灵敏度，纵波直射法检查无限大(远大于声场直径)的锻件、焊缝、钢板时，为了避免盲区和始脉冲占宽影响的近表面区漏检，常利用二次底波进行检测；会在一次底波(B1)后二次底波(B2)前有两个反射微弱、固定位置的回波(F1,F2)，回波幅度约相当于φ2 mm平底孔，见图1(图中T表示工件厚度)。这两个波的产生原因很难解释，但可以确定这两个显示回波不是缺陷显示。

图1 异常波的波形显示

笔者经过理论分析、数学计算和试验得知：接触法纵波垂直入射时在被检测材料中同样会发生波型转换。上述一次底波后二次底波前有两个反射微弱、固定位置的回波就是波型转换产生的波。

1 理论分析

(1) 超声波声场

探头晶片在仪器激励电脉冲的激励下，会产生一束截面与晶片截面尺寸几乎完全一样的脉冲机械波。这一束脉冲波是由很多列脉冲波合成的，在阻尼系数不同、介质表面轻微的凹凸不平、耦合层厚度不均等多种因素的影响下，多列脉冲波的初始相位、幅度、频率、声程甚至方向等并不相同；同时在波的叠加和干涉作用下，质点的位移也会发生变化，所以在近场区中不但声压存在着极大值和极小值，部分声束的传播方向也会发生变化，即在多列波束中部分波束和与界面垂直的法线构成一定的角度[1]。超声波的声场示意如图2所示。

图2 超声波的声场示意

(2) 超声波束的指向

超声波频率高，波长短，具有良好的方向性，能定向传播。晶片产生的是活塞振动，波的传播却是以球面波的形式传播的，而球面波本身就具有扩散性；在近场区，由于叠加和波的干涉作用，波的扩散性没有显现，即声束有未扩散区，但扩散的角度已存在近场声束中[1]。在远场区，边缘声压为零处的声束线与声束中心轴线的夹角称声束的指向角，又称半扩散角，用θ表示,θ=arcsin1.22λ/D≈70λ/D。这个角度的大小与波长和晶片尺寸有关。

(3) 超声波的波型转换

当超声波倾斜入射到异质界面时,除了产生同类型的反射波和折射波外，还会产生不同类型的反射波和折射波，这种现象称为波型转换[1]。而平面纵波垂直入射到异质界面时，只有同种类型的反射波和折射波，无波型转换。但是，在接触法纵波垂直入射时，并非完全是垂直的纵波入射，在上述的(1)和(2)中已做说明。部分声束相对于与界面垂直的法线来说是倾斜入射，探头晶片和被检材料之间是异质界面，晶片和被检材料的声速不同，根据波型转换与反射、折射定律可知，在探头晶片和被检材料之间的异质界面上就会产生波型转换，如图3所示(注：晶片与被检材料之间有保护膜和耦合层，保护膜是以半透声层设计的，耦合层厚度较薄，又因技术水平和试验条件的限制这里不做讨论)。在被检材料中，不但有透射、折射纵波，也有转换横波。这些波以某一角度传播到工件底面，在底面与空气的界面上再次发生反射和波型转换。转换后的变型波和反射的未变型波经底面反射，部分能量被探头接收，如图4所示，在荧光屏上就形成如图1所示的波形显示。其中F1是第二介质中两种回波的叠加能量和。一种是探头发射时纵波以很小的角度倾斜到工件底面转换反射回来的横波；另一种是探头发射时纵波以很小的角度倾斜到工件表面，在第二介质中直接产生折射横波，横波在工件底面再次发生波型转换而反射回来的纵波。F2是探头发射时纵波以很小的角度倾斜到工件表面，在第二介质中产生的折射横波经工件底面反射回来的横波。