超聲波接觸法測量圓柱表面時聲場的變化

在超聲波直勘探和涂層檢測平面構件時，傳輸?shù)穆晥鲋饕强v波。在閉合角（n）之后，主聲束由半擴散角（0）輻射。在靠近聲源的主聲束附近，有大量的副瓣。副瓣主要為橫波，能量低，干預現(xiàn)象，衰減速度快。在接觸平面零件的主聲束超聲檢測時，副瓣的影響很小。當直探頭放置在圓柱形工件曲面上檢測時,探頭晶片與工件呈線狀接觸,超聲波進入工件后的聲場與平面接觸時截然不同。筆者分析了直探頭在圓柱形工件中的聲場變化和波型變化,通過觀察一次底波與三次底波間的波型變化,有助于檢測圓柱形工件,如軸類、棒材的內(nèi)部質量。1聲音場的變化1.1近場區(qū)內(nèi)的重疊音源超聲波在平面接觸工件時,其波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大值和極小值的區(qū)域,稱為近場區(qū),近場區(qū)內(nèi)主聲束旁有很多副瓣,比較復雜。約在1.64倍近場區(qū)之后,主聲束以一定的角度向外擴散,聲源輻射的縱波聲場的第一零值發(fā)射角稱為半擴散角(θ0)。其聲場變化如圖1所示。1.2聲源面積和長度當直探頭探測圓柱形工件時,探頭僅與圓柱面曲面的一個很窄的矩形區(qū)域接觸,接觸寬度甚至遠小于波長,從而在圓柱的截面內(nèi)發(fā)生強烈的側向輻射。由矩形源聲場的坐標系數(shù)可知,a(或b)為聲源中心點至邊緣尺寸,故對于一邊長分別為2a和2b的矩形波源,由半擴散角公式可知,半擴散角(θ0)的大小取決于聲源尺寸(2a或2b)與波長(λ)的比值;當聲源尺寸很小,即λ/2a或λ/2b遠小于1時,指向性變差,半擴散角(θ0)趨近90°;由公式可知,由于聲源面積(Fs)減小,其近場長度(N)變小;其波陣面近似于球形,并在聲場的側向產(chǎn)生顯著的橫波和表面波,如圖2所示。2等腰三角變形型波由于三次底波后的變形波型復雜,且無任何使用意義,故筆者只針對三次底波前的波型予以分析。試驗采用CST-3型超聲波探傷儀,2.5P14Z型直探頭,由于標準試塊材質均勻,晶粒度高,內(nèi)部雜質少,故選用直徑為ф70mm的CS-1型標準試塊進行測試。當檢測靈敏度設定為ф70mm棒1/2軸心處ф2mm當量時,熒光屏顯示波形如圖3所示。波1為始脈沖。波2、波5、波8分別為縱波的第一次、第二次、第三次底波反射。波3為擴散縱波經(jīng)圓柱面反射兩次后返回探頭,形成等邊三角形反射路徑(L→L→L)的遲到波。構成這種反射條件的擴散聲束與探頭聲束軸線夾角為30°,其聲程為:即這種等邊三角形反射路徑聲程(X3)為一次底波聲程(d)的1.3倍。如圖4所示。波4為縱波擴散波束在圓柱面發(fā)生波型轉換成橫波,再次轉換成縱波,被探頭接收,形成等腰三角形反射路徑(L→T→L)的變型波,如圖5所示。式中:CL為鋼中縱波聲速;CS為鋼中橫波聲速。對于鋼中可求得αL=35.6°,αS=18.8°則X4=18.8°≈1.67d(4)即這種等腰三角形變型波的反射路徑聲程(X4)為一次底波后聲程(d)的1.67倍。波3及波4常被稱為三角波。波6為橫波擴散聲束在圓柱面反射兩次后返回探頭,形成等邊三角形反射路徑(T→T→T)的遲到波。這種反射條件的擴散聲束與探頭聲束軸線夾角為30°,其聲程為:波7為縱波等邊三角形的2次反射路徑,其聲程為:其反射路徑如圖4所示。圖3為ф70mm棒軸心處ф2mm檢測靈敏度時的探傷波型,如將其靈敏度提高12dB時,可發(fā)現(xiàn)一部分由于波型轉換損耗及能量較低時,平時不可見的變型波出現(xiàn),如圖6所示。波9為縱波以小角度入射,在底面經(jīng)波型轉換后其橫波被探頭接收后的混合直達遲到波,其聲程為:波10為橫波擴散波束,以22°入射角,在圓柱面發(fā)生波型轉換成縱波,再次轉換成橫波后被探頭接收(T→L→T)等腰三角形變型波,如圖7所示。波11為縱波以18°入射經(jīng)五星回路反射五次后被探頭接收的遲到波,其反射路徑如圖8所示。其聲程為:波12為聲源發(fā)射的表面波沿圓柱面繞行一周后被探頭接收,其位置緊靠三次底波之后,其聲程為:其余變型波如四邊形、五邊形等回波,由于其落在三次底波之后,或由于波型轉換導致能量極低且無任何參考價值,故不再討論。3損傷靈敏度調整(1)縱波三角回波的反射路徑構成完整的回路且無波型轉換及損失,且對于工件表面粗糙度和耦合差異的反應比單純的一次底波反應遲鈍,其穩(wěn)定性優(yōu)于底波,故可用一次三角波作為探傷靈敏度調整后的跟蹤及校驗。(2)由于底波波幅很高,在正常檢測過程中無法觀察其下降程度,故可用變型波作為儀器的跟蹤波進行操作,當操作不當、探頭接觸不良、手工把持不穩(wěn)時可及時調整。(3)由于柱面的聚焦作用,在工件一、二次底波之間會產(chǎn)生W形路徑的聚焦反射,有助于發(fā)現(xiàn)較小的缺陷,以及由于始脈沖占寬導致的一次底波前被探頭盲區(qū)即始脈沖占寬所掩蓋的缺陷。(4)當工件表面存在較嚴重的縱向表面缺陷時,當探頭沿圓柱面周向移動時,有時可見表面波隨探頭的移動同步快速游動,其缺陷處即為表面波與儀器探頭零點重合處。4生成面波的變積波圓柱形工件由于探頭與工件呈線性接觸,導致超聲波進入工件后聲場變化,使截面內(nèi)充滿超聲場,波型有縱波、橫波及沿圓柱表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?。如果是薄板曲面時,若入射角波型、材質、頻率及板厚等滿足條件時,也可產(chǎn)生沿曲面薄板傳播的板波。由于聲場的特