小徑管對接焊縫的人工反射體回波噪聲的幾何光學推導

為了應用劑量法測量路徑管的焊接，必須從理論和實踐兩個方面對人工回波量的規(guī)律進行驗證。本文針對單晶片直探頭,應用幾何光學理論,近似地計算了一倍近場長度以外受管子表面曲率影響的長橫孔、球孔的距離-波幅曲線,并進行了實驗驗證,得到了一些有益的啟示。1理論概念和結(jié)果1.1缺陷入射聲壓的影響壁厚小,反射體就往往處在三倍、兩倍,甚至一倍近場長度以內(nèi)。此外,超聲波經(jīng)柱面折射后才能進入工件。用二次波探傷時,聲波還要再被內(nèi)表面(柱面)反射一次;用三次波探傷時,聲波還要再被外表面(柱面)反射一次才投射到缺陷上,而經(jīng)缺陷反射后,還要再經(jīng)工件上下表面反射后才能回到探頭,形成回波聲壓。這是較為復雜的立體問題,我們的做法是:(1)把問題分在兩個互相垂直的平面內(nèi)考慮,一是與管軸線垂直的平面,另一個是含管軸線的平面。取兩平面內(nèi)計算的幾何平均值為總回波聲壓。(2)根據(jù)惠根斯原理,在圓盤源發(fā)射聲場軸線上超聲波的波前可看作平面。(3)在聲束軸線上、一倍近場長度以外,聲波的反射與折射可用幾何光學的定律計算。(4)我們假定,當超聲波未被界面作用時,用經(jīng)典公式P=2P0sin{π/λ[(D2/4+S2)1/2-S]}計算軸線上入射聲壓。被反射體或管內(nèi)外表面作用后,聲壓的變化可根據(jù)作用前后聲束直徑的變化計算。1.2計算機優(yōu)化后的推導過程按照上述思路,只需應用初等數(shù)學知識按步就班進行數(shù)學推導,即可以計算出各種情況下長橫孔和球孔的回波聲壓了,限于篇幅,這里略去了具體數(shù)學推導過程。本文曲線圖均是用計算機計算、顯示的結(jié)果。為了便于觀察,已將每條曲線斷開成對應一、二、三次波的三段,同一曲線具有相同的標志(圓點、十字、三角、圓圈、叉等)。1.2.1回波幅度變化的差異圖1中a,b的靈敏度相同。由圖可看出,①當反射體直徑變化時,球孔的變化要比長橫孔大得多。②直徑變化量相同,回波幅度變化不相同,例如,直徑從1mm變到2mm與從2mm變到3mm時回波幅度的變化并不相同,前者較大。③同一直徑的長橫孔與球孔的分貝差和聲程有關(guān),而非定值,例如,在二次波終點兩者回波幅度差約為20dB,而在二次波起點則約為13dB。1.2.2長橫孔二次波的曲線從圖2可以看到,①管子內(nèi)外表面曲率的影響主要表現(xiàn)在二、三次波上,尤其是二次波,曲率對長橫孔的影響比球孔大,以至于長橫孔的二次波曲線形成了一個下凹的臺階,隨著管外徑的增大,曲線逐漸變成最靠上邊的一條曲線。本例中,曲率使長橫孔二次波終點的回波幅度下降約10dB,而球孔下降約5dB。當外徑超過300mm后,曲率的影響基本上可不予考慮。②一、二次波及二、三次波之間回波幅度有突變,甚至是非連續(xù)的,長橫孔尤為明顯。1.2.3徑管二次波聲程圖3a,b的靈敏度相同。小壁厚管二次波的聲程可能與大直徑管的一次波聲程相同,由圖3可見,小直徑管的二次波曲線與大直徑管的一次波曲線幾乎重疊在一起。因此,對一、二次波而言,只要管子外徑、聲程相同,其回波幅度與壁厚關(guān)系不大。1.2.4波寬曲線的角度，即使是不同的，也是不同長度的橫孔和球孔之間的距離圖4圖4與圖3的情況類似,對一、二次波而言,折射角不同,但聲程相同時,回波幅度基本相同。1.2.5波幅曲線，由于晶體大圓孔和長截面孔之間的距離為由圖5可以看到,晶片尺寸越大,回波越強。1.2.6探傷的測定圖6中,5MHz的回波幅度高于2MHz。以上六個方面的情況,是使用單收發(fā)探頭、采用當量法探測小徑管對接焊縫時,為確定探傷靈敏度和缺陷當量需要弄清的主要問題。2超聲檢測儀器請山東濟寧模具廠用20鋼加工了一百多塊各種規(guī)格的帶有球孔、長橫孔的試塊。加工制作了70余只各種參數(shù)的探頭。我們與邀請的外單位專業(yè)人員應用數(shù)字化探傷儀(美國Panametrics公司產(chǎn)EPOCH-Ⅱ)及模擬式探傷儀(中國汕頭超聲儀器研究所產(chǎn)CTS-22)進行了試驗,共實測了近3000個距離-波幅值。參照最小二乘法原理,求出近400條距離-波幅曲線,再將實驗曲線與理論曲線進行比較,結(jié)果表明,當聲程大于一倍近場長度時,理論曲線與實驗曲線的偏差為1～3dB。因此,可以說,在工業(yè)試驗的精度下,理論與實驗相符。實驗中也看到,當聲程小于一倍近場長度時,實驗值與理論值偏差很大,且無明顯的規(guī)律可言。3研究結(jié)果的啟示當聲程大于一倍近場長度時,可以應用幾何光學的理論,近似地求得一倍近場長度以外的考慮管子上下表面曲率影響的長橫孔和球孔距離-波幅曲線。這種曲線是有獨特規(guī)律的。這就為進一步研究、制訂小徑管當量法超聲探傷方法和質(zhì)量分級標準提供了理論和實驗依據(jù)。所提出的理論是沒有考慮波動現(xiàn)象的近似理論,實驗驗證是在工業(yè)試驗的精度下做的,但這些也是與工業(yè)應用相適應的。本研究結(jié)果給出如下啟示,供參考:(1)球孔回波幅度比長橫孔小得多,如圖1中二次波終點?1mm球孔比?1mm長橫孔弱20dB左右。(2)內(nèi)外表面曲率對球孔的影響不同于長橫孔,對長橫孔的影響更大。(3)管子內(nèi)外表面曲率對二、三次波有較大影響,對一次波影響很小。對長橫孔而言,曲率的影響使得一、二次波,二、三次波的轉(zhuǎn)變之處回波幅度有較明顯的階躍現(xiàn)象,也就是說,同一長橫孔,即使聲程相差無幾,用一次波探的回波也要比用二次波的強得多。(4)同一聲程處相同直徑球孔和長橫孔的回波幅度差與聲程值有關(guān)。如圖2中二次波終點兩者回波幅度差約為20dB,而在二次波起點則約為13dB。也就是說,如以長橫孔定靈敏度后去探測球孔,則同一尺寸球孔在不同聲程處的當量尺寸不同。(5)對于通常管壁厚度的管子,當其外直徑>300mm時,可以不考慮曲率的影響。(6)當管外直徑相同而壁厚不同,或使用不同折射角探測同一工件