超聲波聲速變化規(guī)律的研究

0高溫高壓容器檢驗(yàn)的必要性現(xiàn)代工業(yè)，如石油、能源、原子能工業(yè)、管道、發(fā)電廠等。為了提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益,要求對(duì)高溫高壓容器運(yùn)行中的安全性監(jiān)測(cè)的檢驗(yàn)要快速、安全、準(zhǔn)確,在這方面,無(wú)損檢測(cè)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品在生產(chǎn)制造、安裝調(diào)試、在役使用時(shí),若只注意檢測(cè)在常溫下的結(jié)果,而忽略了溫度變化對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響,就會(huì)使數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度降低,檢測(cè)適用范圍減少,造成誤判、漏判及一些不必要的損失。據(jù)此,我們重點(diǎn)研究了不同溫度下超聲波橫波在鋼中聲速的變化,以期得到一些規(guī)律,為今后檢驗(yàn)工作提供方便。1超聲傾斜入射的影響在彈性介質(zhì)中,對(duì)于無(wú)限大固體介質(zhì),其聲速有:CL=Eρ??√1?σ(1+σ)(1?2σ)????????√CS=Gρ??√12(1+σ)?????√(1)CL=Eρ1-σ(1+σ)(1-2σ)CS=Gρ12(1+σ)(1)式中:E為介質(zhì)楊氏彈性模量;G為介質(zhì)剪切彈性模量;σ為泊松比;ρ為介質(zhì)密度。由式(1)知,縱波、橫波聲速與彈性模量E或G、泊松比σ、介質(zhì)密度ρ有關(guān)。彈性性能是金屬的一個(gè)對(duì)成分組織不敏感的性質(zhì),力學(xué)性能較穩(wěn)定,但當(dāng)溫度大于50℃時(shí),隨溫度升高,彈性模量減少,物質(zhì)密度也隨溫度變化而變化,一般溫度升高,物質(zhì)密度減少。綜上所述,隨溫度變化,彈性模量和物質(zhì)密度發(fā)生變化,從而使聲速發(fā)生變化。那么,如何測(cè)出聲速的變化呢?超聲波傾斜入射時(shí),在異質(zhì)界面會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換(圖1),其規(guī)律如下:CL1sinα=CS2sinβ=C′S2sinβ′(2)CL1sinα=CS2sinβ=CS2′sinβ′(2)式中:α為探頭入射角;β為20℃時(shí)斜探頭折射角;β′為某一溫度下,斜探頭折射角;CL1為超聲波在有機(jī)玻璃中的縱波聲速;CS2為20℃時(shí)鋼中橫波聲速;C′S2為某一溫度時(shí)鋼中橫波聲速。由于探頭K值一定,β=arctanK是已知的。鋼中橫波聲速CS2=3230m/s。首先由儀器測(cè)出聲程S,(儀器聲程1∶1調(diào)節(jié)),試塊中人工缺陷深度可量出d,則β′=arccos(d/S)(3)所以C′S2=CS2(sinβ′/sinβ)=CS2(sin(arccos(d/S))/sin(arctanK))(4)β′=arccos(d/S)(3)所以CS2′=CS2(sinβ′/sinβ)=CS2(sin(arccos(d/S))/sin(arctanΚ))(4)由此可求出隨溫度變化的聲速值。2溫度測(cè)定和測(cè)量條件選擇實(shí)驗(yàn)時(shí),需注意以下幾個(gè)方面的問題:(1)某一溫度下,測(cè)量的數(shù)據(jù)需要在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。當(dāng)被測(cè)物體溫度與環(huán)境溫度相差較大,散熱較快。實(shí)際測(cè)量時(shí)需要一個(gè)恒溫裝置(圖2),在測(cè)量時(shí)間內(nèi),保持溫度恒定。(2)溫度較高時(shí)(一般為150℃以上),斜探頭中有機(jī)玻璃斜楔會(huì)變軟,甚至熔化,影響了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,此時(shí)可使用高溫探頭和高溫耦合劑,或在試塊與探頭之間加保護(hù)層(延遲塊)。(3)需在試塊一定位置設(shè)置人工缺陷,以便于掃查檢驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)選用SH—1標(biāo)準(zhǔn)半圓試塊。(4)耦合劑選用了具有傳聲性和耐溫性較好,高溫?fù)]發(fā)性較小的30#機(jī)油。(5)調(diào)節(jié)好儀器,利用2.5P10×10K2.5、5P8×12K2.5和2.5P13×13K1.5探頭,聲程S值每隔10℃檢測(cè)一次。3結(jié)果與分析利用測(cè)得的聲程S代入公式(4)得出聲速的數(shù)值,繪制成圖3、圖4、圖5。3.1溫度與聲速cs與密度的關(guān)系縱觀圖形及數(shù)據(jù),隨溫度升高,在0～40℃時(shí),橫波聲速?zèng)]有明顯變化或稍有降低;當(dāng)溫度大于40℃時(shí),隨溫度升高,聲速增加;70℃左右聲速達(dá)到最大值;隨后溫度再升高,橫波聲速反而減小。究其原因,在0～40℃時(shí),溫度較低,彈性模量變化極小,而物質(zhì)密度在此時(shí)變化亦不明顯,由CS∝G/ρ可知,CS可看作定值。因此,在室溫附近進(jìn)行檢測(cè)時(shí),可將溫度影響排除。40～70℃時(shí),溫度升高,彈性模量減少,同時(shí),物體要產(chǎn)生體積膨脹,比容呈線性增加,使密度有規(guī)律的減少,但因溫度較低,彈性模量變化幅度(約為0.2%)小于介質(zhì)密度的變化幅度(約為1%),聲速CS∝G/ρ逐漸增大。當(dāng)溫度大于70～80℃時(shí),溫度升高,使原子活動(dòng)能力增加,彈性能力降低,G急劇減少,此時(shí),物體會(huì)因體積膨脹,密度也會(huì)逐步的、有規(guī)律的減少,這樣彈性模量變化幅度(約為2%)大于介質(zhì)密度變化幅度(約為0.6%),故聲速CS∝G/ρ會(huì)減少。3.2影響檢測(cè)行為的分析(1)高，但衰減嚴(yán)重一般來說,頻率越高時(shí),波長(zhǎng)短,能量高,但衰減嚴(yán)重。隨溫度升高,原子運(yùn)動(dòng)加快,阻礙了超聲波的傳播,曲線變化較陡,故檢驗(yàn)可選用頻率較低的探頭。(2)聲程變化的影響當(dāng)頻率相同,由圖3、5可知,隨溫度變化,K值較小時(shí),K=arctan(d/S)測(cè)得聲程變化幅度較小,反之較大。因K值小時(shí)測(cè)量聲程較短,其微小變化,會(huì)引起聲速較大的變化。由圖知,K1.5探頭比K2.5的探頭隨溫度變化,其聲速變化較為明顯且劇烈。4不同接頭時(shí),金.(1)溫度不變化,超聲波的橫波聲速要發(fā)生變化。0～40℃時(shí),聲速基本不變,此時(shí)溫度對(duì)聲速的影響可以忽略:隨溫度升高,聲速增加,在70～80℃聲速達(dá)到最大值,隨后溫度升高,聲速反而減小。(2)選擇不同探頭,其聲速變化不同。在相同溫度范圍內(nèi),頻率相同,較大K值的探頭聲速變化幅度較小,而較小K值探頭聲速變化幅度大,故溫度較高時(shí),可選用較大K值的探頭。