超声检测中双晶纵波探头的选择机理

王朝辉,刘 峰,周 丽

(1.辽宁石油化工大学研究生院,抚顺 113001;2.辽宁石油化工大学机械工程学院,抚顺 113001;3.抚顺特殊钢质量部,抚顺 113001)

通过建立选择双晶探头的数学模型来有效地检测超声检测系统接收到的缺陷体的回波信号,不仅可以更深入地理解超声波在固体中的传播、散射等复杂的物理现象,而且对正确利用双晶探头进行实际检测有着重要指导意义。目前,国内外在超声数学建模领域的研究比较活跃,其完整的双晶探头的数学模型主要包括确定双晶探头探测范围、建立声场模型和散射模型三方面的工作。双晶探头探测范围可用来描述脉冲发射接收器、电缆和换能器等各个部分对回波信号的影响,可通过标准反射体试验来确定双晶探头探测范围。关于声场模型和散射模型的选择,主要针对所研究的具体情况所涉及的物理问题,并综合考虑其计算精度和计算效率。

双晶探头是由两块压电晶片构成,被固定在单独的延迟线上,中间有软木隔离以免发生串音。这种传感器的接收晶片不能直接接收由发射晶片发出的能量,而是接收由工件中反射回来的声束转换成的电信号。由于操作中选择了探伤仪上的双晶操作按钮,使发射电路与接收电路分开,这样就不存在单晶探头遇到的问题,即由于到达放大器的第一个声压来自于脉冲发生器,使发射和接收的声波在始脉冲区域产生混叠,产生所谓的盲区。因此使用双晶探头检测识别近表面缺陷的能力明显优于普通的单晶探头。双晶纵波直探头的结构如图1所示,图中L为延迟楔块高度,F为焦距,αL和βL分别为入射角和折射角,在工件中声束交叉的区域为ABCD菱形区,双晶探头具有较高的检测灵敏度。另外,平底孔反射体常常作为参考对比信号,广泛地应用于各种超声检测过程。

针对双晶探头检测系统,笔者从超声斯涅尔定律出发展开讨论,依次确定了相应的声场计算模型、平底孔缺陷体散射模型以及确定双晶探头探测范围计算 ,进而将上述三个模型有效结合,建立了一个完整的纵波双晶直探头选择模型系统。最后用平底孔反射回波试验有效地验证了该模型系统的准确性。

图1 双晶纵波直探头的结构

1 理论模型

1.1 双晶探头声场计算模型

根据斯涅尔定律：

可以得出,双晶探头的焦距可近似等于图1中DO的距离。D点上方因为隔声软木形成的三角形死区[1](即盲区)将在稍候进行分析。由几何原理可以推导出：

从而得出：

即为求得的近似焦距。经过计算可求得常用折射角为10°,7°和5°的双晶探头的近似焦距分别为28.79,41.02和57.36 mm。但这并不是我们选择探头进行探伤的主要依据,更不能因为菱形区域的存在而将探测距离定位为2DO。还需要从多方面进行讨论,并且尽可能确定双晶探头在钢中的实际探测距离以及效率最高的探测距离。

图2 超声波声束截面上的声压差模型

1.2 超声波声束截面上的声压差模型

通过惠更斯原理可知,如图2,一个点声源被数个同心圆围绕,这些同心圆表示在声开始传播之后的很短时间内的连续压力波。每个声循环能量逐渐减弱。这种声源被称为“有限源”,声源边缘会损失很小一部分能量。由于声束扩散,声束中心的声压与边缘的声压差20 dB[2]。

所以从能量传播方面,可以估计双晶探头在钢中的有效最远点应该为焦距的中心,在中心O点能量成汇聚状态,然而这个距离并不是声束在钢中实际行走的距离。

1.3 有机楔块中声束的距离和盲区的距离

由于声束在双晶探头的有机玻璃楔块中产生延迟,并且发射器和接收器相分离,所以无法从理论上精确确定声束入射到材料表面的那一点。校准的唯一办法就是对比单晶探头在试块上的实测结果。

双晶探头还存在由隔声软木在材料上表面形成的盲区,这是双晶检测中的盲点。由几何原理可以得出盲区的高度L0为：

式中δ为隔声层宽度的一半。

1.4 从声束路径确定双晶探头探测的最近点

如果双晶探头折射角选择不当,在少于探头焦距的材料中声束的路径可能为W形,而不是能量较集中的V形。这将导致第一次底波无法显现,而在示波屏上直接显现二次底波的假象,从而导致反射信号不敏锐造成漏检。所以在实测过程中推荐厚度变化的标准为±25%,也就是DO距离的四分之一为双晶探头探测的最近点。由此可知,常用的折射角为 10°,7°和 5°的双晶探头的近似最近点分别为7.19,10.25和14.37 mm。综上所述可得探头应用范围的频带见表1。

图3 有机楔块中声束的距离和死区的距离

表1可见,5°双晶探头的探测范围基本可以用单晶直探头代替。在中厚板中推荐使用7°的双晶探头。

表1 双晶探头应用范围

2 理论模型预测结果及验证

以检测40 mm模具扁钢10Ni3MnCuAl层下缺陷为例。由于模具扁钢层下缺陷处于近表面,缺陷的检出采用7°双晶纵波探头。7°探头折射角度大,同时双晶纵波探头可以克服声束衰减,易于发现近表面的缺陷[3]。在对层下缺陷的定量时,又采用5°双晶纵波探头。5°探头在层下角度扭曲较小,水平线性准确,尖端信号分辨率高,便于缺陷自身高度的精确测量。图4是采用7°探头和5°探头对同一缺陷检测B扫描图示。图中可以明显看出,7°探头发现缺陷的信号较为强烈,5°探头能明显分辨缺陷的尖端信号。所以初检时应用7°双晶纵波探头更易于引起检测者的警觉,不易漏检。

3 结论

建立了一个完整的双晶直探头超声选择模型,用于准确发现平底孔缺陷体的回波信号。由于采用了斯涅尔定律声束模型和超声波声束截面上的声压差模型来计算换能器辐射声场和缺陷体散射场,使得该模型具有较高计算效率,。通过对比模型预测结果与试验测量结果,验证了该模型具有较好的计算精度。该模型作为一种快速有效的测量模型,可以为许多声学无损检测提供有益的参考。

[1]Charles J Hellier.Nondestructive Testing and Evaluation Handbook[M].Beijing：China Petyochemical Press,2006：1-324.

[2]Xiao S H,Zhou Y Z,Guo JD.The effect of high current density electropulsing on persistent slip bands in fatigued copper singlecrystal[J].Mater Sci&Eng A,2002,332(1)：351.

[3]张海龙,孙军.工业纯铁内部疲劳微裂纹扩散愈合过程中的形态演变[J].金属学报,2002,38(3)：239-244.