超声波在圆柱形工件中的波型变化

王宇凡，崔省安，李瑞君，高 兵，王建利

（1.西安向阳航天材料股份有限公司，西安 710025；2.兵器工业西北压力容器检测站，西安 710043；3.西安航天动力机械厂，西安 710025；4.西安泵阀总厂有限公司，西安 710025）

超声波直探头检测平面工件时，发射的声场以纵波为主，在近场区（N）之后以半扩散角（θ0）向外辐射的主声束，在声源附近主声束旁，存在大量的副瓣至近场区，副瓣以横波为主，能量较低，存在干涉现象，衰减较快，对于接触平面工件以主声束进行超声检测时，副瓣影响不大。当直探头放置在圆柱形工件曲面上检测时，探头晶片与工件呈线状接触，超声波进入工件后的声场与平面接触时截然不同。

笔者分析了直探头在圆柱形工件中的声场变化和波型变化，通过观察一次底波与三次底波间的波型变化，有助于检测圆柱形工件，如轴类、棒材的内部质量。

1 声场的变化

1.1 超声波在平面接触工件时的声场

超声波在平面接触工件时，其波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大值和极小值的区域，称为近场区，近场区内主声束旁有很多副瓣，比较复杂。约在1.64倍近场区之后，主声束以一定的角度向外扩散，声源辐射的纵波声场的第一零值发射角称为半扩散角（θ0）。其声场变化如图1所示。

图1 平面接触工件时声源辐射的声场特征

1.2 声源接触曲面工件时的声场变化

当直探头探测圆柱形工件时，探头仅与圆柱面曲面的一个很窄的矩形区域接触，接触宽度甚至远小于波长，从而在圆柱的截面内发生强烈的侧向辐射。

由矩形源声场的坐标系数可知［1］，a（或b）为声源中心点至边缘尺寸，故对于一边长分别为2a和2b的矩形波源，由半扩散角公式θ0＝arcsin≈57或θ0＝arcsin≈57可知［1－2］，半扩散角（θ0）的大小取决于声源尺寸（2a或2b）与波长（λ）的比值；当声源尺寸很小，即λ／2a或λ／2b远小于1时，指向性变差，半扩散角（θ0）趋近90°；由公式N≈可知［1，3］，由于声源面积（Fs）减小，其近场长度（N）变小；其波阵面近似于球形，并在声场的侧向产生显著的横波和表面波，如图2所示。

图2 小声源辐射的声场特征

2 波型分析

由于三次底波后的变形波型复杂，且无任何使用意义，故笔者只针对三次底波前的波型予以分析。

试验采用CST－3型超声波探伤仪，2.5P14Z型直探头，由于标准试块材质均匀，晶粒度高，内部杂质少，故选用直径为φ70mm的CS－1型标准试块进行测试。当检测灵敏度设定为φ70mm棒1／2轴心处φ2mm当量时，荧光屏显示波形如图3所示。

图3 圆柱形工件超声检测的波形图

波1为始脉冲。波2、波5、波8分别为纵波的第一次、第二次、第三次底波反射。

波3为扩散纵波经圆柱面反射两次后返回探头，形成等边三角形反射路径（L→L→L）的迟到波。构成这种反射条件的扩散声束与探头声束轴线夹角为30°，其声程为：

即这种等边三角形反射路径声程（X3）为一次底波声程（d）的1.3倍。如图4所示。

图4 （L→L→L）等边三角形反射路径

波4为纵波扩散波束在圆柱面发生波型转换成横波，再次转换成纵波，被探头接收，形成等腰三角形反射路径（L→T→L）的变型波，如图5所示。

图5 （L→T→L）等腰三角形反射路径

由于αS＝90°－2αL和反射定律得

式中：CL为钢中纵波声速；CS为钢中横波声速。

对于钢中可求得αL＝35.6°，αS＝18.8°

即这种等腰三角形变型波的反射路径声程（X4）为一次底波后声程（d）的1.67倍。

波3及波4常被称为三角波。

波6为横波扩散声束在圆柱面反射两次后返回探头，形成等边三角形反射路径（T→T→T）的迟到波。这种反射条件的扩散声束与探头声束轴线夹角为30°，其声程为：

波7为纵波等边三角形的2次反射路径，其声程为：

其反射路径如图4所示。

图3为φ70mm棒轴心处φ2mm检测灵敏度时的探伤波型，如将其灵敏度提高12dB时，可发现一部分由于波型转换损耗及能量较低时，平时不可见的变型波出现，如图6所示。

图6 高灵敏度检测时的超声波形图

波9为纵波以小角度入射，在底面经波型转换后其横波被探头接收后的混合直达迟到波，其声程为：

波10为横波扩散波束，以22°入射角，在圆柱面发生波型转换成纵波，再次转换成横波后被探头接收（T→L→T）等腰三角形变型波，如图7所示。

图7 （T→L→T）等腰三角形反射路径

波11为纵波以18°入射经五星回路反射五次后被探头接收的迟到波，其反射路径如图8所示。其声程为：

图8 五星回路反射路径

波12为声源发射的表面波沿圆柱面绕行一周后被探头接收，其位置紧靠三次底波之后，其声程为：

其余变型波如四边形、五边形等回波，由于其落在三次底波之后，或由于波型转换导致能量极低且无任何参考价值，故不再讨论。

3 应用意义

（1）纵波三角回波的反射路径构成完整的回路且无波型转换及损失，且对于工件表面粗糙度和耦合差异的反应比单纯的一次底波反应迟钝，其稳定性优于底波，故可用一次三角波作为探伤灵敏度调整后的跟踪及校验。

（2）由于底波波幅很高，在正常检测过程中无法观察其下降程度，故可用变型波作为仪器的跟踪波进行操作，当操作不当、探头接触不良、手工把持不稳时可及时调整。

（3）由于柱面的聚焦作用，在工件一、二次底波之间会产生W形路径的聚焦反射，有助于发现较小的缺陷，以及由于始脉冲占宽导致的一次底波前被探头盲区即始脉冲占宽所掩盖的缺陷。

（4）当工件表面存在较严重的纵向表面缺陷时，当探头沿圆柱面周向移动时，有时可见表面波随探头的移动同步快速游动，其缺陷处即为表面波与仪器探头零点重合处。

4 结论

圆柱形工件由于探头与工件呈线性接触，导致超声波进入工件后声场变化，使截面内充满超声场，波型有纵波、横波及沿圆柱表面传播的表面波。如果是薄板曲面时，若入射角波型、材质、频率及板厚等满足条件时，也可产生沿曲面薄板传播的板波。

由于声场的特点，结合柱面反射的特殊情况，故在一次底波后产生了不同类型的变型波，通过对三次底波前变型波的分析和观察，提供了更全面的评价工件内部的综合的超声波信息，有助于对圆柱形工件内部质量的深层次评价。

［1］郑晖，林树青.超声检测［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2008：57－63.

［2］肖暮霏.超声探头发射声束特性的计算［J］.无损检测，1999，13（1）：5－7.

［3］王建利.确定探伤灵敏度用坐标图及其应用［C］.陕西省第八届NDT年会论文集，2002（5）：120－123.