超声实验中迟到波成因和影响因素的探究

马聆越,孙文博

(1.清华大学附属中学,北京 100084； 2.清华大学 物理系，北京 100084)



超声实验中迟到波成因和影响因素的探究

马聆越1,孙文博2

(1.清华大学附属中学,北京 100084； 2.清华大学 物理系，北京 100084)

在超声实验及探测中，在第一次和第二次底面回波之间存在一系列等间距的衰减波包. 利用纵波探头对不同材质和规格的试块产生的这些衰减波包分别测试其声时，分析了它们的形成原因和影响因素.

超声；迟到波；波形转换

在超声实验中用纵波探头对钢、铝试块测量纵波声速或探伤检测时，笔者在第1次底面回波和第2次底面回波之间观察到一系列衰减波包(在第2次底面回波和第3次底面回波之间出现同样的现象)，但实验讲义和实验内容中并未涉及这些回波的来源及影响因素，本文将对这些回波的产生原因和影响因素进行深入的探究和分析.

据文献报道[1-4]，超声无损检测被广泛应用于各个领域. 在超声探测时，示波屏上除了始波、底波和缺陷波外，还会出现其他的信号，主要有迟到波、三角反射波、仪器及探头引起的杂波等伪缺陷波[5-6]. 伪缺陷波并非工件中缺陷所造成的反射信号，但这类波的存在影响对缺陷波的正确判断，应加以识别. 其中迟到波是在1次底波后出现的固定位置的特殊回波. 因此了解迟到波的成因，正确认识迟到波，避免超声检测中把迟到波误认为缺陷波，对于超声探伤和无损检测也具有重要意义.

1　实验原理

为了分析迟到波的形成与哪些因素有关，实验中分别用纵波探头对2种不同几何尺寸的钢试块和同样几何尺寸、不同材料的钢及铝试块进行测量. 所用探头的晶片直径为φ22 mm,工作频率为3.5 MHz. 钢试块1和铝试块几何尺寸相同，均为300 mm×130 mm×20 mm. 钢试块2材质和钢块1相同，厚25 mm.

实验测量仪器为数字智能化的超声波分析测试仪，如图1所示. 它主要有主机、超声波发射接收卡、A/D转换卡和超声波换能器(探头). 主机是整个系统的枢纽，完成系统的控制操作、数据采集、数据存储和数据的分析处理. 超声卡实现超声波发射和接收功能，A/D转换实现了超声波接收信号的数字化. 利用计算机的控制和高速运算功能对数字信号进行数字处理以实现超声波分析测试智能化.

图1　超声波分析测试仪器

测量时将纵波探头放在试块上方，让探头与试块紧密接触，探头在高压负脉冲激励下产生有一定周期的波包，该波包在试块中传播遇到缺陷或界面时发生反射，反射回波被同一个探头接收显示在示波器(计算机显示器)上. 实验的关键是正确判断超声波经试块底面反射产生的第1次和第2次底面反射回波(简称底波)，调整增益使待测信号能够完整且清晰地显示，避免信号振幅过大或过小，以减小测量误差. 分别测量纵波探头在钢、铝不同试块不同侧面中2次底面回波之间的一系列衰减波包对应的声时和声程，以分析其产生原因和影响因素.

2　实验测量与分析

2.1超声实验中观察到2次底波之间的一系列衰减波

图2是将纵波探头置于钢试块1的20 mm×300 mm面沿130 mm方向测量时示波屏上显示的典型超声回波信号. 从图2可以看到示波屏上在每2个底波间均存在一系列的衰减波信号. 在试块上沿300 mm方向移动探头时这一系列衰减波包一直稳定存在，回波信号的强度和位置均不随探头位置的改变而改变. 铝试块中衰减波包的波形和钢块1相似，但回波位置与钢试块中不同. 图3为探头放在钢块2宽面(100 mm×300 mm)沿25 mm方向测量时示波屏上显示的超声回波信号，可以看到图中只有底面回波的多次反射信号，在底面回波之间没有出现衰减回波信号.

图2　纵波探头置于钢试块1的窄面时显示的超声波型

图3　探头置于钢块2宽面显示的超声波型

2.2实验数据

表1为同一纵波探头分别置于相同几何尺寸的钢试块1和铝试块的20 mm×300 mm 面、声波沿130 mm方向传播时及钢试块2的25 mm×300 mm 面、沿100 mm方向测量的各衰减波声时及相邻信号的声时差.

表1　用纵波探头在钢试块1,2和铝试块中测量的各衰减波声时及相邻信号的声时差

1)同一试块中各衰减波的位置固定，相邻衰减波信号间的声时差相等. 同一试块，左右移动探头，各衰减波包的位置不变.

2)相邻衰减波间的声时差与试块材质和试块几何尺寸有关. 相同几何尺寸的钢试块和铝试块中相邻波包间的声时差明显不同；相同材质的2个钢试块厚度不同，相邻波包的声时差也不同.

3) 衰减波包的出现与探测面有关. 只有将探头放置于细长面(20 mm×300 mm;130 mm×300 mm) 时2次底面回波间才出现系列衰减波. 当探头置于宽面(130 mm×300 mm)时，2次底面回波之间不出现衰减波包.

4)衰减波包个数与试块几何尺寸有关，传播距离越长，窄边尺寸越小，出现的波包个数越多.

2.3实验结果分析与讨论

实验中把探头置于试块的窄面(如20 mm×300 mm)表面测量时2次底波间才会出现衰减波，说明衰减波的出现可能与纵波波束的扩散及试块窄面两侧的侧壁对扩散波的反射时的波型转换有关. 当超声纵波斜入射到固体表面，在固体界面发生反射与折射，不仅会产生反射或折射纵波，也会产生反射或折射横波. 这种由纵波通过反射或折射产生横波的现象称为波型转换. 反射波传播方向遵守反射定律(斯涅耳定律)：

(1)

式(1)中αL表示纵波入射角，γL表示纵波反射角，γS表示转换横波反射角，CL1表示第1种材料中纵波声速，CS1表示第1种材料中横波声速. 波型转换现象一般发生在斜入射的场合，而且与界面两侧媒质的状态有关.

图4给出超声实验中第1和第2次底波之间衰减波形成的原理示意图. 当把纵波探头P置于钢或铝试块的窄长面(如图4中AB面)上检测时，扩散纵波波束(FE)斜入射到试块的侧壁BD面,被BD面反射，反射的部分包括纵波和发生波型转换的横波. 纵波(图中未画出)经侧壁和底面

图4　衰减波形成原理示意图

的反射后被探头捕获，因纵波速度大，试块尺寸较小，经侧面和底面反射的纵波声时与直接由底面反射的纵波声时相差无几，形成第1次底面回波的波包. 而反射波中经波型转换成为横波的部分(EG)，因横波速度比纵波速度小近一半，横波声程变长(EG>NG)，导致转换横波的声时比纵波的声时明显增加. 横波EG斜入射到试块另一侧面AC,被AC反射的波既有横波GK，也有再次发生波型转换产生的纵波GI,纵波GI被底面CD反射后(IM)经两侧面多次反射(MN-NO)回到探头，被探头接收产生第1个衰减波信号. 每次超声波被试块界面反射时，无论纵波和横波均发生与E点和G点类似的波型转化现象，每多经历1个横波声程，到达探头的声时会延长一定时间. 经历1个横波声程的回波信号形成第1个衰减波，经历2个横波声程的超声波信号是第2个衰减波，依此类推，经历n个横波声程的信号为第n个衰减波. 声波在传播过程中经2个侧面的多次反射回到超声探头，因此两底波之间会出现一组衰减波信号. 随着声程不断增大，振幅逐渐衰减. 另外，转换波型的回波必须经底面反射才能回到探头被接收，因此这些经过波型转换的回波信号总是出现在第1次底波之后，故称之为迟到波或延迟波.

根据图4中迟到波的形成原理，可以推导相邻2个迟到波之间的声时差和声程差. 设试块的两侧壁间厚度为d，探头发射的纵波垂直入射试块方向传播的长度为L(如图4所示)，则纵波发射后在试块中不发生波型转换经底面反射后到达探头的声时(从探头发射到接收的时间)为

(2)

式中：t0表示探头延迟(超声波在探头内传播时间)，L表示纵波沿直线传播方向的试块长度，CL为试块中纵波波速.

(3)

记n为转换横波被2个侧壁(厚度为d)反射的次数,则第n个迟到波的声时为

(4)

由(2)和(4)式得到相邻2个迟到波之间的声时差Δt为

Δt=T1-T0=T2-T1=T3-T2=

(5)

用(5)式能很好地解释前面所观察到的实验现象和实验结果：当试块中有迟到波产生时，同种材料的声速相同，相邻迟到波之间的声时差与试块厚度d有关. 当d较大时Δt变大. 钢试块2比钢试块1厚，所以钢试块2中Δt比钢块1的值大. 对相同尺寸的钢试块1和铝试块，d相同，但声速CL和CS不同，所以同样尺寸的钢和铝试块中相邻迟到波之间的声时差也不同. 下面用(5)式对钢和铝试块中的Δt进行定量计算.

虽然扩散纵波斜入射到试块侧壁的很多位置都可产生反射横波，但对应不同入射角产生的转换横波的反射角不同，有些位置的反射横波及纵波经2个侧面多次反射后不能到达探头被接收，也就不能被检测到. 另外不同入射角产生的横波强度不同，只有当转换横波强度较大时，才能经侧壁多次反射到达接收探头被检测出来. 如果转换横波强度较弱，在传播过程中经过衰减很难被探测到. 据文献[6]报道，纵波斜入射到钢/空气界面，当αL≈70°，αS≈33°时，转换横波最强.

已知钢中纵波声速CL=5 900 m/s, 横波声速CS=3 230 m/s；铝材料中CL=6 260 m/s，CS=3 080 m/s. 铝试块中当αL=70°时，由(3)式可计算出αS=28°. 将钢和铝的纵波波速和横波波速分别代入(5)式，计算出钢、铝试块中相邻迟到波的声时差为

Δt钢=0.26d,

(6)

Δt铝=0.28d.

(7)

(6)和(7)式中d的单位取mm. 对钢试块1:d钢1= 20 mm; 钢试块2：d钢2= 25 mm;铝试块：d铝=20 mm. 将这些值分别代入(6)和(7)式，得：Δt钢1=5.2 μs，Δt钢2=6.5 μs，Δt铝=5.6 μs.

将上述理论推导计算的声时差与表1中实验测量的结果相比较，可分别计算出钢试块1、钢块2和铝块中实验测量的相邻衰减波之间的声时差的平均值与理论值的相对偏差分别为0.2 %,0.6 %和0.9 %. 理论值与实验值相对偏差很小，说明了理论模型的正确性.

另外，2次底波之间迟到波的个数也可以从上述理论模型中推导出来. 从(5)式可以容易地推出相邻迟到波之间的等效声程差为

(8)

将钢试块的参量代入(8)式，得

Δx钢=0.76d.

(9)

设在第1次和2次底波之间能够检测到的迟到波的个数为n，则有

(10)

从(10)式可知，只有当L>0.76d时，n>1，才能在第1次底波之后出现迟到波，对同种材料的试块，能够检测到的迟到波的个数与试块的厚度和长度有关. 分别将钢试块1和2的数据代入(10)式得到2个钢试块中可检测到迟到波的个数分别为n1≈8，n2≈5.

实验结果和理论计算结果相同，表明了理论模型的正确.

3　结束语

分析了超声实验中2次底波之间系列衰减波的成因及影响因素. 分析表明：这些衰减波不是常规缺陷波，其产生条件是探头尺寸和试块厚度相近、探头发射的纵波声束具有一定的扩散. 扩散的超声纵波斜入射到试块侧壁，被侧壁反射时发生了波型转换，从而导致声程变长，声速减慢. 据此模型从理论上推导出相邻迟到波之间的声时差和声程差公式，计算结果与实验测量结果十分吻合，证明了理论模型的正确性.

[1]宗和厚，张伟斌，肖丽，等. 超声端点反射法检测PBX表面裂纹深度[J]. 含能材料,2016，24(2):166-170.

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[4]焦敬品,马婷,李光海,等. 用于裂纹方向识别的超声散射系数分析方法研究[J]. 声学学报，2016，41(1)：13-24.

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[责任编辑：郭伟]

Formation mechanism and affecting factors of delayed wave in ultrasonic experiments

MA Ling-yue1, SUN Wen-bo2

(1.Attached High School of Tsinghua University, Beijing 100084, China;2.Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In ultrasonic experiment, there were a series of decaying wave packets with equal spacing between the first and the second wave packets reflected by the bottom surface of the rectangular block. Different types of longitudinal wave ultrasonic transducers and different materials with different geometry sizes were used to measure the spread time of the decayed waves in the experiment. The formation mechanism and influencing factors of these decayed waves were analyzed.

ultrasonic wave; delayed wave; waveform conversion

2016-03-11；修改日期：2016-04-14

国家基础科学人才培养基金(No.J1210018)；教育部基础学科拔尖学生培养试验计划资助(No.20160204)

马聆越(1999-),男，北京人，清华大学附属中学学生.

孙文博(1980-)，男，辽宁锦州人，清华大学物理系工程师，学士，从事实验物理教学工作.

学生园地

O426,2;TB559

A

1005-4642(2016)09-0032-05