超声检测中非缺陷波仿真研究及实验验证

董建彪， 高鸿波， 张士晶， 王树鹏， 赖踊镪， 孔华康

（1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043；3.浙江省特种设备科学研究院，杭州 310020）

0 引 言

超声检测是一种常用的无损检测方法，因其适用范围广、缺陷定位较准确、灵敏度高、穿透能力强、检测成本低和速度快等优点得到广泛的应用［1-2］。在超声检测过程中，经常会发现检测得到的回波中除了始波、底波和缺陷波外，往往还存在一些其他非缺陷波信号［3-4］，如迟到波和三角回波等，这些信号会对缺陷波的判定产生一定的干扰，导致检测结果不准确。因此，有必要对非缺陷波的产生机理和波形规律作一定的了解。

仿真是进行实验研究非常便利的另一种方法，不仅可减少研究所受设备的限制，还可节约成本［5］。一些仿真软件为实验仿真提供了便利，如comsol 多物理场仿真软件可对超声和电磁等物理场进行仿真［6］；CIVA则是专用于无损检测的仿真软件［7］，CIVA 仿真软件可进行模型设计、检测工艺和程序的优化，还可在检测过程中调整重要的参数，包括试块、锻件、铸件和焊缝等检测样品的形状、大小、表面粗糙程度等，通过调整这些参数设置，可确定最合适的检测工件的方法或者评估现有程序的性能和相关性［8-9］。

刘云等［10］运用CIVA 仿真软件对核电超声检测进行仿真，发现CIVA 仿真结果与实际检测结果具有较高的一致性；帅心容等［11］采用CIVA 仿真软件中的超声检测模块，对飞机前起落架上筒支点的迎风面进行了常规超声检测模拟，发现在用表面波探头检测时，对常见缺陷的检出误差更小；钟敏等［12］利用CIVA 软件对梯形截面斜导条检测时的声场和缺陷响应进行仿真，得到缺陷检测时超声声束的最佳入射角度，在该角度探头倾斜入射能够达到很好的检测效果；何慈武等［13］采用CIVA 软件对焊缝模型进行超声相控阵声场仿真，对未熔合、未焊透、裂纹和夹渣4 种典型缺陷在不同检测位置曲率上进行缺陷响应，研究检测位置曲率不同对缺陷成像结果和声压幅值造成的影响，优化实验参数和检测工艺，为进一步改进复杂变曲率工件的超声相控阵检测工艺提供了理论依据。

本文利用CIVA 仿真软件对超声纵波直探头检测中出现的非缺陷波：迟到波和三角回波进行仿真，并将仿真所得非缺陷波数据与超声检测所得非缺陷波数据进行对比，探究CIVA 仿真应用于非缺陷波的形成机理与波形规律的可行性。

1 非缺陷波产生的原因

1.1 迟到波产生的原因

如图1 所示，当纵波直探头置于细长（或扁长）工件或试块上进行检测时［14］，扩散纵波波束在侧壁产生波形转换，成为横波，此横波在另一侧面又转换为纵波，经过底面反射回到探头，被探头接收，在示波屏上出现一个回波。由于转换的横波声程长，波速小，传播时间较直接从底面反射的纵波要长，因此，转换后的波总是出现在第一次底波B1之后，故称之为迟到波。又由于变形横波可能在两侧壁产生多次反射，每反射一次就会出现一个迟到波，因此迟到波往往有多个同时存在，且它们之间的声程差Δx 相等，如图1 中的H1、H2和H3。

图1 迟到波

当纵波L 斜入射到钢／空气界面，αL＝70°，αS＝33°时，变形横波很强，可以计算出迟到波之间的纵波声程差（单程）

式中：Δω为迟到波H1与底波B1的波程差（双程），mm；d为工件的直径或厚度，mm；CL为钢中纵波声速，m／s；CS为钢中横波声速，m／s。可见，底波与迟到波之间、迟到波与迟到波之间的纵波声程差Δx 是特定的，并且位置特定。在荧光屏上看到一系列等距离的波就是迟到波，这可作为迟到波的判别依据。

1.2 三角回波产生的原因

如图2 所示，当使用纵波直探头在径向对实心圆柱体试块进行检测时，探头平面和柱面的接触面积小，导致波束扩散角增加，扩散波束在圆柱面上形成三角反射路径，在示波屏上出现多个反射回波，这种反射被称为三角反射［15］。

图2 三角反射回波

如图2（a）所示，α1＝α2＝αL，无波形转换时，就形成了等边三角形反射路径，其声程

式中，d为圆柱体的直径（mm）。

如图2（b）所示，α1＝α2＝αL，发生波形转换时，形成L→S→L波形回路，为等腰三角形反射，其声程

由αS＝90°－2αL和反射定律得：

在钢中，可知αL＝35.6°，αS＝18.8°，所以可求得：

通过上述计算可知，这2 个三角形反射回波总是位于1 次底波和2 次底波之间。位于1 次底波后的第1 个三角回波声程为1.3d，第2 个三角回波声程为1.67d，这可作为钢制实心圆柱体中三角回波的判断依据。

2 仿真与实验

2.1 CIVA仿真

CIVA是应用于无损检测的专业仿真平台。它由仿真、成像和分析等模块组成，可用来设计或优化检测工艺，可模拟在实际无损检测中的检测能力。CIVA仿真软件包括了UT、ET、RT、CT、GWT和ATHENA 2D模块，可用于无损检测多种检测方法的仿真分析［16］。本次利用CIVA 仿真软件的UT 模块进行非缺陷波的仿真。

2.1.1 仿真设置

此仿真主要步骤：

步骤1材料设置。在“几何”模块“外形”选项中用2D CAD 模块绘制4 个参数分别为φ55 ×185 mm；φ50 ×125 mm；φ45 ×100 mm和φ68 ×120 mm的圆柱体模型，并将模型材料设置为钢材，设置界面如图3 所示。

图3 CIVA材料参数设置界面

步骤2探头参数设置。在“探头”模块中选择不带楔块的平面聚焦接触式探头，晶片形状设置为圆形，直径设置为14 mm，中心频率设置为2.5 MHz，如图4所示。

图4 CIVA探头设置界面

步骤3设置好工件和探头参数后点击“运行”，经计算后得到仿真结果。

2.1.2 CIVA仿真结果

CIVA仿真所得结果如图5 ～8 所示。

在图5 ～图8 中，右侧图形是声波在模型内的传播路线示例图，绿线为纵波，红线为横波。除中心声束外还显示了探头声束扩散角内各迟到波声束的传播轨迹，用不同颜色表示不同迟到波的传播路径。

图5 φ45 mm×100 mm圆柱体迟到波传播路线示意图

图8 φ68 mm×120 mm圆柱体三角回波

CIVA仿真所得迟到波数据见表1。

表1 仿真所得的迟到波数据值 mm

经声程计算φ50 mm×125 mm工件迟到波应该有3 个，但仿真结果中只能看到2 个，更改探头位置也是一样，可能是声波衰减或干涉导致回波波幅太小而难以识别。

CIVA仿真所得三角回波数据见表2，其中声程差Δx1为三角回波1 与一次底波之间的声程差，声程差Δx2为三角回波2 与一次底波的声程差。

表2 仿真所得三角回波数据值 mm

图6 φ50 mm×125 mm圆柱体迟到波传播路线示意图

图7 φ55 mm×185 mm圆柱体迟到波

通过非缺陷波声程差计算可得，φ45 mm ×100 mm工件声程差理论值为34.2 mm，仿真与理论声程差的误差为1.7%；φ50 mm×125 mm工件声程差理论值为38.0 mm，仿真与理论声程差的误差为1.1%；φ55 mm×185 mm 工件声程差理论值为41.8 mm，仿真与理论声程差的误差为3.3%；φ68 mm×120 mm工件声程差Δx1理论值为20.4 mm，声程差Δx2理论值为45.6 mm，仿真与理论声程差Δx1的误差为2.0%，声程差Δx2的误差为1.6%。由此可见，仿真与理论声程差之间误差较小，最高为3.3%，仿真数据较为吻合。

2.2 非缺陷波超声检测

超声非缺陷波检测所选用工件为仿真参数相同的圆柱形钢制棒材。所用4 个工件的参数分别为：φ55 mm ×185 mm；φ50 mm×125 mm；φ68 mm×120 mm和φ45 mm×100 mm（图9 依次从左到右）。

图9 实验所用测试样品

实验使用的仪器为CTS-1010 超声数字探伤仪。采用频率为2.5 MHz，直径为14 mm的纵波直探头。

非缺陷波检测流程如下：

（1）定标。将探头置于CSK-IA试块上，调节衰减器，降低幅值，使回波波幅降于满屏以下，测出工件的声速与延时。测得工件中声速为5 922 m／s，延时1.20 μs。

（2）扫查。将纵波直探头置于φ45 mm×100 mm钢棒的圆截面进行轴向扫查（对于φ68 mm ×120 mm工件则是将探头置于圆周径向扫查，其他工件同φ45 mm×100 mm钢棒），示波屏上显示出典型的超声回波信号，可清晰地看到在每2 个底面回波之间均存在一系列的衰减波，当在工件表面移动探头时，会发现这一系列的衰减波一直稳定存在，这些回波信号的位置和强度均不会随探头位置的改变而改变。通过声程的测量可判断这些回波信号为非缺陷波。检测过程如图10 所示。

图10 迟到波检测

（3）记录。将信号数据记录好后分别对其他工件重复步（2），并将结果记录。

2.2.1 实验结果

超声检测所得工件非缺陷波如图11 ～14 所示。

图11 φ45 mm×100 mm圆柱体迟到波

图12 φ50 mm×125 mm圆柱体迟到波

图13 φ55 mm×185 mm圆柱体迟到波

将探伤仪示波屏中的闸门框住相应的回波，即可在示波屏上显示该回波的声程（见图11 ～14），被框住的回波在示波屏上显示为绿色，在屏幕的右上角显示了该回波的声程（单程）。

图14 φ68 mm×120 mm圆柱体三角回波

迟到波的声程与声程差平均值Δx 的检测数据见表3。

表3 迟到波实际检测数据 mm

通过计算各回波的理论声程可知，在φ45 mm ×100 mm圆柱体工件中存在两个迟到波；在φ50 mm ×125 mm圆柱体工件中存在3 个迟到波；在φ55 mm ×185 mm圆柱体工件中存在4 个迟到波。由计算实验所得迟到波声程差的平均值与理论值之间的误差可得，φ45 mm×100 mm圆柱体工件检测误差为1.7%；φ50 mm×125 mm圆柱体工件检测误差为1.6%；φ55 mm×185 mm圆柱体工件检测误差为1.4%。

检测所得三角回波数据见表4。

表4 三角回波实际检测数据 mm

实验检测所得2 个回波经声程计算后与三角回波的理论声程差值基本相符，声程差Δx1误差为1.5%，声程差Δx2误差为1.1%。

2.2.2 数据分析

根据不同尺寸工件非缺陷波的仿真与超声检测数据计算可得：

（1）φ45 mm×100 mm圆柱体工件CIVA 仿真与超声检测所得迟到波的声程差均值Δx 的相对误差

（2）φ50 mm×125 mm圆柱体工件CIVA 仿真与超声检测所得迟到波的声程差均值Δx 的相对误差

（3）φ55 mm×185 mm圆柱体工件CIVA 仿真与超声检测所得迟到波的声程差均值Δx 的相对误差

（4）φ68 mm×120 mm圆柱体工件CIVA 仿真与超声检测所得三角回波1 的声程差均值Δx1的相对误差（）×100% ＝3.4%；三角回波2 的声程差Δx2的相对误差100% ＝2.8%。

从以上结果可得，仿真所得实验数据与超声检测得到数据差异在4.7%以内，差值较小，但从数据可看出随着工件尺寸的增大，差值也变得更大。

3 结 语

本文对圆柱体工件进行超声检测过程中产生的非缺陷波（本文中主要是迟到波和三角回波）进行CIVA仿真，然后以与仿真参数相同的工件和探头进行超声检测，以验证CIVA软件用于非缺陷波仿真的可行性，主要结论如下：

（1）通过将CIVA仿真所得非缺陷波数据与超声检测所得非缺陷波数据进行对比，结果表明，CIVA 仿真所得声程差与超声检测所得声程差值误差较小，在4.7%以内，且仿真声程差与理论声程差之间的差值在1.1% ～3.3%，仿真数据可信度高，可将CIVA软件用于非缺陷波的仿真。

（2）在CIVA 仿真中，长度较大的工件出现的后几个迟到波存在明显的信号干涉，且衰减较大，使得信号幅值较小，甚至在A扫信号图中无法看到应该出现的非缺陷波信号，这与实际检测仍存在一定差异。