超聲檢測中雙晶縱波探頭的選擇機理

王朝輝,劉 峰,周 麗

(1.遼寧石油化工大學研究生院,撫順 113001;2.遼寧石油化工大學機械工程學院,撫順 113001;3.撫順特殊鋼質量部,撫順 113001)

通過建立選擇雙晶探頭的數學模型來有效地檢測超聲檢測系統接收到的缺陷體的回波信號,不僅可以更深入地理解超聲波在固體中的傳播、散射等復雜的物理現象,而且對正確利用雙晶探頭進行實際檢測有著重要指導意義。目前,國內外在超聲數學建模領域的研究比較活躍,其完整的雙晶探頭的數學模型主要包括確定雙晶探頭探測范圍、建立聲場模型和散射模型三方面的工作。雙晶探頭探測范圍可用來描述脈沖發射接收器、電纜和換能器等各個部分對回波信號的影響,可通過標準反射體試驗來確定雙晶探頭探測范圍。關于聲場模型和散射模型的選擇,主要針對所研究的具體情況所涉及的物理問題,并綜合考慮其計算精度和計算效率。

雙晶探頭是由兩塊壓電晶片構成,被固定在單獨的延遲線上,中間有軟木隔離以免發生串音。這種傳感器的接收晶片不能直接接收由發射晶片發出的能量,而是接收由工件中反射回來的聲束轉換成的電信號。由于操作中選擇了探傷儀上的雙晶操作按鈕,使發射電路與接收電路分開,這樣就不存在單晶探頭遇到的問題,即由于到達放大器的第一個聲壓來自于脈沖發生器,使發射和接收的聲波在始脈沖區域產生混疊,產生所謂的盲區。因此使用雙晶探頭檢測識別近表面缺陷的能力明顯優于普通的單晶探頭。雙晶縱波直探頭的結構如圖1所示,圖中L為延遲楔塊高度,F為焦距,αL和βL分別為入射角和折射角,在工件中聲束交叉的區域為ABCD菱形區,雙晶探頭具有較高的檢測靈敏度。另外,平底孔反射體常常作為參考對比信號,廣泛地應用于各種超聲檢測過程。

針對雙晶探頭檢測系統,筆者從超聲斯涅爾定律出發展開討論,依次確定了相應的聲場計算模型、平底孔缺陷體散射模型以及確定雙晶探頭探測范圍計算 ,進而將上述三個模型有效結合,建立了一個完整的縱波雙晶直探頭選擇模型系統。最后用平底孔反射回波試驗有效地驗證了該模型系統的準確性。

圖1 雙晶縱波直探頭的結構

1 理論模型

1.1 雙晶探頭聲場計算模型

根據斯涅爾定律：

可以得出,雙晶探頭的焦距可近似等于圖1中DO的距離。D點上方因為隔聲軟木形成的三角形死區[1](即盲區)將在稍候進行分析。由幾何原理可以推導出：

從而得出：

即為求得的近似焦距。經過計算可求得常用折射角為10°,7°和5°的雙晶探頭的近似焦距分別為28.79,41.02和57.36 mm。但這并不是我們選擇探頭進行探傷的主要依據,更不能因為菱形區域的存在而將探測距離定位為2DO。還需要從多方面進行討論,并且盡可能確定雙晶探頭在鋼中的實際探測距離以及效率最高的探測距離。

圖2 超聲波聲束截面上的聲壓差模型

1.2 超聲波聲束截面上的聲壓差模型

通過惠更斯原理可知,如圖2,一個點聲源被數個同心圓圍繞,這些同心圓表示在聲開始傳播之后的很短時間內的連續壓力波。每個聲循環能量逐漸減弱。這種聲源被稱為“有限源”,聲源邊緣會損失很小一部分能量。由于聲束擴散,聲束中心的聲壓與邊緣的聲壓差20 dB[2]。

所以從能量傳播方面,可以估計雙晶探頭在鋼中的有效最遠點應該為焦距的中心,在中心O點能量成匯聚狀態,然而這個距離并不是聲束在鋼中實際行走的距離。

1.3 有機楔塊中聲束的距離和盲區的距離

由于聲束在雙晶探頭的有機玻璃楔塊中產生延遲,并且發射器和接收器相分離,所以無法從理論上精確確定聲束入射到材料表面的那一點。校準的唯一辦法就是對比單晶探頭在試塊上的實測結果。

雙晶探頭還存在由隔聲軟木在材料上表面形成的盲區,這是雙晶檢測中的盲點。由幾何原理可以得出盲區的高度L0為：

式中δ為隔聲層寬度的一半。

1.4 從聲束路徑確定雙晶探頭探測的最近點

如果雙晶探頭折射角選擇不當,在少于探頭焦距的材料中聲束的路徑可能為W形,而不是能量較集中的V形。這將導致第一次底波無法顯現,而在示波屏上直接顯現二次底波的假象,從而導致反射信號不敏銳造成漏檢。所以在實測過程中推薦厚度變化的標準為±25%,也就是DO距離的四分之一為雙晶探頭探測的最近點。由此可知,常用的折射角為 10°,7°和 5°的雙晶探頭的近似最近點分別為7.19,10.25和14.37 mm。綜上所述可得探頭應用范圍的頻帶見表1。

圖3 有機楔塊中聲束的距離和死區的距離

表1可見,5°雙晶探頭的探測范圍基本可以用單晶直探頭代替。在中厚板中推薦使用7°的雙晶探頭。

表1 雙晶探頭應用范圍

2 理論模型預測結果及驗證

以檢測40 mm模具扁鋼10Ni3MnCuAl層下缺陷為例。由于模具扁鋼層下缺陷處于近表面,缺陷的檢出采用7°雙晶縱波探頭。7°探頭折射角度大,同時雙晶縱波探頭可以克服聲束衰減,易于發現近表面的缺陷[3]。在對層下缺陷的定量時,又采用5°雙晶縱波探頭。5°探頭在層下角度扭曲較小,水平線性準確,尖端信號分辨率高,便于缺陷自身高度的精確測量。圖4是采用7°探頭和5°探頭對同一缺陷檢測B掃描圖示。圖中可以明顯看出,7°探頭發現缺陷的信號較為強烈,5°探頭能明顯分辨缺陷的尖端信號。所以初檢時應用7°雙晶縱波探頭更易于引起檢測者的警覺,不易漏檢。

3 結論

建立了一個完整的雙晶直探頭超聲選擇模型,用于準確發現平底孔缺陷體的回波信號。由于采用了斯涅爾定律聲束模型和超聲波聲束截面上的聲壓差模型來計算換能器輻射聲場和缺陷體散射場,使得該模型具有較高計算效率,。通過對比模型預測結果與試驗測量結果,驗證了該模型具有較好的計算精度。該模型作為一種快速有效的測量模型,可以為許多聲學無損檢測提供有益的參考。

[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]張海龍,孫軍.工業純鐵內部疲勞微裂紋擴散愈合過程中的形態演變[J].金屬學報,2002,38(3)：239-244.