相控陣超聲檢測扇形掃描角度范圍

姜學平，王 鵬，鄭 暉，韓慶邦

（1.河海大學，常州 213022；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

相控陣超聲檢測技術靈活、可靠、高效、受人為因素影響小、無輻射無污染、檢測結果直觀可保存，適宜于特種設備領域多種焊縫的無損檢測，國內外相關標準、設備、軟件也因此不斷豐富完善［1－2］。特種設備焊縫檢測中采用相控陣超聲斜入射脈沖橫波回波法進行檢測，檢測方法為扇形掃描，線性掃查［3］，如果設置入射角度大于第一臨界角、小于第二臨界角，則工件中只有橫波，通過聲線模型，設置探頭位置和角度范圍，實現聲束全覆蓋待檢測區域，同時必須考慮聲束在楔塊－工件界面的聲透射，保證檢測聲能量。因此，需要研究存在兩種介質分界面時的聲透射問題。孫芳等將帶有楔塊的相控陣超聲檢測問題簡化為液－固界面聲傳播的問題，推導了平面波入射液－固界面的聲透射系數［4］。張碧星等開展了壓電長條輻射聲場在液固界面上的反射和折射特性研究，發現其特性和平面聲場中與入射角為θ的平面波在液－固界面上的反射系數、折射波透射系數完全相同［5］。而在特種設備焊縫的相控陣超聲檢測時，縱波在楔塊中傳播，經楔塊－被檢測工件界面進入檢測工件，需要討論聲波在固－固滑移界面的透射率［6］。

筆者利用平面波理論和固－固滑移邊界條件推導了入射縱波經過楔塊－被檢工件之間的固－固滑移界面后，折射到工件中的聲能量透射率的表達式，并進行了數值計算，研究聲能量透射率和入射角度的關系，為確定相控陣超聲檢測工藝設計中的扇形掃描角度范圍提供參考。

1 相控陣扇形掃描理論

采用相控陣超聲斜入射脈沖橫波回波法扇形掃描檢測焊縫時，一般情況下，聲輻射面輻射縱波經過斜楔后，在楔塊－被檢工件界面處發生模式轉換形成折射橫波進入工件，如圖1所示。在楔塊－被檢工件界面一般涂有耦合劑，如機油、漿糊、水等，耦合層很薄，其厚度可忽略，楔塊和工件的接觸面可近似為固－固滑移界面，聲波在界面反射和透射，如圖2所示。假設楔塊和待檢工件為各向同性介質，入射聲波為平面波，φinc、φr、ψr、φt、ψt分別為入射縱波、反射縱波、反射橫波、透射縱波、透射橫波的速度勢；A、B為速度勢振幅；下標p為縱波；s為橫波；k為波數；ω為圓頻率；c為聲速，則：

在楔塊－被檢工件邊界上法向位移和法向應力連續，切向應力為零，即在邊界y＝0處有：

圖1 斜探頭入射和模式轉換原理示意

圖2 固－固滑移接觸界面處聲反射和透射原理示意

式中：下標y為沿y方向的物理量；x為沿x方向的物理量；下標1為y＞0的區域，即楔塊介質；下標2為y＜0的區域，即待檢工件介質；u為質點位移；τ為應力。其中：

將式（1）和（3）代入式（2），運用Snell定律，進行代數化簡得到縱波入射在固－固滑移界面反射聲波和透射聲波振幅的關系：

式中：Bt為透射橫波振幅；Ai為入射縱波振幅；θ為聲傳播方向與界面法向的夾角；ρ為介質密度。

在確定入射角θp1的情況下，橫波聲能量透射率為：

設楔塊縱波聲速cp1＝2330m·s－1，橫波聲速cs1＝1136m·s－1，密度ρ1＝1.18×103kg·m－3；工件材質縱波聲速為cp2＝5916m·s－1，橫波聲速為cs2＝3236m·s－1，密度為ρ2＝7.8×103kg·m－3，由式（4）和（5）即可計算出有機玻璃作為斜楔檢測低碳鋼的聲能量透射系數。

2 結果分析

滑移界面邊界條件下，聲束以不同的角度由有機玻璃楔塊傾斜入射到鋼中的聲能量透射率曲線如圖3所示。

圖3 斜探頭入射縱橫波透射率曲線

由圖3可見，入射角在27°～56°范圍內，聲能量能很好地進入檢測工件，此時折射角為38°～90°，大于第一臨界角23°，工件中沒有入射縱波。檢測可以通過調整探頭位置和扇形掃描的角度范圍實現聲束覆蓋待檢測區域對焊縫進行檢測，在相控陣超聲檢測中，通過延時控制聲束偏轉角度，偏轉角度越大，等效聲輻射口徑越小，則聲能量會變得更小，聲束指向性變差，檢測聲束更加發散，降低了檢測分辨力；同時由于聲束存在一定的發散角，發散聲束的折射角只要大于第二臨界角即會產生界面波，影響檢測，所以折射角上限一般不大于75°。由于承壓設備焊縫檢測中，橫波聲速因材料、檢測溫度等有變化，對于低碳鋼，聲速在3213～3313m·s－1范圍內時，建議設置扇形掃描角度范圍小一些，聲輻射有效口徑如圖4所示［7］。

圖4 聲輻射有效口徑示意

3 結語

針對相控陣超聲斜入射脈沖橫波檢測特種設備低碳鋼焊縫時的扇形掃描角度范圍的問題，采用平面波理論和固－固滑移邊界條件推導了縱波入射到楔塊－鋼平面界面的聲能量透射率，并進行計算，發現在以有機玻璃作為楔塊材料時，扇形掃描時聲束的入射角度范圍為27°～56°，對應折射角為38°～90°，但考慮到聲束偏轉角度過大時有效聲輻射口徑變小，檢測聲束會發散并產生界面波的干擾，建議扇形掃描角度范圍上限不大于75°。

［1］DRINKWATER B W，WILCOX P D.Ultrasonic arrays for non－destructive evaluation：A review［J］.NDT ＆E International，2006，39（7）：525－541.

［2］ASME－2013Boiler and pressure vessel code（V）：nondestructive examination［S］.

［3］Q／CSEI 01－2013 鋼制承壓設備焊接接頭相控陣超聲檢測［S］.

［4］孫芳，曾周末，王曉媛，等.界面條件下線型超聲相控陣聲場特性研究［J］.物理學報，2011，60（9）：1－6.

［5］張碧星，王文龍.凹面相控陣聚焦聲場在液固界面上的反射和折射［J］.物理學報，2008，57（6）：3613－3619.

［6］強天鵬，孫忠波，肖雄，等.超聲相控陣角度偏轉極限測試方法探討［J］.無損檢測，2012，34（3），21－24.

［7］CHARLESWORTH C.Ultrasonic phased array testing in the power generation industry：novel wedge development for the inspection of steam turbine blades roots［D］.Conventry：University of Warwick，2011.