實驗室固體縱波幅值溫變特性研究

房靈猛 張亞萍 劉金柱 李文政

(中國石油大學(華東)理學院，山東 青島 266580)

現代工業中很多設備都需要在高溫高壓環境下長時間運行，所用材料性質可能會發生變化，甚至會劣化變形，給生產帶來不必要的損失[1]。因此，不同溫度下對材料結構的安全性檢測尤為重要[2]，利用超聲幅值的衰減特性對不同溫度下的材料進行安全性檢測具有重要意義。

超聲縱波幅值變化在無損檢測中能反映出固體材料內部氣孔、裂紋、縮孔和摻雜等具體信息[3-5]，但影響超聲幅值測量的因素很多，如擴散衰減、探頭性質、耦合劑的種類和用量及探頭兩端的壓力等，且當溫度變化時，情況會更復雜，測量誤差將更大[6]。由于溫度對探頭也有一定影響[7]，所以研究幅值的溫變特性必須要求變化的溫度不會作用在探頭上。目前大部分研究僅局限于固定溫度下測量精度的提高和方法的改進[8]，而在普通實驗室中聲學換能器的溫度應如何控制相對穩定，還未見相關文獻研究。本文設計了一套以溫度為唯一變量的實驗測量裝置，能夠較為精確地測量在不同溫度下的超聲縱波幅值，從而進一步研究合金材料超聲縱波幅值隨溫度變化的實驗規律。

1 實驗原理

1.1 幅值溫變原理

當溫度變化時，超聲縱波幅值衰減情況較為復雜，其衰減系數α為[9]

(1)

超聲衰減系數隨聲速的增大而減小，主要是因為超聲波在介質中的衰減受到來自介質的散射和吸收；隨著聲速的增大，超聲波在物體中被散射的幾率會降低，衰減系數就會減小?？v波聲速與溫度成線性關系[10]，隨著溫度升高，縱波聲速下降，衰減系數增大，縱波幅值的衰減幅度就會增大，而由溫度變化所帶來的其他因素的變化對縱波幅值的影響就需在實驗中測量。已有文獻指出[11]，當鋼的溫度低于500℃時，縱波聲速隨溫度升高的減少率平均約為0.8m·(s-1·℃-1)。

1.2 溫度對探頭性能的影響

普通實驗室用于縱波聲速測量的壓電換能器的核心是壓電陶瓷片，它具有可逆的壓電效應。隨著溫度升高，壓電換能器的壓電效應減弱，探頭發射和接收超聲波的能力降低,檢測幅值減小，對無損檢測非常不利，將給材料內部缺陷的準確定位和定量測量造成困難[12]。實驗室處理該問題的一般做法是使用高溫探頭代替普通探頭進行實驗，或者讓探頭間歇性地工作。目前國外研制的高溫探頭主要有帶延遲塊的高溫探頭、原子反應堆高溫探頭、高溫自動探傷探頭和電磁式探頭等[13]，但是各類高溫探頭除了價格比較昂貴外還存在著各自固有的缺點：帶延遲塊的探頭會出現延遲塊老化導致性能下降的情況，且受周圍環境因素影響較大；原子反應堆高溫探頭、高溫自動探傷探頭在工作時將持續保持在高溫狀態，為了保證探頭不被損壞，只能采用間歇性工作的方式，不能持續性地檢測；電磁式探頭能實現非接觸性的無損檢測，但也有靈敏度和轉換效率低的缺點。

1.3 熱電偶測溫原理

熱電偶是把兩種不同成分的金屬或合金兩端焊接起來構成的一個閉合回路，當兩接點分別處于不同的溫度時，回路中就會產生溫差電動勢。當溫差ΔT不大的情況下，溫差電動勢ET與兩接點溫差ΔT之間呈線性關系[14]

ET=K·T

(2)

式中K為溫差系數，實驗中可通過定標確定其數值大小。

為了研究材料中溫度對幅值的影響，實際溫度測量時需要一個保溫裝置和靈敏度高的測溫計，來準確測出材料的實際溫度。熱電偶測溫具有準確度高、靈敏度高、輸出線性好等優點，本文采用熱電偶來測量加熱過程的溫度值。

2 實驗裝置設計

2.1 實驗裝置

研究固體中縱波衰減實驗裝置如圖1所示，可分為3部分:

圖1 縱波幅值溫變特性測量實驗裝置1-杜瓦瓶； 2-數字電壓顯示器； 3-示波器； 4-熱源； 5-薄鐵塊； 6-隔熱層； 7-超聲探頭； 8-樣品； 9-信號發生器； 10-數字電壓顯示器； 11-杜瓦瓶

(1) 樣品保溫加熱區(對應圖中4,5,6,8)：當樣品溫度與環境溫度相差較大時，散熱較快,升溫較慢，不利于溫度的準確測量。測量時，在樣品加熱區設置一個保溫裝置，即在待測樣品除上表面外都設置導熱系數極小的保溫層，電加熱器自上而下分別對長度為1cm，2cm，3cm的樣品加熱。實驗過程中，電加熱器可通過樣品上表面中心的薄鐵塊將熱量傳入樣品，同時樣品其他3個表面的隔熱層可防止樣品熱量過快散失，達到迅速升高溫度的目的。

圖2 探頭兩端壓力保持恒定裝置示意圖

(2) 幅值穩定測量區(對應圖中3,6,7,8,9)：待測樣品左右兩側放置的是縱波換能器探頭，一個為發射端，另一個為接收端。在探頭和樣品之間加入一層厚度為0.5cm的隔熱層，在換能器與隔熱層接觸面、隔熱層與樣品接觸面之間都涂抹具有傳聲性和耐溫性較好的高溫耦合劑，并使用固定裝置使固體材料與發射器和接收器的端面緊密接觸并且正對，再通過示波器觀察波形記錄幅值大小變化。

(3) 溫度靈敏測量區(對應圖中1,2,10,11)：兩個熱電偶分別監測樣品和探頭的溫度，實驗時將熱電偶的冷端浸入盛有冰水混合物的杜瓦瓶中，把熱端分別安放在樣品和探頭上，考慮到樣品上下表面間的溫度分布特性，測量樣品溫度的熱電偶熱端安放在待測樣品中間。這樣就可以通過數字電壓顯示器來獲得溫差電動勢的數值，進而獲取固體樣品的準確溫度值。

2.2 實驗裝置中的關鍵性環節

(1) 保持探頭溫度相對恒定

為避免溫度對探頭性能的影響，實驗過程中將探頭和高溫樣品用隔熱層隔開，在探頭和樣品間加入了耐熱性能和傳聲性能好、且在溫度變化時保持超聲衰減恒定的隔熱材料；同時在熱源和底座附近也使用了該種隔熱層，確保超聲探頭能在恒溫的條件下持續工作。隔熱層還能起到讓樣品表面的溫度不容易散失的作用，這樣用熱電偶所測得的樣品表面溫度就能更接近于樣品內部溫度。隔熱層老化后可以方便地進行拆換，不需要頻繁去更換探頭。采用這套裝置后，即使是普通實驗室所用的普通探頭也能在溫度變化時實現幅值的較好測量，充分利用了實驗室資源，降低了實驗成本。若與高溫探頭配套使用，則能實現在更高溫度下的精確測量。

(2) 保證探頭兩端壓力恒定

探頭軸線偏移和兩端壓力對幅值測量具有較大的影響，所以在實驗中必須保證探頭軸線不偏移以及兩端壓力恒定。本文使用隔熱層包裹的彈性較好的橡膠皮繩來給探頭兩端施加恒定的壓力，具體裝置如圖2所示

圖2中黑色的部分代表隔熱層，而試樣塊1，2，3則分別代表長度為1cm，2cm，3cm，且寬和高都為3.5cm的樣品。在測試樣品1時，將樣品2放置在探頭右側，再用橡膠皮繩將樣品和探頭固定。加熱過程中，在實驗臺上的所有樣品都將被電加熱器加熱，以確保因溫度變化而引起的試樣總長度的變化量相同，進而使測量不同長度試樣時橡膠皮繩的伸長量相同，從而保證實驗測量過程中探頭兩端壓力恒定。并且，采用橡膠皮繩固定后，能保證探頭和樣品正對，避免其軸線發生偏移。

(3) 降低耦合劑對測量的影響

不合適的耦合劑會帶來較大的測量誤差，使用普通耦合劑如凡士林進行實驗時，在溫度較高時耦合劑出現軟化，甚至熔化現象，幅值可能會發生突變，嚴重影響實驗結果。實驗中應選用最高工作溫度高于樣品表面溫度的高溫耦合劑，本文所用的耦合劑是上海無損檢測技術公司研制的GW-Ⅰ型高溫超聲耦合劑，最高工作溫度為250℃。

(4) 保持聲波頻率和接收增益相對不變

頻率越高的聲波在傳播時能量損失越快，相應的幅值越小。信號發生器的接收增益對檢測幅值的大小也有影響，接收增益增大時會發現檢測到的超聲波幅值也隨之增大，因此在同一組實驗中必須保證超聲波頻率和接收增益相對不變。

3 結果與分析

3.1 溫度對探頭的影響

通過定標做出熱電偶溫差電動勢ET和溫度T之間的關系曲線如圖3所示，由曲線擬合可得溫差系數K= 27.551℃/mV。

圖3 熱電偶溫差電動勢ET—T關系曲線

按照圖1連接實驗裝置，直接加熱探頭，記錄熱電偶溫差電動勢ET和示波器的顯示幅值A。將ET代入式(2)確定探頭溫度T，由此得出探頭A-T關系如圖4所示。

圖4 探頭A—T關系曲線

由圖4可以看出，隨著溫度的升高，縱波幅值A近似于線性關系減小。當溫度從30℃上升到80℃時，幅值從101mV下降到64mV，可見溫度對探頭幅值檢測的影響比較大，所以在不同溫度下不能直接使用普通探頭測量超聲幅值。

因為溫度升高所造成的超聲波衰減增大和探頭發射強度降低是同時發生的，并且超聲波的衰減和多個因素相關，所以不能簡單地從測量結果直接減去探頭受溫度影響而引起的幅值變化，來修正得到固體介質中超聲波衰減的實際幅值變化，而是需要在試驗中具體測量溫度隨幅值衰減的影響。

3.2 溫度和長度對幅值的影響

分別將長度為1cm、2cm、3cm的鐵塊樣品放置于隔熱層中，信號發生器經過超聲換能器后產生45kHz的超聲波，記錄熱電偶溫差電動勢ET和材料的聲波幅值A，根據式(2)確定材料溫度T，由此得出不同長度試樣塊中A-T關系如圖5所示。

圖5 不同長度樣品中的A—T關系曲線

由圖5可以得出：

(1) 樣品超聲幅值隨溫度升高而減小，當溫度從30℃升高至80℃時，3個不同長度樣品的超聲幅值幾乎都減小了一半。可見，在溫度小于80℃時，隨著溫度的升高，樣品的超聲幅值衰減增加的幅度較大。

(2) 在同一溫度時，1cm、2cm、3cm樣品的幅值依次減小，由此表明，隨著試樣長度的增加，超聲衰減逐漸增大。在1cm和2cm樣品之間的超聲衰減遠大于2cm和3cm樣品之間的超聲衰減；隨著溫度的升高，3條A-T關系曲線逐漸靠近，即不同長度樣品的超聲幅值的差值逐漸減小，但不會減小為零，A-T關系曲線不會出現交叉紊亂現象。

因為隨著溫度的升高，縱波速度減小，而超聲縱波衰減又與縱波聲速成式(1)關系，所以會在試驗中得到上述結果。且由式(1)可知，超聲衰減系數α與材料彈性模量E及其密度ρ有關，一般情況下ρ會隨溫度升高而減小，但變化很小，可以忽略不計，所以幅值變化可以反映出固體彈性模量變化。隨著溫度升高，幅值減少，超聲衰減系數增大，彈性模量減小，即從本文結果也可證明固體彈性模量隨著溫度升高而減小的結論，這與文獻[15]、[16]中的結論相一致。

此外，實驗中對探頭的溫度也進行了檢測。結果顯示：在樣品溫度達到80℃時，探頭僅升溫5.4℃，隔熱效果比較明顯。

4 結語

本文綜合考慮引起幅值測量誤差的各種因素，設計出一套使用隔熱層將熱源與探頭分隔開的有效、可行的實驗裝置來較精準地測量不同溫度下的超聲幅值，提高了測量精度，降低了實驗成本，且通過研究不同長度樣品幅值的溫變特性，得出了超聲衰減隨樣品長度增加和溫度升高而增大的結論。

超聲衰減測量的誤差影響因素較多，實驗中應注意操作細節要求，如選擇合適的耦合劑種類、控制耦合劑用量、嚴格保證探頭對準和兩端壓力恒定等；在溫度變化的情況下，不應選擇揮發性強的耦合劑，如凡士林等。如果要在更大的溫變范圍內進行實驗，則需要選擇線性范圍更廣的熱電偶并重新定標，加厚隔熱層，選用能耐更高溫度的耦合劑。

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