小直徑棒材縱波斜入射檢測仿真分析

王 錚 劉 驍

0 引言

金屬小直徑棒材可用于制造航空發動機中的緊固件、葉片等關鍵制件[1?2]，材料質量關系到發動機使用安全。然而，小棒材生產過程中不可避免地產生裂紋、夾雜、孔洞等缺陷[3?5]，嚴重影響產品使用壽命，威脅發動機運行安全。因此，有必要對其進行高可靠性無損檢測。

超聲水浸聚焦檢測技術，以其聲束寬度小、聲場能量集中以及入射聲波角度可調等優勢，被認為是能夠滿足新一代航空發動機用小棒材缺陷檢測的先進技術[6?9]。一般采用縱波直入射檢測棒材內部缺陷，采用縱波斜入射檢測表面及近表面缺陷。當進行縱波斜入射檢測時，聲波穿過小棒材的大曲率表面，遇缺陷后返回探頭的過程，通常會發生聲波反射、折射、散射、衍射以及波型轉換等一系列物理變換，探頭最終接收到的信號為一種或幾種信號的合成信號。在這一復雜的傳播過程中，缺陷與聲波聚焦區域的相對位置，決定了探頭接收到缺陷信號幅值的強弱，而這一相對位置主要受聲波入射角度和檢測水距的制約。實際檢測中，經常出現由于檢測條件設置不當、對聲束傳播路徑判斷錯誤等原因，而導致缺陷漏檢、誤檢的情況[10?11]。

缺陷超聲檢測仿真技術[12?15]，是通過缺陷建模、檢測條件虛擬構建及數字化計算等手段，為零件檢測中不可見的、復雜聲波傳播行為提供的一種可視化聲場分析技術。仿真結果可用于了解材料表面和內部聲場分布規律，比較不同部位缺陷響應能力，以及量化分析檢測參數對檢測結果的影響，對零件檢測工藝制定具有指導意義。

本文針對小棒材縱波斜入射檢測中的主要參數--入射縱波角度和檢測水距，開展聲場及缺陷聲響應仿真實驗，并通過實驗驗證仿真結果。

1 檢測原理

根據波動中質點振動方向與波的傳播方向的不同關系，可將波動分為多種波型，在超聲檢測中主要應用的波型有縱波、橫波、表面波(瑞利波)和蘭姆波。縱波斜入射檢測是指縱波以一定角度入射到被檢件表面，采用透射聲波對被檢件中缺陷進行檢測。當被檢件是固體時，透射聲波會發生波型轉換和聲波傳播方向的變化。斜入射縱波在固體被檢件中可能存在折射縱波和折射橫波，如圖1所示，折射波角度與入射波角度之間的關系符合斯奈爾定律[16]：

式(1)中：α為入射縱波角(?)；βL為折射縱波角(?)；βS為折射橫波角(?)；CL1為入射縱波聲速(m/s)；CL2為折射縱波聲速(m/s)；CS2為折射橫波聲速(m/s)。

圖1 縱波斜入射檢測透射波示意圖Fig.1 Schematic diagram of longitudinal wave oblique incidence detection

當入射縱波角滿足公式(2)，折射后產生折射縱波和折射橫波；當入射縱波角滿足公式(3)，折射后僅產生折射橫波；當入射角滿足公式(4)，入射縱波在介質表面產生表面波[16]。

采用縱波斜入射對工件進行檢測時，為避免眾多波型之間的相互干擾，且能夠有效對表面及近表面缺陷進行檢測，通常采用純橫波檢測，即入射縱波角滿足公式(3)，保證主聲束折射后為純橫波。但是，由于探頭聲束具有一定寬度，采用聚焦探頭對棒材進行斜入射檢測時，探頭不同部位發射的聲束在棒材表面具有不同的入射角，如圖2所示。此時，探頭邊緣發射的聲束在棒材中不可避免地產生折射縱波和表面波干擾。

針對這一現象，可通過調整檢測參數，來增強檢測區域主聲束能量，降低干擾信號能量，以達到增強缺陷檢測能力的目的。小棒材超聲水浸聚焦檢測中，主要檢測參數有入射縱波角度和檢測水距。入射縱波角度決定折射波型及折射波角度，從而影響聲場分布強度；檢測水距決定探頭焦點在被檢件中的位置。

圖2 斜入射縱波在水/棒界面產生折射波種類Fig.2 Types of refraction wave produced by oblique incident longitudinal at water/bar interface

聚焦探頭檢測時，將探頭焦點置于被檢測部位，可以提高檢測信噪比和分辨力，并有利于減小缺陷取向對缺陷檢出的影響。聲束垂直入射時，聚焦探頭焦距、檢測水距及焦點在被檢件中的深度位置之間的關系，可用公式(5)表示[16]：

式(5)中：H為水距(m)；F為探頭水中焦距(m)；l為被檢件中的聚焦深度(m)；C水為水中縱波聲速(m/s)；CL為被檢件中縱波聲速(m/s)。

2 聲場仿真實驗

針對小棒材縱波斜入射檢測，分別對入射縱波角度和檢測水距兩個參數對聲場分布的影響進行仿真。仿真對象為?10 mm 高溫合金棒材，檢測探頭選用10 MHz 線聚焦探頭，焦距30 mm，晶片直徑6 mm。仿真工具為CIVA 軟件，設置高溫合金材料密度8.88 g/cm3，縱波聲速5630 m/s，橫波聲速2960 m/s，探頭6 dB 帶寬為5 MHz，探頭沿棒材圓周采樣，采樣間距0.5 mm。

2.1 入射縱波角度對聲場分布影響

根據第1節分析，當入射縱波角在14.7?～32.7?范圍變化時，工件中產生純橫波，與之相對應的折射橫波角度范圍為32.7?～90?。由于入射縱波角度與折射橫波角度存在一一對應關系，為表述直觀，下文采用折射橫波角度進行描述。保持檢測水距30 mm不變，選取大中小3 個常用的折射橫波角度：35?、45?、60?，進行聲場分布仿真。當折射橫波角度小于35?時，探頭主聲束在棒材中會出現折射縱波干擾，當折射橫波角度大于60?時，探頭主聲束在棒材內部聲場較弱，對近表面缺陷檢測效果變差。棒材橫截面的聲場分布如圖3所示，每種角度折射橫波主聲束與棒材表面最小距離如表1所示。

表1 不同折射角度下最大檢測深度Table 1 The maximum test depth with different refraction angles

圖3 不同角度折射橫波聲場仿真Fig.3 Simulation of refraction transverse wave sound field with different refraction angles

縱波入射角度越大，對應的橫波折射角度也越大，折射橫波主聲束越靠近棒材表面，因此，棒材表面聲場能量越強，內部聲場能量越弱。折射橫波角度為35?時，聲能匯聚點靠近棒材內部，折射橫波主聲束距棒材表面最大距離達2 mm，可檢測較大埋深缺陷，但對表面缺陷檢測靈敏度不足；橫波折射角為60?時，聲能匯聚點靠近棒材表面，折射橫波主聲束距棒材表面最大距離僅0.6 mm，適于檢測表面缺陷，對具有一定深度的缺陷檢測能力下降；折射橫波角度為45?時，聲能匯聚點位于上述兩種情況之間，折射橫波主聲束距棒材表面最大距離為1.5 mm，相對可兼顧埋深較大缺陷和表面缺陷。

2.2 檢測水距對聲場分布影響

保持折射橫波角度45?不變，采用不同檢測水距，分別將聚焦探頭焦點置于棒材表面(檢測水距30 mm)和棒材內部(以檢測水距20 mm 為例)，進行聲場仿真，仿真結果如圖4所示。

檢測水距為30 mm 時，探頭焦點落在棒材表面，棒材表面聲場強度最強，隨深度增加聲能快速下降，此時對表面缺陷檢測靈敏度最高；檢測水距為20 mm 時，探頭焦點落在棒材內部，棒材內部某一深度聲場最強，而表面聲場強度較弱，同時，由于聚焦探頭的聚焦區存在一定長度，因而，此時探頭在棒材內部一定深度范圍內均能保持有較高聲場強度。

3 缺陷響應仿真實驗

仿真對象和仿真參數與第2 節相同，探頭沿棒材表面做螺旋式掃查，采樣間距為0.5 mm。采用矩形刻槽模擬表面缺陷，采用橫孔模擬近表面缺陷，所有缺陷以45?間隔放置在棒材同一圓周上，模擬缺陷具體規格如表2所示。

表2 小棒材表面和近表面模擬缺陷規格Table 2 The specifications of surface and near surface defects in small bar for simulation

圖4 不同檢測水距折射橫波聲場仿真Fig.4 Simulation of refraction transverse wave sound field with different water distances

3.1 折射角度對缺陷聲響應影響

檢測水距保持30 mm 不變，橫波折射角分別為35?、45?、60?，缺陷檢測仿真結果如圖5所示。

圖5中1#～4#顯示為刻槽缺陷聲響應，信號特征為靠近界面有一較強橢圓形圖像，隨后延長出一條或兩條細長線形圖像。其中，橢圓形圖像為折射橫波主聲束入射到缺陷后被探頭接收到的反射、散射信號，如圖6(a)所示；橢圓形圖像斜下方較長的細長線形圖像為棒材與探頭相對位置移動時，折射橫波的擴散聲束入射到缺陷的反射、散射信號，如圖6(b)所示；橫波折射角為35?和45?的B 掃描圖中，與界面波夾角較小的線性圖像為折射縱波干擾，如圖6(c)所示，可見橫波折射角越小，縱波干擾越明顯。

圖5中5#～8#顯示為橫孔缺陷聲響應，信號特征為兩條平行的傾斜長條圖像。其中幅度較強的傾斜長條圖像主要來自橫孔孔壁對折射橫波的反射和散射，當折射橫波主聲束以最小距離垂直入射至孔壁時，探頭接收到的孔壁反射信號幅度最高，如圖7(a)所示，隨探頭與橫孔相對位置改變，探頭接收到的孔壁反射及散射信號減弱。當橫孔埋深增加，聲束垂直入射至孔壁的最小距離變大，如圖7(b)所示，探頭接收到的孔壁反射信號隨之減弱。兩條平行的傾斜長條圖像中下方較弱的條形圖像，為折射橫波在橫孔表面A點產生的瑞利波沿橫孔表面AOB傳播后，在B點返回被探頭接收的信號，如圖7(c)所示[17]。

圖5 不同折射角度下缺陷響應B 掃描仿真圖Fig.5 B-scan simulations of defect response with different refraction angles

圖6 幾種折射波遇刻槽缺陷聲束傳播路徑Fig.6 Several propagation paths of refracted waves with notch defects

圖7 幾種折射橫波遇橫孔缺陷聲束傳播路徑Fig.7 Several propagation paths of refraction S-waves with cross hole defects

圖5中各缺陷反射信號幅度如圖8所示。折射橫波角度為35?時，刻槽缺陷反射信號幅度最小，橫孔缺陷反射信號幅度較大，這一現象與第2 節縱波斜入射仿真的聲場分布規律相符，即此時棒材表面聲場較強，隨深度增加聲場強度快速下降；折射橫波角度為60?時，刻槽缺陷反射信號幅度最高，橫孔缺陷反射信號幅度較低，這一現象也符合聲場仿真結果，即此時棒材內部聲場較強，表面聲場強度較弱；折射橫波角度為45?時，相對可較好地兼顧表面刻槽和近表面橫孔缺陷的檢測，使二者均有相對較高的檢測靈敏度，且幅度差值最小，這種情況最適用于實際檢測。

圖8 不同折射角度下缺陷響應仿真結果對比Fig.8 Comparison of simulation results of defect response with different refraction angles

另外，在同一檢測條件下，缺陷反射信號幅度還與自身尺寸和埋深有關，刻槽缺陷槽深越大，長度越長，缺陷信號幅度越強；橫孔缺陷埋深越大，缺陷信號幅度越弱。

3.2 檢測水距對缺陷聲響應影響

折射橫波角度保持45?不變，分別對焦點落在棒材表面和近表面時缺陷響應進行仿真。焦點落在棒材表面，檢測水距選擇30 mm；焦點落在棒材內部，檢測水距分別選擇25 mm 和20 mm，仿真結果如圖9所示。

檢測水距由30 mm 變化到20 mm，1#～4#表面刻槽缺陷反射信號逐漸減弱，5#～8#橫孔反射信號則一直較強。這一結果也與第2 節縱波斜入射仿真的聲場分布規律相符，當檢測水距為30 mm，探頭焦點落在棒材表面，棒材表面聲場強度最強，表面刻槽缺陷檢測靈敏度高，由于聚焦探頭聚焦區具有一定長度，此時對于近表面的橫孔缺陷仍然具有較高的檢測靈敏度；當檢測檢測水距為25 mm 和20 mm，聚焦探頭焦點在棒材內部，此時雖然棒材近表面橫孔缺陷具有較高的檢測靈敏度，但棒材表面聲場能量較弱，對表面刻槽缺陷檢測效果不佳。因此，設置檢測水距時，將聚焦探頭的焦點落在棒材表面，可以使棒材表面和近表面缺陷均獲得較高的檢測靈敏度。

圖9 不同水距下缺陷響應B 掃描仿真圖Fig.9 B-scan simulations of defect response with different water distances

4 檢測實驗

對?10 mm 棒材中刻槽和橫孔人工缺陷進行檢測，試塊中人工缺陷規格見表3。檢測采用Sonic 138 型超聲波探傷儀，10 MHz 線聚焦探頭，探頭焦距30 mm，晶片直徑6 mm。根據仿真實驗結果，選擇對表面、近表面缺陷兼顧效果最好的實驗條件，折射角度采用45?，檢測水距采用30 mm，檢測結果見表4、表5。

按照仿真結果設置的檢測參數進行檢測，表面刻槽和近表面橫孔缺陷均可有效檢測出來，檢測效果較好。

表3 小棒材中刻槽和橫孔人工缺陷制作規格Table 3 Specifications for artificial defects of groove and cross hole in small bar

表4 刻槽缺陷檢測結果Table 4 Detection results of groove defects

表5 橫孔缺陷檢測結果Table 5 Detection results of cross hole defects

5 結論

本研究針對小棒材水浸聚焦檢測中表面、近表面微小缺陷檢測難題，通過縱波斜入射檢測中聲場分布和缺陷響應的仿真實驗，得到了縱波入射角度(對應折射橫波角度)和檢測水距(即焦點在棒材中的位置)對表面、近表面缺陷檢測能力的影響規律：

(1)縱波入射角度對聲場強度分布有較大影響，入射角度越小，聲能匯聚點越靠近棒材內部，對表面缺陷檢測能力較弱，對內部缺陷檢測能力較強；入射角度越大，聲能匯聚點越靠近表面，對表面缺陷檢測能力較強，對內部缺陷檢測能力較弱。針對高溫合金小棒材表面及近表面缺陷檢測，仿真及實驗驗證結果顯示，入射縱波角度為19.4?(折射橫波角度為45?)時，對表面刻槽和近表面橫孔缺陷均可獲得較好的檢測效果；

(2)檢測水距(聚焦探頭焦點在棒材中的深度位置)的變化對表面缺陷檢測靈敏度影響較大，對近表面缺陷檢測靈敏度影響較小，使檢測水距等于焦距，對棒材表面和近表面缺陷均具有較好的檢測效果。