超聲檢測中非缺陷波仿真研究及實驗驗證

董建彪， 高鴻波， 張士晶， 王樹鵬， 賴踴鏹， 孔華康

（1.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，沈陽 110043；3.浙江省特種設備科學研究院，杭州 310020）

0 引 言

超聲檢測是一種常用的無損檢測方法，因其適用范圍廣、缺陷定位較準確、靈敏度高、穿透能力強、檢測成本低和速度快等優(yōu)點得到廣泛的應用［1-2］。在超聲檢測過程中，經常會發(fā)現(xiàn)檢測得到的回波中除了始波、底波和缺陷波外，往往還存在一些其他非缺陷波信號［3-4］，如遲到波和三角回波等，這些信號會對缺陷波的判定產生一定的干擾，導致檢測結果不準確。因此，有必要對非缺陷波的產生機理和波形規(guī)律作一定的了解。

仿真是進行實驗研究非常便利的另一種方法，不僅可減少研究所受設備的限制，還可節(jié)約成本［5］。一些仿真軟件為實驗仿真提供了便利，如comsol 多物理場仿真軟件可對超聲和電磁等物理場進行仿真［6］；CIVA則是專用于無損檢測的仿真軟件［7］，CIVA 仿真軟件可進行模型設計、檢測工藝和程序的優(yōu)化，還可在檢測過程中調整重要的參數，包括試塊、鍛件、鑄件和焊縫等檢測樣品的形狀、大小、表面粗糙程度等，通過調整這些參數設置，可確定最合適的檢測工件的方法或者評估現(xiàn)有程序的性能和相關性［8-9］。

劉云等［10］運用CIVA 仿真軟件對核電超聲檢測進行仿真，發(fā)現(xiàn)CIVA 仿真結果與實際檢測結果具有較高的一致性；帥心容等［11］采用CIVA 仿真軟件中的超聲檢測模塊，對飛機前起落架上筒支點的迎風面進行了常規(guī)超聲檢測模擬，發(fā)現(xiàn)在用表面波探頭檢測時，對常見缺陷的檢出誤差更小；鐘敏等［12］利用CIVA 軟件對梯形截面斜導條檢測時的聲場和缺陷響應進行仿真，得到缺陷檢測時超聲聲束的最佳入射角度，在該角度探頭傾斜入射能夠達到很好的檢測效果；何慈武等［13］采用CIVA 軟件對焊縫模型進行超聲相控陣聲場仿真，對未熔合、未焊透、裂紋和夾渣4 種典型缺陷在不同檢測位置曲率上進行缺陷響應，研究檢測位置曲率不同對缺陷成像結果和聲壓幅值造成的影響，優(yōu)化實驗參數和檢測工藝，為進一步改進復雜變曲率工件的超聲相控陣檢測工藝提供了理論依據。

本文利用CIVA 仿真軟件對超聲縱波直探頭檢測中出現(xiàn)的非缺陷波：遲到波和三角回波進行仿真，并將仿真所得非缺陷波數據與超聲檢測所得非缺陷波數據進行對比，探究CIVA 仿真應用于非缺陷波的形成機理與波形規(guī)律的可行性。

1 非缺陷波產生的原因

1.1 遲到波產生的原因

如圖1 所示，當縱波直探頭置于細長（或扁長）工件或試塊上進行檢測時［14］，擴散縱波波束在側壁產生波形轉換，成為橫波，此橫波在另一側面又轉換為縱波，經過底面反射回到探頭，被探頭接收，在示波屏上出現(xiàn)一個回波。由于轉換的橫波聲程長，波速小，傳播時間較直接從底面反射的縱波要長，因此，轉換后的波總是出現(xiàn)在第一次底波B1之后，故稱之為遲到波。又由于變形橫波可能在兩側壁產生多次反射，每反射一次就會出現(xiàn)一個遲到波，因此遲到波往往有多個同時存在，且它們之間的聲程差Δx 相等，如圖1 中的H1、H2和H3。

圖1 遲到波

當縱波L 斜入射到鋼／空氣界面，αL＝70°，αS＝33°時，變形橫波很強，可以計算出遲到波之間的縱波聲程差（單程）

式中：Δω為遲到波H1與底波B1的波程差（雙程），mm；d為工件的直徑或厚度，mm；CL為鋼中縱波聲速，m／s；CS為鋼中橫波聲速，m／s。可見，底波與遲到波之間、遲到波與遲到波之間的縱波聲程差Δx 是特定的，并且位置特定。在熒光屏上看到一系列等距離的波就是遲到波，這可作為遲到波的判別依據。

1.2 三角回波產生的原因

如圖2 所示，當使用縱波直探頭在徑向對實心圓柱體試塊進行檢測時，探頭平面和柱面的接觸面積小，導致波束擴散角增加，擴散波束在圓柱面上形成三角反射路徑，在示波屏上出現(xiàn)多個反射回波，這種反射被稱為三角反射［15］。

圖2 三角反射回波

如圖2（a）所示，α1＝α2＝αL，無波形轉換時，就形成了等邊三角形反射路徑，其聲程

式中，d為圓柱體的直徑（mm）。

如圖2（b）所示，α1＝α2＝αL，發(fā)生波形轉換時，形成L→S→L波形回路，為等腰三角形反射，其聲程

由αS＝90°－2αL和反射定律得：

在鋼中，可知αL＝35.6°，αS＝18.8°，所以可求得：

通過上述計算可知，這2 個三角形反射回波總是位于1 次底波和2 次底波之間。位于1 次底波后的第1 個三角回波聲程為1.3d，第2 個三角回波聲程為1.67d，這可作為鋼制實心圓柱體中三角回波的判斷依據。

2 仿真與實驗

2.1 CIVA仿真

CIVA是應用于無損檢測的專業(yè)仿真平臺。它由仿真、成像和分析等模塊組成，可用來設計或優(yōu)化檢測工藝，可模擬在實際無損檢測中的檢測能力。CIVA仿真軟件包括了UT、ET、RT、CT、GWT和ATHENA 2D模塊，可用于無損檢測多種檢測方法的仿真分析［16］。本次利用CIVA 仿真軟件的UT 模塊進行非缺陷波的仿真。

2.1.1 仿真設置

此仿真主要步驟：

步驟1材料設置。在“幾何”模塊“外形”選項中用2D CAD 模塊繪制4 個參數分別為φ55 ×185 mm；φ50 ×125 mm；φ45 ×100 mm和φ68 ×120 mm的圓柱體模型，并將模型材料設置為鋼材，設置界面如圖3 所示。

圖3 CIVA材料參數設置界面

步驟2探頭參數設置。在“探頭”模塊中選擇不帶楔塊的平面聚焦接觸式探頭，晶片形狀設置為圓形，直徑設置為14 mm，中心頻率設置為2.5 MHz，如圖4所示。

圖4 CIVA探頭設置界面

步驟3設置好工件和探頭參數后點擊“運行”，經計算后得到仿真結果。

2.1.2 CIVA仿真結果

CIVA仿真所得結果如圖5 ～8 所示。

在圖5 ～圖8 中，右側圖形是聲波在模型內的傳播路線示例圖，綠線為縱波，紅線為橫波。除中心聲束外還顯示了探頭聲束擴散角內各遲到波聲束的傳播軌跡，用不同顏色表示不同遲到波的傳播路徑。

圖5 φ45 mm×100 mm圓柱體遲到波傳播路線示意圖

圖8 φ68 mm×120 mm圓柱體三角回波

CIVA仿真所得遲到波數據見表1。

表1 仿真所得的遲到波數據值 mm

經聲程計算φ50 mm×125 mm工件遲到波應該有3 個，但仿真結果中只能看到2 個，更改探頭位置也是一樣，可能是聲波衰減或干涉導致回波波幅太小而難以識別。

CIVA仿真所得三角回波數據見表2，其中聲程差Δx1為三角回波1 與一次底波之間的聲程差，聲程差Δx2為三角回波2 與一次底波的聲程差。

表2 仿真所得三角回波數據值 mm

圖6 φ50 mm×125 mm圓柱體遲到波傳播路線示意圖

圖7 φ55 mm×185 mm圓柱體遲到波

通過非缺陷波聲程差計算可得，φ45 mm ×100 mm工件聲程差理論值為34.2 mm，仿真與理論聲程差的誤差為1.7%；φ50 mm×125 mm工件聲程差理論值為38.0 mm，仿真與理論聲程差的誤差為1.1%；φ55 mm×185 mm 工件聲程差理論值為41.8 mm，仿真與理論聲程差的誤差為3.3%；φ68 mm×120 mm工件聲程差Δx1理論值為20.4 mm，聲程差Δx2理論值為45.6 mm，仿真與理論聲程差Δx1的誤差為2.0%，聲程差Δx2的誤差為1.6%。由此可見，仿真與理論聲程差之間誤差較小，最高為3.3%，仿真數據較為吻合。

2.2 非缺陷波超聲檢測

超聲非缺陷波檢測所選用工件為仿真參數相同的圓柱形鋼制棒材。所用4 個工件的參數分別為：φ55 mm ×185 mm；φ50 mm×125 mm；φ68 mm×120 mm和φ45 mm×100 mm（圖9 依次從左到右）。

圖9 實驗所用測試樣品

實驗使用的儀器為CTS-1010 超聲數字探傷儀。采用頻率為2.5 MHz，直徑為14 mm的縱波直探頭。

非缺陷波檢測流程如下：

（1）定標。將探頭置于CSK-IA試塊上，調節(jié)衰減器，降低幅值，使回波波幅降于滿屏以下，測出工件的聲速與延時。測得工件中聲速為5 922 m／s，延時1.20 μs。

（2）掃查。將縱波直探頭置于φ45 mm×100 mm鋼棒的圓截面進行軸向掃查（對于φ68 mm ×120 mm工件則是將探頭置于圓周徑向掃查，其他工件同φ45 mm×100 mm鋼棒），示波屏上顯示出典型的超聲回波信號，可清晰地看到在每2 個底面回波之間均存在一系列的衰減波，當在工件表面移動探頭時，會發(fā)現(xiàn)這一系列的衰減波一直穩(wěn)定存在，這些回波信號的位置和強度均不會隨探頭位置的改變而改變。通過聲程的測量可判斷這些回波信號為非缺陷波。檢測過程如圖10 所示。

圖10 遲到波檢測

（3）記錄。將信號數據記錄好后分別對其他工件重復步（2），并將結果記錄。

2.2.1 實驗結果

超聲檢測所得工件非缺陷波如圖11 ～14 所示。

圖11 φ45 mm×100 mm圓柱體遲到波

圖12 φ50 mm×125 mm圓柱體遲到波

圖13 φ55 mm×185 mm圓柱體遲到波

將探傷儀示波屏中的閘門框住相應的回波，即可在示波屏上顯示該回波的聲程（見圖11 ～14），被框住的回波在示波屏上顯示為綠色，在屏幕的右上角顯示了該回波的聲程（單程）。

圖14 φ68 mm×120 mm圓柱體三角回波

遲到波的聲程與聲程差平均值Δx 的檢測數據見表3。

表3 遲到波實際檢測數據 mm

通過計算各回波的理論聲程可知，在φ45 mm ×100 mm圓柱體工件中存在兩個遲到波；在φ50 mm ×125 mm圓柱體工件中存在3 個遲到波；在φ55 mm ×185 mm圓柱體工件中存在4 個遲到波。由計算實驗所得遲到波聲程差的平均值與理論值之間的誤差可得，φ45 mm×100 mm圓柱體工件檢測誤差為1.7%；φ50 mm×125 mm圓柱體工件檢測誤差為1.6%；φ55 mm×185 mm圓柱體工件檢測誤差為1.4%。

檢測所得三角回波數據見表4。

表4 三角回波實際檢測數據 mm

實驗檢測所得2 個回波經聲程計算后與三角回波的理論聲程差值基本相符，聲程差Δx1誤差為1.5%，聲程差Δx2誤差為1.1%。

2.2.2 數據分析

根據不同尺寸工件非缺陷波的仿真與超聲檢測數據計算可得：

（1）φ45 mm×100 mm圓柱體工件CIVA 仿真與超聲檢測所得遲到波的聲程差均值Δx 的相對誤差

（2）φ50 mm×125 mm圓柱體工件CIVA 仿真與超聲檢測所得遲到波的聲程差均值Δx 的相對誤差

（3）φ55 mm×185 mm圓柱體工件CIVA 仿真與超聲檢測所得遲到波的聲程差均值Δx 的相對誤差

（4）φ68 mm×120 mm圓柱體工件CIVA 仿真與超聲檢測所得三角回波1 的聲程差均值Δx1的相對誤差（）×100% ＝3.4%；三角回波2 的聲程差Δx2的相對誤差100% ＝2.8%。

從以上結果可得，仿真所得實驗數據與超聲檢測得到數據差異在4.7%以內，差值較小，但從數據可看出隨著工件尺寸的增大，差值也變得更大。

3 結 語

本文對圓柱體工件進行超聲檢測過程中產生的非缺陷波（本文中主要是遲到波和三角回波）進行CIVA仿真，然后以與仿真參數相同的工件和探頭進行超聲檢測，以驗證CIVA軟件用于非缺陷波仿真的可行性，主要結論如下：

（1）通過將CIVA仿真所得非缺陷波數據與超聲檢測所得非缺陷波數據進行對比，結果表明，CIVA 仿真所得聲程差與超聲檢測所得聲程差值誤差較小，在4.7%以內，且仿真聲程差與理論聲程差之間的差值在1.1% ～3.3%，仿真數據可信度高，可將CIVA軟件用于非缺陷波的仿真。

（2）在CIVA 仿真中，長度較大的工件出現(xiàn)的后幾個遲到波存在明顯的信號干涉，且衰減較大，使得信號幅值較小，甚至在A掃信號圖中無法看到應該出現(xiàn)的非缺陷波信號，這與實際檢測仍存在一定差異。