王宇凡，崔省安，李瑞君，高 兵，王建利

（1.西安向陽航天材料股份有限公司，西安 710025；2.兵器工業(yè)西北壓力容器檢測站，西安 710043；3.西安航天動力機械廠，西安 710025；4.西安泵閥總廠有限公司，西安 710025）

超聲波直探頭檢測平面工件時，發(fā)射的聲場以縱波為主，在近場區(qū)（N）之后以半擴散角（θ0）向外輻射的主聲束，在聲源附近主聲束旁，存在大量的副瓣至近場區(qū)，副瓣以橫波為主，能量較低，存在干涉現(xiàn)象，衰減較快，對于接觸平面工件以主聲束進行超聲檢測時，副瓣影響不大。當(dāng)直探頭放置在圓柱形工件曲面上檢測時，探頭晶片與工件呈線狀接觸，超聲波進入工件后的聲場與平面接觸時截然不同。

筆者分析了直探頭在圓柱形工件中的聲場變化和波型變化，通過觀察一次底波與三次底波間的波型變化，有助于檢測圓柱形工件，如軸類、棒材的內(nèi)部質(zhì)量。

1 聲場的變化

1.1 超聲波在平面接觸工件時的聲場

超聲波在平面接觸工件時，其波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大值和極小值的區(qū)域，稱為近場區(qū)，近場區(qū)內(nèi)主聲束旁有很多副瓣，比較復(fù)雜。約在1.64倍近場區(qū)之后，主聲束以一定的角度向外擴散，聲源輻射的縱波聲場的第一零值發(fā)射角稱為半擴散角（θ0）。其聲場變化如圖1所示。

圖1 平面接觸工件時聲源輻射的聲場特征

1.2 聲源接觸曲面工件時的聲場變化

當(dāng)直探頭探測圓柱形工件時，探頭僅與圓柱面曲面的一個很窄的矩形區(qū)域接觸，接觸寬度甚至遠(yuǎn)小于波長，從而在圓柱的截面內(nèi)發(fā)生強烈的側(cè)向輻射。

由矩形源聲場的坐標(biāo)系數(shù)可知［1］，a（或b）為聲源中心點至邊緣尺寸，故對于一邊長分別為2a和2b的矩形波源，由半擴散角公式θ0＝arcsin≈57或θ0＝arcsin≈57可知［1－2］，半擴散角（θ0）的大小取決于聲源尺寸（2a或2b）與波長（λ）的比值；當(dāng)聲源尺寸很小，即λ／2a或λ／2b遠(yuǎn)小于1時，指向性變差，半擴散角（θ0）趨近90°；由公式N≈可知［1，3］，由于聲源面積（Fs）減小，其近場長度（N）變??；其波陣面近似于球形，并在聲場的側(cè)向產(chǎn)生顯著的橫波和表面波，如圖2所示。

圖2 小聲源輻射的聲場特征

2 波型分析

由于三次底波后的變形波型復(fù)雜，且無任何使用意義，故筆者只針對三次底波前的波型予以分析。

試驗采用CST－3型超聲波探傷儀，2.5P14Z型直探頭，由于標(biāo)準(zhǔn)試塊材質(zhì)均勻，晶粒度高，內(nèi)部雜質(zhì)少，故選用直徑為φ70mm的CS－1型標(biāo)準(zhǔn)試塊進行測試。當(dāng)檢測靈敏度設(shè)定為φ70mm棒1／2軸心處φ2mm當(dāng)量時，熒光屏顯示波形如圖3所示。

圖3 圓柱形工件超聲檢測的波形圖

波1為始脈沖。波2、波5、波8分別為縱波的第一次、第二次、第三次底波反射。

波3為擴散縱波經(jīng)圓柱面反射兩次后返回探頭，形成等邊三角形反射路徑（L→L→L）的遲到波。構(gòu)成這種反射條件的擴散聲束與探頭聲束軸線夾角為30°，其聲程為：

即這種等邊三角形反射路徑聲程（X3）為一次底波聲程（d）的1.3倍。如圖4所示。

圖4 （L→L→L）等邊三角形反射路徑

波4為縱波擴散波束在圓柱面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換成橫波，再次轉(zhuǎn)換成縱波，被探頭接收，形成等腰三角形反射路徑（L→T→L）的變型波，如圖5所示。

圖5 （L→T→L）等腰三角形反射路徑

由于αS＝90°－2αL和反射定律得

式中：CL為鋼中縱波聲速；CS為鋼中橫波聲速。

對于鋼中可求得αL＝35.6°，αS＝18.8°

即這種等腰三角形變型波的反射路徑聲程（X4）為一次底波后聲程（d）的1.67倍。

波3及波4常被稱為三角波。

波6為橫波擴散聲束在圓柱面反射兩次后返回探頭，形成等邊三角形反射路徑（T→T→T）的遲到波。這種反射條件的擴散聲束與探頭聲束軸線夾角為30°，其聲程為：

波7為縱波等邊三角形的2次反射路徑，其聲程為：

其反射路徑如圖4所示。

圖3為φ70mm棒軸心處φ2mm檢測靈敏度時的探傷波型，如將其靈敏度提高12dB時，可發(fā)現(xiàn)一部分由于波型轉(zhuǎn)換損耗及能量較低時，平時不可見的變型波出現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 高靈敏度檢測時的超聲波形圖

波9為縱波以小角度入射，在底面經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后其橫波被探頭接收后的混合直達遲到波，其聲程為：

波10為橫波擴散波束，以22°入射角，在圓柱面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換成縱波，再次轉(zhuǎn)換成橫波后被探頭接收（T→L→T）等腰三角形變型波，如圖7所示。

圖7 （T→L→T）等腰三角形反射路徑

波11為縱波以18°入射經(jīng)五星回路反射五次后被探頭接收的遲到波，其反射路徑如圖8所示。其聲程為：

圖8 五星回路反射路徑

波12為聲源發(fā)射的表面波沿圓柱面繞行一周后被探頭接收，其位置緊靠三次底波之后，其聲程為：

其余變型波如四邊形、五邊形等回波，由于其落在三次底波之后，或由于波型轉(zhuǎn)換導(dǎo)致能量極低且無任何參考價值，故不再討論。

3 應(yīng)用意義

（1）縱波三角回波的反射路徑構(gòu)成完整的回路且無波型轉(zhuǎn)換及損失，且對于工件表面粗糙度和耦合差異的反應(yīng)比單純的一次底波反應(yīng)遲鈍，其穩(wěn)定性優(yōu)于底波，故可用一次三角波作為探傷靈敏度調(diào)整后的跟蹤及校驗。

（2）由于底波波幅很高，在正常檢測過程中無法觀察其下降程度，故可用變型波作為儀器的跟蹤波進行操作，當(dāng)操作不當(dāng)、探頭接觸不良、手工把持不穩(wěn)時可及時調(diào)整。

（3）由于柱面的聚焦作用，在工件一、二次底波之間會產(chǎn)生W形路徑的聚焦反射，有助于發(fā)現(xiàn)較小的缺陷，以及由于始脈沖占寬導(dǎo)致的一次底波前被探頭盲區(qū)即始脈沖占寬所掩蓋的缺陷。

（4）當(dāng)工件表面存在較嚴(yán)重的縱向表面缺陷時，當(dāng)探頭沿圓柱面周向移動時，有時可見表面波隨探頭的移動同步快速游動，其缺陷處即為表面波與儀器探頭零點重合處。

4 結(jié)論

圓柱形工件由于探頭與工件呈線性接觸，導(dǎo)致超聲波進入工件后聲場變化，使截面內(nèi)充滿超聲場，波型有縱波、橫波及沿圓柱表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?。如果是薄板曲面時，若入射角波型、材質(zhì)、頻率及板厚等滿足條件時，也可產(chǎn)生沿曲面薄板傳播的板波。

由于聲場的特點，結(jié)合柱面反射的特殊情況，故在一次底波后產(chǎn)生了不同類型的變型波，通過對三次底波前變型波的分析和觀察，提供了更全面的評價工件內(nèi)部的綜合的超聲波信息，有助于對圓柱形工件內(nèi)部質(zhì)量的深層次評價。

［1］鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：57－63.

［2］肖暮霏.超聲探頭發(fā)射聲束特性的計算［J］.無損檢測，1999，13（1）：5－7.

［3］王建利.確定探傷靈敏度用坐標(biāo)圖及其應(yīng)用［C］.陜西省第八屆NDT年會論文集，2002（5）：120－123.