姜學(xué)平，王 鵬，鄭 暉，韓慶邦

（1.河海大學(xué)，常州 213022；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029）

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)靈活、可靠、高效、受人為因素影響小、無(wú)輻射無(wú)污染、檢測(cè)結(jié)果直觀可保存，適宜于特種設(shè)備領(lǐng)域多種焊縫的無(wú)損檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備、軟件也因此不斷豐富完善［1－2］。特種設(shè)備焊縫檢測(cè)中采用相控陣超聲斜入射脈沖橫波回波法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法為扇形掃描，線性掃查［3］，如果設(shè)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(guò)聲線模型，設(shè)置探頭位置和角度范圍，實(shí)現(xiàn)聲束全覆蓋待檢測(cè)區(qū)域，同時(shí)必須考慮聲束在楔塊－工件界面的聲透射，保證檢測(cè)聲能量。因此，需要研究存在兩種介質(zhì)分界面時(shí)的聲透射問(wèn)題。孫芳等將帶有楔塊的相控陣超聲檢測(cè)問(wèn)題簡(jiǎn)化為液－固界面聲傳播的問(wèn)題，推導(dǎo)了平面波入射液－固界面的聲透射系數(shù)［4］。張碧星等開(kāi)展了壓電長(zhǎng)條輻射聲場(chǎng)在液固界面上的反射和折射特性研究，發(fā)現(xiàn)其特性和平面聲場(chǎng)中與入射角為θ的平面波在液－固界面上的反射系數(shù)、折射波透射系數(shù)完全相同［5］。而在特種設(shè)備焊縫的相控陣超聲檢測(cè)時(shí)，縱波在楔塊中傳播，經(jīng)楔塊－被檢測(cè)工件界面進(jìn)入檢測(cè)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(dǎo)了入射縱波經(jīng)過(guò)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(dá)式，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究聲能量透射率和入射角度的關(guān)系，為確定相控陣超聲檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)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(cè)焊縫時(shí)，一般情況下，聲輻射面輻射縱波經(jīng)過(guò)斜楔后，在楔塊－被檢工件界面處發(fā)生模式轉(zhuǎn)換形成折射橫波進(jìn)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(jī)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(shè)楔塊和待檢工件為各向同性介質(zhì)，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(shì)；A、B為速度勢(shì)振幅；下標(biāo)p為縱波；s為橫波；k為波數(shù)；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(yīng)力連續(xù)，切向應(yīng)力為零，即在邊界y＝0處有：

圖1 斜探頭入射和模式轉(zhuǎn)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(biāo)y為沿y方向的物理量；x為沿x方向的物理量；下標(biāo)1為y＞0的區(qū)域，即楔塊介質(zhì)；下標(biāo)2為y＜0的區(qū)域，即待檢工件介質(zhì)；u為質(zhì)點(diǎn)位移；τ為應(yīng)力。其中：

將式（1）和（3）代入式（2），運(yùn)用Snell定律，進(jìn)行代數(shù)化簡(jiǎn)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(guān)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(zhì)密度。

在確定入射角θp1的情況下，橫波聲能量透射率為：

設(shè)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(zhì)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(jì)算出有機(jī)玻璃作為斜楔檢測(cè)低碳鋼的聲能量透射系數(shù)。

2 結(jié)果分析

滑移界面邊界條件下，聲束以不同的角度由有機(jī)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(jiàn)，入射角在27°～56°范圍內(nèi)，聲能量能很好地進(jìn)入檢測(cè)工件，此時(shí)折射角為38°～90°，大于第一臨界角23°，工件中沒(méi)有入射縱波。檢測(cè)可以通過(guò)調(diào)整探頭位置和扇形掃描的角度范圍實(shí)現(xiàn)聲束覆蓋待檢測(cè)區(qū)域?qū)缚p進(jìn)行檢測(cè)，在相控陣超聲檢測(cè)中，通過(guò)延時(shí)控制聲束偏轉(zhuǎn)角度，偏轉(zhuǎn)角度越大，等效聲輻射口徑越小，則聲能量會(huì)變得更小，聲束指向性變差，檢測(cè)聲束更加發(fā)散，降低了檢測(cè)分辨力；同時(shí)由于聲束存在一定的發(fā)散角，發(fā)散聲束的折射角只要大于第二臨界角即會(huì)產(chǎn)生界面波，影響檢測(cè)，所以折射角上限一般不大于75°。由于承壓設(shè)備焊縫檢測(cè)中，橫波聲速因材料、檢測(cè)溫度等有變化，對(duì)于低碳鋼，聲速在3213～3313m·s－1范圍內(nèi)時(shí)，建議設(shè)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(jié)語(yǔ)

針對(duì)相控陣超聲斜入射脈沖橫波檢測(cè)特種設(shè)備低碳鋼焊縫時(shí)的扇形掃描角度范圍的問(wèn)題，采用平面波理論和固－固滑移邊界條件推導(dǎo)了縱波入射到楔塊－鋼平面界面的聲能量透射率，并進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在以有機(jī)玻璃作為楔塊材料時(shí)，扇形掃描時(shí)聲束的入射角度范圍為27°～56°，對(duì)應(yīng)折射角為38°～90°，但考慮到聲束偏轉(zhuǎn)角度過(guò)大時(shí)有效聲輻射口徑變小，檢測(cè)聲束會(huì)發(fā)散并產(chǎn)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(shè)備焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)［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(chǎng)特性研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60（9）：1－6.

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

［6］強(qiáng)天鵬，孫忠波，肖雄，等.超聲相控陣角度偏轉(zhuǎn)極限測(cè)試方法探討［J］.無(wú)損檢測(cè)，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.