超聲波端角反射測試

凌禮恭

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100088）

超聲波端角反射測試

凌禮恭

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100088）

利用Z-scan超聲儀、標(biāo)準(zhǔn)及參考試塊、UltraVision超聲波信號(hào)采集和分析軟件搭建超聲波端角反射測試系統(tǒng)。分別對(duì)45°、60°、70°探頭端角反射進(jìn)行了測試分析。首先對(duì)各種探頭反射回波信號(hào)進(jìn)行了采集和分析比對(duì)，然后基于超聲波傳播定律和端角反射波型轉(zhuǎn)換規(guī)律從中分離出端角反射信號(hào)并計(jì)算該信號(hào)的相對(duì)反射率。測試結(jié)果表明，45°橫波探頭端角反射接近全反射。縱波探頭端角反射信號(hào)中雜波多于橫波。

計(jì)量學(xué)；超聲波；端角反射；波型轉(zhuǎn)換；相對(duì)反射率

1 端角反射及其特點(diǎn)

超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射。端角反射的產(chǎn)生可以歸為兩類，一類由于結(jié)構(gòu)直角部位產(chǎn)生的端角反射，例如板材邊緣等；另一類由于焊縫根部缺欠產(chǎn)生的端角反射，例如根部未焊透、未熔合、與母材表面垂直的根部裂紋、錯(cuò)邊等。由于超聲波的物理特性以及端角的幾何特征，使得超聲波的端角反射會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換。理論分析表明，波形轉(zhuǎn)換將會(huì)嚴(yán)重影響端角反射率的大小。對(duì)超聲波端角反射的測試有助于從實(shí)驗(yàn)層面分析端角反射，并為超聲探傷過程中探頭的選擇和缺陷信號(hào)的分析提供指導(dǎo)［1，2］。

2 測試系統(tǒng)

試驗(yàn)采用ZETEC公司Z-scan 16通道超聲儀，超聲波數(shù)據(jù)采集與分析軟件版本為UltraVision3.3，試塊為ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊以及加工有圓弧半徑分別為100 mm、50 mm、30 mm、15 mm的低碳鋼參考試塊，耦合劑為CG-08（核工業(yè)級(jí)）。所使用探頭及參數(shù)如表1所示。

測量系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

表1 超聲波探頭及參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)示意圖

3 端角反射的波型轉(zhuǎn)換

由于端角的幾何特性，當(dāng)超聲波聲束打在端角上時(shí)，波型轉(zhuǎn)換會(huì)使得接收到的回波信號(hào)出現(xiàn)雜波難以分辨。在試驗(yàn)過程中截取不同角度探頭端角反射A掃圖，作為本文的波形解析對(duì)象。

3.1 端角反射的波型轉(zhuǎn)換

下面分縱波入射和橫波入射來討論端角反射時(shí)的波型轉(zhuǎn)換，以鋼、空氣界面為例進(jìn)行說明。由于鋼、空氣界面兩側(cè)聲阻抗差別較大，下文分析均不考慮界面處波的折射。鋼中縱波聲速CL＝5 900 m／s，鋼中橫波聲速CS＝3230 m／s。

在不考慮波型轉(zhuǎn)換的情況下，反射回波與入射波相互平行，如圖2、圖3中實(shí)線所示，圖中Pa為理論上回波聲壓、P0為入射波聲壓，L表示縱波，S表示橫波。

3.1.1 橫波端角反射波型轉(zhuǎn)換

根據(jù)反射波的反射定律可得式（1）、式（2）、式（3），式中除αL外，其余各角度均為其下標(biāo)所表示的波在其反射點(diǎn)處與法線的夾角，例如αL1，αS2。由式（1）、式（2）、式（3）計(jì)算可得：當(dāng)0＜αS≤33.19°時(shí)，L1、L2、S2、S3存在；當(dāng)33.19°＜αS≤56.81°時(shí)，僅有S1、S3存在，如圖3中粗實(shí)線所示；

圖2 橫波端角反射波形轉(zhuǎn)換示意圖

圖3 縱波端角反射波形轉(zhuǎn)換示意圖

3.1.2 縱波端角反射波型轉(zhuǎn)換

同理根據(jù)超聲波的反射定律可得式（4）、式（5）、式（6），式中角度含義與3.1.2節(jié)類似。由式（4）、式（5）、式（6）代入鋼中的波速計(jì)算可得：當(dāng)入射縱波L存在時(shí)，L1、S1、L2、S2、S3均存在，如圖2中實(shí)線所示，而L3不存在，如圖3中虛線所示。

對(duì)于不同的傳播介質(zhì)，L3也可能存在，即若sin－1CS／CL＞45°，則L3有存在的可能。具體需要根據(jù)αL結(jié)合式（1）、式（3）中有關(guān)L、S1、L3的部分進(jìn)行計(jì)算。

3.2 端角反射波形解析

以橫波45°探頭和縱波45°探頭的波形來解析端角反射的波型轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)過程中采集到的端角反射波形圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 橫波45°探頭端角反射波形

根據(jù)3.1.1節(jié)橫波端角反射的分析，45°端角反射將只產(chǎn)生一個(gè)回波，即圖2中的S3，圖4中的波形1即為該波形。

圖5 縱波45°探頭端角反射波形

對(duì)于45°縱波探頭來說，當(dāng)聲波進(jìn)入工件時(shí)由于波型轉(zhuǎn)換進(jìn)入工件的是一束角度為45°的縱波和一束角度為22.7°的橫波，對(duì)于進(jìn)入工件的角度為45°的縱波歸類到3.1.2節(jié)的情況進(jìn)行討論，角度為22.7°的橫波由于并未正對(duì)端角，其分析應(yīng)結(jié)合超聲波反射、波型轉(zhuǎn)換的一般規(guī)律進(jìn)行。

圖5中的波形1由45°的縱波聲束在端角處反射產(chǎn)生，即圖3中的L2。經(jīng)過計(jì)算分析，圖5中波形2應(yīng)該由入射角度為22.7°的橫波在試塊下底面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換然后再反射形成。

圖3中S2、S3并未出現(xiàn)在圖5中，說明探頭并未接收到圖3中S2、S3的較強(qiáng)回波。原因是由于波型轉(zhuǎn)換形成聲束的角度決定了這些聲束的回波不是正好指向探頭，又由于聲束寬度以及探頭接收截面有限，導(dǎo)致其不能被接收到。因此圖2中除S3、圖3中除L2以外的波均很難被探頭接收到較強(qiáng)回波。這一點(diǎn)在60°、70°探頭中也得到了印證。

波型轉(zhuǎn)換以及反射的綜合因素導(dǎo)致橫波60°、70°以及縱波60°、70°端角反射信號(hào)圖中有數(shù)量不等的雜波。由于縱波探頭聲束在進(jìn)入到工件中時(shí)已經(jīng)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，因此縱波探頭接收到的回波A掃信號(hào)圖中雜波明顯多余橫波探頭。從信號(hào)分析的角度來說，超聲波探傷要盡量選擇橫波探頭。

4 端角反射率

4.1 端角反射率的測量方法

理論上回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為端角反射率，用Te表示，如式（7）所示。但實(shí)際上入射波聲壓P0無法通過實(shí)驗(yàn)方法測得，因此，本文實(shí)驗(yàn)方案中采用一定深度的圓弧面的回波聲壓等效代替入射波聲壓P0，由此得到的聲壓反射率定義為相對(duì)聲壓反射率Te*，如式（8）所示。。

實(shí)驗(yàn)中以ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊側(cè)面即厚度為25 mm的一面作為探頭的掃查面，以該試塊直角邊作為端角的測試對(duì)象，如圖2所示。由于不同角度的探頭聲程不同，在計(jì)算P0*時(shí)反射體圓弧面半徑與對(duì)應(yīng)探頭的端角反射聲程應(yīng)相同，考慮到每一個(gè)探頭參數(shù)及反射性能的差異，每一個(gè)探頭對(duì)應(yīng)半徑100 mm、50 mm、30 mm、15 mm的圓弧面P0*均要測量，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中沒有實(shí)際反射體圓弧面半徑與端角反射聲程對(duì)應(yīng)的，用線性插值的方法求得P0*。不同角度探頭端角反射理想聲程如圖6所示。

圖6 不同角度探頭聲程示意圖

4.2 端角反射率結(jié)果

根據(jù)式（8），求得橫波探頭相對(duì)端角反射率如表2所示，縱波探頭相對(duì)端角反射率如表3所示。

表2 橫波探頭相對(duì)端角反射率

表3 縱波探頭相對(duì)端角反射率

由3.1.1節(jié)的定性分析表明：

（1）當(dāng)34°＜αS≤56°時(shí)，在此入射角度范圍內(nèi)橫波未發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，未分離出縱波和橫波，僅發(fā)生橫波的全反射，產(chǎn)生S1、S3，理論上反射聲壓與入射聲壓相等，因此，45°橫波探頭端角反射率達(dá)到90%與理論分析基本相符。

（2）當(dāng)αS＞56°時(shí)，橫波的二次反射分離出縱波L3，使回波聲壓Pa降低。因此，60°、70°橫波探頭的端角反射率均不高。

（3）當(dāng)0＜αS≤34°時(shí)，橫波的一次反射分離出縱波L1，使回波聲壓Pa降低，因此，30°的橫波探頭端角反射率應(yīng)較低。

從表3中可知縱波入射時(shí)，端角反射率都很低?？v波探頭入射聲束在進(jìn)入到試塊中時(shí)已經(jīng)由于波型轉(zhuǎn)換分離出橫波，縱波在端角反射過程中又經(jīng)歷一系列3.1.2節(jié)中分析的波型轉(zhuǎn)換，每經(jīng)歷一次波型轉(zhuǎn)換均要分離出兩種波，從而使探頭接收到的縱波端角反射回波聲壓大大削弱，即端角反射率大大降低。

綜上分析，實(shí)際工作中檢測焊縫根部未焊透、根部裂紋等缺欠時(shí)應(yīng)盡量選擇橫波，橫波入射角應(yīng)該選擇在（35～55）°范圍內(nèi)，即K＝0.7～1.43為宜，檢測靈敏度較高。

5 結(jié) 論

橫波45°探頭的端角反射接近全反射，且回波信號(hào)中無明顯雜波。橫波60°、70°探頭端角反射率較低，且回波信號(hào)中有雜波。

縱波45°、60°、70°探頭端角反射端角反射率較低，且回波信號(hào)中有雜波。

橫波45°、60°、70°探頭端角反射雜波分別少于縱波45°、60°、70°探頭。

［1］ 鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

［2］ 王琳，梁玉梅.單面焊焊縫根部端角反射波的識(shí)別方法［J］.無損檢測，2006，28（9）：496－497.

Test for the End-corner Reflection of Ultrasonic

LING Li-gong
（Nuclear and radiation safety center，Ministry of Environment Protection，Beijing 100088，China）

The end-corner reflection test system is builtbasing on Z-scan ultrasonic detector，standards and reference blocks，aswell as UltraVision ultrasonic signal acquisition and analysis software.Respectively，the end-corner reflection of 45°、60°and 70°Ultrasonic transducers is tested.First，all reflection echo signal are sampled and analysed，and then the end-corner reflection echo signals is isolated basing on ultrasonic propagation law and the end-corner reflection wavesmode conversion law.The relative reflectance of the above signal is computed at last.Test results show that45°transversewave transducer end-corner reflection close to the total reflection.The clutter from the end-corner reflection of longitudinalwave transducer ismore than the transverse wave transducer.

Metrology；Ultrasonic；End-corner reflection；Wavesmode conversion；Relative reflectance

TB95

A

1000-1158（2014）06-0617-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．21

2013-01-23；

2013-10-30

凌禮恭（1985－），男，湖北麻城人，環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心工程師，研究方向?yàn)楹税踩O(shè)備在役檢查、焊接、無損檢測、金屬材料、核安全等。lingligong2008＠aliyun.com