超聲C掃描用噴水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其檢測穩(wěn)定性?

周慶祥 李經(jīng)明 李建奎 蔡桂喜 張雙楠

(1 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 青島 266111)

(2 中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽 110016)

0 引言

在高速列車等先進(jìn)制造領(lǐng)域，高性能金屬材料與具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料獲得了廣泛應(yīng)用[1]。在這些先進(jìn)材料的生產(chǎn)制備和加工成型過程中，難以完全避免產(chǎn)生裂紋及內(nèi)部界面分離等缺陷。這些缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致材料的使用性能顯著下降，而無損檢測技術(shù)是保障新材料及構(gòu)件安全服役的重要措施。

噴水式超聲檢測是某些大型的金屬構(gòu)件和復(fù)合材料制件無損檢測的常用方法，甚至是唯一可行方法。相比于水浸式超聲檢測，噴水式超聲檢測具有以下優(yōu)勢：(1)不需要龐大的耦合水槽；(2)可以用于檢測某些不適合長時(shí)間浸泡在水中的材料構(gòu)件[2]。波音、空客等飛機(jī)制造商已普遍采用大型噴水超聲C 掃描技術(shù)對大型復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行快速自動(dòng)檢測；ICI Fiberite公司采用九軸C掃描對蜂窩泡沫夾心等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行無損檢測。麥道公司專為曲面構(gòu)件設(shè)計(jì)的第五代自動(dòng)超聲掃描系統(tǒng)可在9 個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)，并能同時(shí)保證探頭與工件表面垂直[3?4]。中國哈飛集團(tuán)也采購了英國超聲波科學(xué)有限公司(USL)生產(chǎn)的超聲波C 掃噴水復(fù)合材料檢測系統(tǒng)用于復(fù)合材料層壓板和蜂窩夾心材料的檢測[5]。

噴水耦合式超聲C 掃檢測技術(shù)近年來發(fā)展迅速，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者已開展過相關(guān)研究。如王柄方等[6]研究了檢測工藝參數(shù)對噴水C 掃檢測結(jié)果的影響；周正干等[7]對檢測系統(tǒng)的組成進(jìn)行相關(guān)研究，并自主研制了檢測設(shè)備。與水浸超聲檢測技術(shù)相比，噴水耦合超聲的缺點(diǎn)是聲耦合穩(wěn)定性不高，因此，研究噴水耦合超聲檢測的聲耦合穩(wěn)定性的影響因素是該技術(shù)得以應(yīng)用的關(guān)鍵。噴水式超聲的聲耦合穩(wěn)定性與耦合水柱“質(zhì)量”直接相關(guān)，耦合水的流動(dòng)狀態(tài)、氣泡、流速等因素都影響水柱“質(zhì)量”。這些因素與噴水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相關(guān)，例如超聲探頭耦合噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍掌握在少數(shù)國外設(shè)備制造商手中，受國外專利保護(hù)[8]。復(fù)合材料由于衰減較大，常采用低頻(1 MHz)探頭，其直徑相對較大，影響檢測分辨率，并需加長噴嘴長度才能形成層流，因此需要根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。國內(nèi)關(guān)于噴水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)相關(guān)性的研究較少。本文計(jì)劃基于噴水式超聲耦合檢測原理，開展噴水探頭結(jié)構(gòu)及耦合水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作，并結(jié)合試驗(yàn)分析檢測工藝對檢測性能的影響。

1 噴水式耦合超聲C掃噴水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 噴水式耦合超聲檢測原理

噴水式耦合超聲檢測是將探頭安裝在特殊設(shè)計(jì)的水套內(nèi)，如圖1所示。具有一定壓力的耦合水在水套的腔體內(nèi)匯集，然后經(jīng)噴嘴噴出形成射流水柱。探頭激發(fā)的超聲波先后經(jīng)過水套腔體、噴嘴流道、射水柱最后到達(dá)工件表面，再通過水-工件界面進(jìn)入工件內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)聲耦合過程。

圖1 噴水式超聲耦合檢測示意圖Fig.1 The detection method of ultrasonic squirter transmission

噴水式耦合超聲檢測的檢測方法分為反射法和穿透法。反射法是只有一個(gè)噴頭和一個(gè)探頭，既發(fā)射超聲波又接收超聲波。根據(jù)脈沖反射回波來判斷是否存在缺陷，根據(jù)回波幅度對缺陷進(jìn)行定量，根據(jù)回波時(shí)序?qū)θ毕葸M(jìn)行定位。穿透法是兩個(gè)噴頭和兩只探頭分別置于工件相對的兩側(cè)，一個(gè)發(fā)射超聲波，另一個(gè)接收超聲波，根據(jù)脈沖波穿透工件之后的能量變化來判斷有無缺陷，根據(jù)超聲波穿透工件后能量變化情況來判斷工件的內(nèi)部質(zhì)量；當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時(shí)，超聲波穿透工件后被接收探頭所接收；當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷存在時(shí)，聲波被缺陷部分或完全遮擋，這樣就可以根據(jù)接收探頭接收到的超聲波能量的衰減程度來判定缺陷嚴(yán)重程度。對于厚度尺寸較大和衰減系數(shù)較強(qiáng)的材料，常采用噴水穿透法進(jìn)行檢測。

1.2 噴水系統(tǒng)組成

噴水式耦合超聲檢測設(shè)備需要一套提供穩(wěn)壓、穩(wěn)流的耦合水柱的水循環(huán)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的噴水系統(tǒng)主要由儲(chǔ)水槽、過濾器、增壓泵、穩(wěn)壓罐、泄壓閥、壓力表、流量計(jì)、節(jié)流閥、分流器、流速計(jì)、噴頭、水管等組成，如圖2所示。系統(tǒng)包括兩個(gè)獨(dú)立的噴頭，當(dāng)兩個(gè)噴頭同時(shí)工作時(shí)，可用于穿透法檢測；任意一個(gè)噴頭單獨(dú)工作時(shí)，可用于反射法檢測。系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍為0～13 L/min，流量調(diào)節(jié)精度為0.1 L/min，系統(tǒng)的水壓調(diào)節(jié)最大值為0.5 MPa。為保證進(jìn)入噴頭中的水是穩(wěn)壓的、穩(wěn)流的、無氣泡的耦合水，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有穩(wěn)壓罐、水氣分離裝置等。

圖2 噴水耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of the coupling system with jetted water stream

1.3 噴頭結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

噴水式耦合屬于一種“動(dòng)”水耦合，與水浸式的靜水耦合相比，超聲波聲場分布會(huì)受到腔體結(jié)構(gòu)和出水水柱形狀兩部分空間內(nèi)耦合環(huán)境的影響。受流體特性的影響，耦合水的層流狀態(tài)有利于超聲傳播的穩(wěn)定性，而耦合水的湍流狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致超聲噪聲信號(hào)增加。噴水式耦合法相比于水浸式耦合法，超聲波的傳播是在受約束的空間內(nèi)傳播，噴頭內(nèi)部的水-腔體、射流水柱中水-空氣等諸多界面都會(huì)造成超聲波的反射和折射和超聲波在傳播過程中的能量衰減。因此，噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響超聲檢測的性能，是檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。噴頭中通過水套腔體安裝超聲探頭，并應(yīng)能根據(jù)需要更換不同口徑的噴嘴。

根據(jù)復(fù)合材料檢測的工藝要求，本文使用的探頭晶片直徑為?19 mm，頻率為1 MHz，探頭外殼直徑為?25.4 mm。下面以6 mm口徑的噴嘴為例進(jìn)行噴頭設(shè)計(jì)。

(1)水套腔體

噴頭的水套腔體通常包括3部分，即進(jìn)水腔、配水盤(也叫導(dǎo)流盤)、耦合腔，如圖3所示。當(dāng)具有一定壓力的耦合水從狹窄的進(jìn)水管路流入相對“寬敞”的進(jìn)水腔后，流速會(huì)減慢，同時(shí)流動(dòng)方向發(fā)生紊亂。為此設(shè)計(jì)一個(gè)配水盤將紊亂的水流適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行導(dǎo)流進(jìn)入耦合腔，并將配水盤設(shè)計(jì)成多孔反沖結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一方面使水流的流動(dòng)狀態(tài)變得穩(wěn)定，盡量形成層流狀態(tài)；另一方面，它將水流導(dǎo)向沖向超聲探頭，可沖消可能吸附在探頭上的微氣泡，這是噴水超聲耦合穩(wěn)定性的必要保證。本文根據(jù)探頭的直徑而設(shè)計(jì)的進(jìn)水腔的直徑為?28 mm-?30 mm 的階梯形如圖3所示。

(2)噴嘴設(shè)計(jì)

噴嘴通常設(shè)計(jì)成錐形收縮型結(jié)構(gòu)[9?10]，噴嘴的入口參數(shù)、出口參數(shù)以及長徑比等參數(shù)都會(huì)影響噴嘴出口射流的質(zhì)量。但噴嘴內(nèi)部流道型線對射流流場的影響也不可忽視。在錐型噴嘴中，當(dāng)流體斷面減小時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)受流動(dòng)方向一致的正壓差作用而加速流動(dòng)，由于慣性作用，在邊壁轉(zhuǎn)折突變處后方與邊壁分離，形成漩渦區(qū)[11]。由于漩渦區(qū)是紊流狀態(tài)，所以會(huì)嚴(yán)重影響超聲波的傳播。當(dāng)流道型線為維多辛斯基曲線時(shí)，在入口截面產(chǎn)生的橫向壓力梯度和徑向分速度逐漸減小，并在出口之前趨于零，從而獲得均勻的出流速度場[12]，因此可獲得優(yōu)質(zhì)出射射流束，對超聲波傳播影響小。但是，維多辛斯基曲線噴嘴不易加工，所以本文設(shè)計(jì)的噴嘴的前段腔體呈“喇叭”狀，近似于維多辛斯基曲線，并在其后設(shè)計(jì)一直筒管段用于對可能出現(xiàn)的發(fā)散水流進(jìn)行準(zhǔn)直。通常錐形收縮型噴嘴的直筒段的長徑比一般設(shè)計(jì)為3～7[13]，本文由于采用了“喇叭”段代替錐形段，因此將直筒段的直徑和長度之比設(shè)計(jì)為3，這樣既使耦合水在噴出后在一定距離下形成穩(wěn)定的射流水柱，又可適當(dāng)減小噴嘴的長度?？紤]以上影響因素并結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示。噴嘴喇叭形弧段半徑R為30 mm，噴嘴流道直徑?6 mm。

(3)進(jìn)水管路設(shè)計(jì)

由于噴嘴與超聲探頭的軸線必須同軸，噴頭中的進(jìn)水口只能設(shè)計(jì)在平行于探頭的旁側(cè)，或垂直于進(jìn)水腔。為減小噴頭所占用的空間和方便夾持，采用如圖3所示的平行式進(jìn)水管路設(shè)計(jì)。進(jìn)水管路的數(shù)量也會(huì)影響進(jìn)入水套腔體的耦合水的流量和分布狀態(tài)。理論上，進(jìn)水管路越多，流入進(jìn)水腔的耦合水流量越大，流場分布越均勻。但由于前述的配水盤具有導(dǎo)流功能，并且其均勻的“多孔反沖”結(jié)構(gòu)與喇叭形流道相結(jié)合，可對側(cè)邊進(jìn)水口所帶來的渦旋流場進(jìn)行較好的約束，因此，本文設(shè)計(jì)的進(jìn)水管路數(shù)量為1通道。

圖3 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖(單位：mm)Fig.3 Design of the nozzle(Unit:mm)

2 噴水耦合穩(wěn)定性研究與試驗(yàn)

為了探究噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及檢測工藝參數(shù)對檢測性能的影響，本文采用理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用幾何聲學(xué)原理分析噴水超聲檢測射水柱的耦合性能，然后結(jié)合檢測試驗(yàn)進(jìn)行討論。試驗(yàn)采用的檢測方法為超聲噴水穿透法。超聲波穿透工件后聲能的衰減量是表征缺陷嚴(yán)重程度的參量，因此，除由缺陷引起超聲衰減外，凡是能導(dǎo)致超聲波衰減的其他因素都是影響檢測性能的參量。下面將分析噴頭結(jié)構(gòu)、耦合水流量、射水距離及檢測方式對檢測性能影響的規(guī)律。

試驗(yàn)采用的試塊是某復(fù)合材料層壓板試塊。試塊長度為100 mm，寬度為70 mm，厚度為10 mm。試塊中預(yù)埋了6 處人工缺陷，分別為?3 mm、?4 mm、?5 mm的圓形缺陷，和4 mm×6 mm、7 mm×8 mm、8 mm×8 mm 的矩形缺陷，分布在試板的上層、中層和下層，如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料層壓板試塊示意圖(單位：mm)Fig.4 The composite sample reinforced by carbon fiber(Unit:mm)

2.1 噴頭結(jié)構(gòu)對超聲波傳播的影響

探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要考慮結(jié)構(gòu)對流場的影響，也要考慮結(jié)構(gòu)對聲場的影響。從探頭發(fā)出的超聲波會(huì)在噴頭中形成具有一定形狀的聲場。探頭中心部分與直筒口徑相等的聲束L0沿聲束軸線向前傳播，不受噴嘴結(jié)構(gòu)的影響，經(jīng)過射流水柱進(jìn)入工件中進(jìn)行檢測。而聲束中部分?jǐn)U散的聲束L1會(huì)在噴嘴弧面處產(chǎn)生反射波L1L2，對檢測無貢獻(xiàn)，屬于噴頭結(jié)構(gòu)對聲束聲能造成固定量的衰減。聲束中還有部分?jǐn)U散聲束L2，會(huì)在噴嘴弧面處產(chǎn)生反射波L2L2，并在流道內(nèi)不斷產(chǎn)生反射波L2L2L3，以及L2L2L3L4等等后續(xù)的反射波，如圖5所示，這部分聲束在較長的傳播路徑上會(huì)不斷衰減，并且，耦合水從噴嘴噴出后形成射水柱，射水柱與空氣形成“界面”，當(dāng)流速過快時(shí)，會(huì)使射水柱表面產(chǎn)生不規(guī)則曲面，如反射波L2L2L3L4L5L6的界面，也會(huì)增加超聲傳播的衰減，這部分聲束對檢測幾乎也沒有貢獻(xiàn)。因此，噴頭的結(jié)構(gòu)對超聲束會(huì)造成一定量的固定衰減。

圖5 噴水耦合超聲衰減因素分析模型Fig.5 Analysis of the causes of ultrasonic attenuation

如前所述，在探頭與喇叭口之間的耦合腔會(huì)存在不均勻的紊流場，紊流場就會(huì)造成超聲衰減，而且紊流越激烈，對超聲衰減的波動(dòng)的影響就越大。

2.2 射水距離對檢測性能的影響

試驗(yàn)研究采用控制變量法，即：研究某一參量的影響時(shí)，其他變量固定不變，在一定范圍內(nèi)對該參量進(jìn)行調(diào)整。由于噴水耦合超聲在對異形的構(gòu)件或空間受限的結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行檢測時(shí)，需要較長的射水距離，因此，結(jié)合實(shí)際檢測工況，需要調(diào)整噴水耦合系統(tǒng)的射水距離。試驗(yàn)是對試塊中各分層缺陷進(jìn)行穿透法檢測，設(shè)定掃查區(qū)域?yàn)?00 mm×50 mm，間距為0.5 mm×0.5 mm，水循環(huán)系統(tǒng)水壓為0.36 MPa，流速為1.47 m/s，以上參量保持不變，改變噴嘴末端至復(fù)合材料板的距離(射水距離L)分別為2 mm、6 mm、10 mm、15 mm。根據(jù)圖3，換算成探頭距工件表面的距離分別為76 mm、80 mm、84 mm、89 mm。試驗(yàn)結(jié)果采用超聲C掃顯示，不同距離下的部分檢測結(jié)果圖像如圖6所示。由于檢測系統(tǒng)中探頭聲束直徑和掃查步進(jìn)精度會(huì)影響成像的分辨率，所以缺陷的檢測圖像輪廓較模糊。由于橫向分辨率和縱向分辨力與換能器的性能有關(guān)，一般是不相等，所以對于圓形缺陷而言，測量顯示圖像是不規(guī)則圓形，本試驗(yàn)取圖像的x方向和y方向值平均值作為直徑測量值；對于矩形缺陷而言，分別取x方向和y方向兩個(gè)測量值。同時(shí)，在每個(gè)射水距離工況下，重復(fù)測量10次，再將測量值取平均值，同時(shí)計(jì)算平均值與真實(shí)值的偏差值?，列入表1中。

表1 不同射水距離下的各人工缺陷的直徑測量結(jié)果Table 1 The measurement results of the defect diameters with different water distance

圖6 各人工缺陷檢測結(jié)果部分圖像Fig.6 Parts of the C-scan result of the artificial defects

通過表1結(jié)果分析，隨著噴嘴端至復(fù)合材料板距離的增加，測量值與真實(shí)值的偏差也逐漸變大。原因主要包括以下幾個(gè)方面：首先，隨著距離的增加，超聲波在水中的傳播距離增大，聲束發(fā)生擴(kuò)散；其次，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的掃描步進(jìn)為0.5 mm×0.5 mm，導(dǎo)致結(jié)果成像的像素較粗略；第三，由圖6的圖像質(zhì)量可知，隨著噴嘴端至復(fù)合材料板距離的增加，超聲C 掃圖中的背景噪聲信號(hào)也逐漸增加，不利于識(shí)別缺陷的邊界；最后，從表1的結(jié)果還可以看出，在相同水層距離條件下，測量較小尺寸的缺陷時(shí)偏差較大，這是由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的噴嘴直徑為?6 mm，產(chǎn)生的聲束約等于噴嘴直徑，聲束較粗。本文為了分析本檢測系統(tǒng)中射水距離L對測量絕對偏差平均值的影響，對二者采用最小二乘法擬合進(jìn)行一元線性回歸處理，發(fā)現(xiàn)射水距離與絕對偏差平均值約滿足條件：?= 0.3132+0.0923L，式中?為絕對偏差平均值，L為射水距離。

因此，在實(shí)際檢測中可采取如下措施提高檢測精度：(1)在確實(shí)需要長射流檢測時(shí)，應(yīng)增加水壓(流速)以得到足夠長的射流水柱；否則，若噴嘴不受被檢構(gòu)件的空間限制，在確保噴嘴不與工件表面接觸的情況下，宜適當(dāng)減小水層距離，減少聲束擴(kuò)散，以減少因水層距離對檢測精度的影響。(2)在實(shí)際檢測時(shí)，在選定探頭、噴嘴孔徑、射水距離等檢測條件下，需利用人工缺陷對比試塊實(shí)測絕對偏差值，以便對測量結(jié)果進(jìn)行或加或減的修正。(3)為了提高檢測精度，在保證超聲波能量滿足檢測需求的前提下，應(yīng)減小噴嘴直徑(即減小聲束直徑)或采用聚焦探頭。(4)減小掃查步進(jìn)值，以提高采樣密度，增加結(jié)果圖像的像素值，提高成像的分辨率。

2.3 流速對檢測性能的影響

試驗(yàn)對試塊中?4 mm 分層缺陷進(jìn)行水平式穿透法檢測，掃查區(qū)域?yàn)?0 mm×20 mm，間距為0.5 mm×0.5 mm，射水距離為10 mm，水循環(huán)系統(tǒng)水壓為0.36 MPa，以上參量保持不變。使耦合水在噴嘴出口處的流速在0.5～4 m/s之間調(diào)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果采用超聲A掃顯示，波形如圖7所示。

圖7 流速為2.5 m/s 條件下的超聲A 掃波形Fig.7 A-scan signals with the current velocity of 2.5 m/s

在不同流速下，分別記錄無缺陷處和有缺陷處所接收的透射波信號(hào)的幅值50次，然后得到不同流速下，對應(yīng)無缺陷處和有缺陷處所接收到的透射波信號(hào)的最大值、最小值，繪制在圖8中，得到在噴水狀態(tài)下信號(hào)的波動(dòng)范圍；同時(shí)，作為耦合穩(wěn)定性對比試驗(yàn)，將噴頭組件全部置入水槽中，使探頭在全部水浸的狀態(tài)下，再記錄無缺陷處和有缺陷處所接收的透射波信號(hào)的幅值50次，也求得噴頭在全部水浸狀態(tài)下，對應(yīng)無缺陷處和有缺陷處所接收到的透射波信號(hào)的最大值、最小值，也繪制在圖8中，得到在水浸靜水狀態(tài)下信號(hào)的波動(dòng)范圍。上述不同流速下的噴水與水浸檢測狀態(tài)下的無缺陷處和有缺陷處所接收到的透射波信號(hào)的波動(dòng)范圍圖，可以用于表征不同流速對信號(hào)穩(wěn)定性的影響，如圖8所示。再將上述最大值和最小值做差，得到不同流速下無缺陷處和有缺陷處所接收到的透射波信號(hào)的波動(dòng)曲線，如圖9所示。

圖8 噴水狀態(tài)和水浸狀態(tài)下不同流速時(shí)透射波信號(hào)波動(dòng)范圍Fig.8 The range of the transmissive waves with water-immersion ultrasonic or squirter ultrasonic on the condition of different velocity

圖9 噴水狀態(tài)和水浸狀態(tài)下不同流速時(shí)透射波信號(hào)波動(dòng)曲線Fig.9 The curve of the transmissive waves with water-immersion ultrasonic or squirter ultrasonic on the condition of different velocity

由圖8和圖9曲線可知，在水平式穿透法檢測時(shí)，水柱受重力影響，當(dāng)流速低于0.5 m/s 時(shí)，無法進(jìn)行檢測；流量在0.8～3 m/s 區(qū)間時(shí)，有缺陷區(qū)和無缺陷區(qū)的透射信號(hào)具有明顯的差別，透射波信號(hào)波動(dòng)小，檢測效果較好；當(dāng)流速大于3 m/s時(shí)，透射信號(hào)的波動(dòng)明顯，無缺陷區(qū)信號(hào)最小值與缺陷區(qū)信號(hào)最大值幾乎相交，容易導(dǎo)致超聲C 掃圖像產(chǎn)生“花點(diǎn)噪聲”，缺陷圖像邊緣模糊，這對檢測性能影響較大。在不同流量下，對?4 mm 的人工缺陷進(jìn)行缺陷直徑測量，在每種流速下重復(fù)測量5 次，將測量值繪制在圖10中。由圖10可知，當(dāng)流速在0.8～3 m/s 范圍時(shí)，缺陷直徑的測量值分布范圍是?4～?7 mm；當(dāng)流速大于3 m/s 時(shí)，缺陷直徑測量值分布范圍是?5.5～?8 mm，測量值比真實(shí)值偏大。

圖10 不同流速時(shí)缺陷直徑的測量值Fig.10 The measurement results of defect diameters on the condition of different velocity

透射信號(hào)的波動(dòng)與耦合水的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)流速低于0.5 m/s 時(shí)，射流水柱已不能保持水平，發(fā)生彎曲，無法進(jìn)行檢測，水柱狀態(tài)如圖11(a)所示；當(dāng)流速在0.8～3 m/s 區(qū)間時(shí)，射流水柱剛性良好，射流水柱表面平整，流動(dòng)平穩(wěn)，工件表面的“水盤”噴散穩(wěn)定，水柱如圖11(b)所示，水盤狀態(tài)如圖11(c)所示；當(dāng)流速大于3 m/s 時(shí)，射流水柱表面變得不平整，水柱中混有少量氣泡，噴射至工件表面的“水花”產(chǎn)生劇烈飛濺，如圖11(d)所示；當(dāng)“水花”濺落至入射探頭的水柱時(shí)，會(huì)影響入射波的傳播聲路，當(dāng)“水花”濺落至接收探頭的水柱時(shí)，會(huì)使透射波產(chǎn)生噪聲干擾，所以超聲波信號(hào)變得不穩(wěn)定，透射波波動(dòng)范圍增加，測量值偏大，不利于檢測。

圖11 不同流速下耦合水柱或水盤狀態(tài)Fig.11 The shape of waterspout on the condition of different velocity

流速對檢測性能的影響，除與耦合水流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)外，還與檢測方式有關(guān)。在射水距離一定的情況下，采用水平穿透方式進(jìn)行檢測時(shí)，水柱會(huì)受重力影響，當(dāng)流速較小時(shí)，水柱剛性不足，發(fā)射探頭與接收探頭不能很好地保持一條水平線上，會(huì)影響檢測性能；采用垂直穿透方式檢測時(shí)，當(dāng)流速較小時(shí)，下方探頭水柱射水高度受重力影響，因此也會(huì)影響檢測性能。

3 結(jié)論

(1)采用喇叭+直筒型的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可獲得優(yōu)質(zhì)出射流束，并可減小噴嘴的尺寸。

(2)理論分析表明：采用喇叭+直筒型的噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對超聲束會(huì)造成一定量的固定衰減，且其耦合腔中的紊流會(huì)造成超聲衰減，并隨著紊流度增加而會(huì)加劇檢測信號(hào)的波動(dòng)。該分析結(jié)論得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)為保證檢測性能良好，在調(diào)整水距時(shí)，應(yīng)使受檢件處于發(fā)射和接收探頭聲場聲壓較高位置處。同時(shí)隨著水距的增加，超聲信號(hào)的衰減加劇，噪聲信號(hào)會(huì)增加。在本試驗(yàn)條件下，探頭端距離工件表面的距離在76～84 mm區(qū)間時(shí)，檢測效果較好。

(4)流速會(huì)影響耦合水的流動(dòng)狀態(tài)，對超聲波的傳播產(chǎn)生影響，流速過快會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，流速過慢會(huì)降低射水柱的剛性，造成穿透信號(hào)不能被完全接收，引起能量衰減。在本試驗(yàn)條件下，檢測效果較好的流速范圍是0.8～3 m/s區(qū)間。

(5)工作方式也會(huì)對檢測性能造成影響，豎直噴射立式檢測時(shí)，需要調(diào)節(jié)下部噴頭的流速，以保證射流水柱能夠與工件充分接觸；橫向噴射水平檢測時(shí)，需要同時(shí)提高兩側(cè)噴頭流速，以克服射流水柱受重力的影響。因此，在橫向噴射水平檢測時(shí)，應(yīng)提高水柱剛度，保證發(fā)射端射流水柱與接收端射流水柱的在同一直線上，使耦合穩(wěn)定。

因此，在制定噴水式超聲C 掃描檢測工藝規(guī)范時(shí)，宜進(jìn)行噴水耦合穩(wěn)定性試驗(yàn)，以選擇在規(guī)定檢測水距條件下的流速及其允許的流速變化范圍，并評(píng)價(jià)這些參數(shù)對檢測結(jié)果的影響。