双晶纵波斜探头设计参数对聚焦区声场特性定量影响分析

（ ） １ （ ） ２ （ ） ３
Ｅ２ ＝ Ｈ －Ｌ ｔ ａ ｎ ′ β 不同参数对声束聚焦区的影响 ４． ２ 在进行探 头 参 数 计 算 时 ， 首 先 设 定： 晶片尺寸
， ， 频率为２ 探头折射角为４ ３ ６ ｍｍ×１ ２ ｍｍ， ＭＨ ｚ ５ ° 焦点 深 度 为 ４ 为１ ２． ４ ｍｍ。 预 设 ＡＡ ＇ ０ ｍｍ， Ｌ为 ４ ０ ｍｍ， Ｏ Ｆ 和Ｏ Ｉ 分别为２ ０ ｍｍ 和 １ ０ ｍｍ。 计 算 可 。（ 参数计算是按探头的几何 参 得ｒ ｏ ｏ ｆ角为 ４． ４ ２ ３ °
（ ）实验用探头 ｂ
由于参数较多 ， 实际求解中 ， 首先设定所需探测 深度 ， 即焦点深度 ｆ。 由 ｆ 求出楔块横向倾角σ， 进而 确定其他参数 。 计算前 ， 预设Ｅ１ 值和 Ａ 根据晶 Ａ ′值 ， 片尺寸 预 设 楔 块 长 度 Ｌ， 预设晶片中心至楔块的距 离Ｏ 其他尺寸参数的计算参照 图 ５ 由 公 式 Ｆ 和Ｏ Ｉ。 （ ）～ 公式 （ ） 计算得到 。 其中 ， １ ９ ｃ ｋ 和ｃ ｓ ｔ 分别为楔块 和工件中的纵波声速 。 ｋ为与楔块横向倾角及楔块
［ ２］
综上 分 析 知 ， 双晶纵波斜探头的聚焦区声场具 有如下特点 ： （ ） 由于 声 束 的 扩 散 性， 声束聚焦菱形区不对 １ 焦点以下焦区长 度 明 显 大 于 焦 点 以 上 焦 区 长 度 称， 聚焦区内有效探测范 范围 。 随着焦点深 度 的 增 加 ， 围增加 。 ） （ 鉴于平面波 声 场 中 声 轴 两 侧 声 压 变 化 规 律 ２ 同一大小缺陷位于不同深 遵从高斯声压分布 原 则 ， 度时 ， 反射声压不同 。
６
无 损 探 伤
第３ ６卷
测范围分别为 １ ２～５ ６、 １ １． ５～４ ７ 和 ２． ５～２ ７。 聚 焦 区的声压变化规律 为 ： 焦点以下探测深度小于焦点 且随着焦点深度的降低 ， 有效探测范 以上探测深度 ， 围逐渐减小 。
图 １ 聚焦区入射声压分布示意图
图 ４ 双晶纵波斜探头距离 － 波幅特性曲线 图 ２ 双晶纵波斜探头声束交区示意图
实际计算顺序为 ： （ ） 根据预设焦 点 深 度 ｆ 和 被 检 工 件 中 预 设 折 １ 射角 （ 计算有机玻璃楔块中折射角度β ｓ ｔ） ｋ； β （ ）根据预设入射点至隔声层的垂直 距 离 Ａ ２ Ａ ′ 和探头在工件中的实际声程 Ａ Ｇ 计算钢中超声纵波 横向倾角δ 并根据斯涅耳定 律 计 算 楔 块 中 声 波 横 ｓ ｔ， 向倾角σ； （ ） ） 由β 确定聚焦特性变化因 ３ ２ σ 由公式 （ ｋ、 ｓ ｔ、 β ／ ， （ ） 子ｋ 进而根据公式 计算得到楔块前向倾角 ｔ ３ ′； β ）由公式 （ ）计 算 得 到 晶 片 中 心 至 楔 块 底 面 （ ４ ４ 距离 ｈ； ）根据公式 （ ）和 （ ）计算得到晶片间距 ２ ； （ ５ ５ ６ ｌ ）由公式 （ ）确定楔块高度 Ｈ ； （ ６ ７ （ ）由公式 （ ）确定 Ｗ１ ； ７ ８ （ ）根据公式 （ ）确定 Ｅ２ 。 ８ ９ 另外 ， 为简化计算公式 ， 由于σ ′和 ″与 ′相 σ和 β β 差不大 ， 计算中由σ 和β ′ 代 替。公 式（ １） ９） ～公式（ 如下所示 ： ｓ ｉ ｎ ｃ ｋ ｋ β ＝ ｓ ｉ ｎ ｃ ｓ ｔ ｓ ｔ β ｃ ｏ ｓｓ ｓ ｉ ｎ ｔ ａ ｎ ｓ ｉ ｎ σ ｔ ｋ ｓ ｔ β ｋ ＝ σ， ｔ＝ β ， ＝ ｃ ｃ ｔ ｓ ｉ ｎ ｋ ｓ ｔ ｋ β
２ ｋ ｔ ａ ｎ ′ ＝ １－ ２ ２ β ｔ ｔ ａ ｎ ｓ ｔ β ／ １ ２
（ ）晶片间距 （ ） 晶片尺寸 ３ ｃ ６ ｍｍ×１ ２ ｍｍ， ｒ ｏ ｏ ｆ角为 ４． ４ ３ ２ ° （ ， 注： 晶片间距为 ２ 通过改变 Ａ Ａ Ａ ′＋Ａ Ｉ） Ａ ＇实现改变晶片间距 的大小 。
图 ６ 晶片参数的设定及相应计算结果
图 ３ 试块和探头图片
３． ２ 结果分析 利用三个双晶纵波斜探头测得的碳钢试块横孔 深度距离 － 波幅 曲 线 结 果 如 图 ４ 所 示 。 观 察 可 知 ， 焦点 深 度 处 ， 声 压 最 高， 焦 点 两 端， 声 压 逐 渐 降 低。 以声压降低 ６ ｄ Ｂ 为界 ， １～３ 号探头在碳钢试块中探
３． １ 实验装置 本实 验 装 置 包 括 Ｃ Ｔ Ｓ－３ ２ 探 伤 仪、 Ｄ Ｐ Ｏ ４ ０ ３ ２ 示波器 、 碳钢试块 （ 分布横孔 ： 孔径 深度间距 ２ ｍｍ， 一块 、 双晶纵波斜探头三个 ， 分别编号为 １、 ５ ｍｍ） ２、 ， 、 、 探头 频 率 均 为 ２ 折射角分别为４ ３， ＭＨ ｚ ５ ° ４ ５ ° ， 焦距分别为 ６ ６ ０ ° ０ ｍｍ、 ４ ０ ｍｍ、 ２ ０ ｍｍ。 试块示 意 图 和探头实物照片如图 ３ 所示 。
图 ５ 探头楔块几何参数及折射声束路径示意图
声速有关的物理 量 ， ｔ为 与 被 检 工 件 中 的 折 射 角 和 ／ 工件声速 有 关 的 物 理 量 ， ｋ ｔ为探头聚焦特性变化
１ ４］ 。 楔块材 料 设 为 有 机 玻 璃 ， 因子 ［ 工 件 设 为 碳 钢。
（ ）晶片 ｒ 晶片尺寸 ３ ｂ ｏ ｏ ｆ角 （ ６ ｍｍ×１ ２ ｍｍ， ０ ｍｍ） Ａ Ａ ′ ＝１
１ ３］ 。通常双晶探头按焦 小对探伤 范 围 有 很 大 影 响 ［
，
， 超声测
中的应用以及针对不同需求的探头设计和制 。 对双晶纵波斜探头的研究相对较少 ， 主
作等
［ ］ ８， １ ０， １ ３
点两端声压 降 低 ６ ｄ Ｂ 的位置确定为该探头的探测 范围 ， 所以探测范围不等同于聚焦区 。 因此 ， 聚焦区 内声压大小与探测深度的关系也应制作相应的距离 波幅曲线 ， 以便于实际检测中对缺陷的定量和定位 。
第４期
双晶纵波斜探头设计参数对聚焦区声场特性定量影响分析 王敬钊等 ：
７
（ ）晶片尺寸 （ ， ａ ｒ ｏ ｏ ｆ角为 ４． ４ ３ ２ ° ０ ｍｍ） Ａ Ａ ′ ＝１
； 其设定需参 考 实 际 检 测 的 深 度 ） ｆ － 探头焦点深度 （ ｓ ｔ－ 被 检 对 象 β 中超声纵波预设折射角 ； δ ｋ － 晶片实 际 入 射 角 ； ｓ ｔ－ 工件中超声纵 β 波 横向倾角 ； 晶片 ） 的ｒ ｏ ｏ ′－ 楔块前向倾角 ； Ａ Ａ ′－ 入 σ－ 楔块 （ ｆ 角； β ／ 射点至隔声层的垂直距离 ， ｈ－ 晶片中心至 楔 块 底 面 的 高 度 ； ｌ－１ ２ 晶片间距 ； Ｅ Ｏ Ｆ、 Ｏ Ｉ－ 分 别 为 晶 片 中 心 至 １ － 探头楔块后边 角 高 度 ； 宽度和高度 。 楔块外侧面距离 ； Ｌ、 Ｗ１ 、 Ｈ 和Ｅ２ － 分别为楔块的长度 、
不同聚焦深度探头 要集中于粗晶奥氏体不锈钢检测 、
］ １ ４ １ ８ － ］ 的参数设计方法 和 制 作［ 等。 如 文 献 ［ 给出了 １ ４
］ 文献［ 等推 聚焦深度达 １ ２ ０ ｍｍ 的 探 头 设 计 方 法 ， １ ８ 导了焦距计 算 公 式 ， 任翀
［ ］ １ ６
等人主要研究了探头的
具体制作工艺 。 虽然目前国内对双晶纵波斜探头设 计参数及制作工艺有所研究 ， 但对于不同参数对聚焦 区的定量影响分析尚不多见 。 本文在对双晶纵波斜探头的结构、 聚焦区声场 特性进行分析的基 础 上 ， 阐明了探头几何参数之间
１ 引言
双晶纵波斜探头 两 个 晶 片 的 屋 顶 角 （ 造 ｒ ｏ ｏ ｆ角 ） 成超声波束的相交 ， 在交叉区 （ 聚焦区 ） 产生一种伪聚 焦效应 ， 而且一发一收的结构可以提高信噪比 ， 为此 能较好地运用于粗晶奥氏体不锈钢等强衰减材料的 超声检测
［ ］ １ ３ －
２ 理论分析
， 双晶纵波 斜 探 头 聚 焦 区 的 形 状 为 菱 形 （ 图 １）
４ 不同设计参数对聚焦区的影响
此节 通 过 给 出 探 头 参 数 计 算 方 法 ， 研究了晶片 尺寸 、 ｒ ｏ ｏ ｆ角以及 晶 片 间 距 对 探 头 聚 焦 区 焦 点 深 度
（ ）试块示意图 ａ
以期助于探头的改进 和有效探测范围的 定 量 影 响 ， 和性能优化 。 ４． １ 参数设计计算 目前 ， 国内关于双晶纵波斜探头的参数计算尚 无统一方法 。 本文在参数设置及计算顺序上参考了 ］ 文献 ［ 的方法 。 公式的给出结合后续声束模拟计 １ ４ 。相关参数的 算需求进行了简化 ， 见式（ １） ９） ～式（ 定义参照图 ５。
第３ ６ 卷第 ４ 期 ２ ０ １ ２年８月
无 损 探 伤 Hale Waihona Puke Baidu Ｄ Ｔ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． ４ Ａ ｕ ｕ ｓ ｔ ． ２ ０ １ ２ ｇ
双晶纵波斜探头设计参数 对聚焦区声场特性定量影响分析 ＊
王敬钊 林 莉 李喜孟 （ ） 大连理工大学无损检测研究所 ， 辽宁大连 １ １ ６ ０ ２ ４ 摘 要： 基于对双晶纵波斜探头结构和聚焦区声场特性的分析 ， 给出了探头几何参数的计算公式 。 讨论 了探头晶片尺寸 、 ｒ ｏ ｏ ｆ角以及晶片间距对聚焦区焦点深度和有效检测范围 的 定 量 影 响 。 为 双 晶 纵 波 斜 探 头 选用和设计优化提供了参考 。 关键词 ： 双晶纵波斜探头 ； 聚焦区 ； 焦点深度 ； 有效检测范围 ； 定量 （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｇ １ １ ５． ２ ８ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ １ ４ ４ ２ ３ ２ ０ １ ２ ０ ４ ０ ５ ０ ４ － － － 给出了相应的计算公式 ， 并从定量角度讨 的相关性 ， 论了探头晶片尺寸 、 晶片横向倾角（ 以及晶 ｒ ｏ ｏ ｆ角 ） 片间距对聚焦区焦点深度和有效检测范围的影响 。
ｈ ＝ Ｅ１ ＋Ｏ Ｉ ｔ ａ ｎ ″＋Ｏ Ｆ ｔ ａ ｎ ′ σ β ｈ ｔ ａ ｎ σ ｃ ｏ ｓ ′ β （ ２ ｌ＝ ２ Ａ Ａ ′＋Ａ Ｏ ′） Ｈ ＝ ｈ＋ （ Ｌ －Ｏ Ｆ） ｔ ａ ｎ ｋ β Ａ Ｏ ′＝ Ｗ１ ＝ Ａ Ａ ′＋Ａ Ｏ ′＋Ｏ Ｆ
（ ） ４ （ ） ５ （ ） ６ （ ） ７ （ ） ８ （ ） ９
［
］
ｔ ａ ｎ ｋ β
８
无 损 探 伤
［ ］ ５， １ １ １ ２ － ［ ］ ４， ６ ８ － ［ ］ ４ １ ２ －
点以下聚焦区长度 明 显 大 于 焦 点 以 上 聚 焦 区 长 度 。 聚焦区内 ， 能量大 小 并 不 均 匀 ， 究 其 原 因， 主要是由 于平面波声场中声轴两侧声压变化规律遵从高斯声 同一大小缺陷位于不同深 压分布原则所致 。 因 此 ， 缺陷接收的入射声压不同 ， 接收能量的不同必 度时 ， 然导致反射波能 量 的 变 化 ， 如 图 １ 所 示。 反 射 能 量 最强的位置即是所谓的＂ 焦点＂ 位 置 Ｆ。Ｆ 点 处 探 测 灵敏度最高 ， 离 开 Ｆ 点 灵 敏 度 降 低 很 快， Ｆ 值的大
“ ） 十二五 ” 国防基础科研重点资助项目 （ Ａ ０ ２ ２ ０ １ １ ０ ０ ０ ４ ＊ 基金项目 ：
３ 实验研究
为了 对 聚 焦 区 声 场 特 性 有 更 深 入 的 了 解 ， 本文 以碳钢试块上同一 孔 径 、 不同深度的横孔为测试对 象， 分别测定了三个 不 同 焦 距 双 晶 纵 波 斜 探 头 的 距 离 － 波幅曲线 。
１ ９］ ， 由于声束的扩散性 ［ 菱形区域并不对称（ 图 ２） 焦
。 由于这类探头的结构特点 ， 其有效 检
测范围有限 。 为了得到合适的焦点深度及有 效检测 范围 ， 必须对探头的设计参数进行优化选择 。 与单晶 片 探 头 相 比， 由于双晶纵波斜探头涉及到的参数较 预测聚焦区内焦点深度和有效检测范围等声场特 多， 性是比较复杂的问题 。 若能给出不同参数对这些特 性影响的定量信息 ， 有利于探头的选取和优化 设计 。 文献表明 ， 国内对双晶纵波直探头的研究较多 主要包 括 其 在 薄 板 、 中厚板缺陷检测 厚