可调入射角的超声波斜探头的设计

可调入射角的超声波斜探头的设计

鄂尔多斯市特种设备检验所

牛草丰

目录

引言 (1)

第一章可调入射角超声波斜探头设计原理 (2)

1超声波的性质 (2)

1.1良好的指向性 (2)

1.2超声波入射异质界面的透射、反射 (3)

第二章超声波探头 (6)

1压电效应 (6)

2超声波的产生和接收 (6)

3超声波探头 (6)

3.1超声波探头的概念 (6)

3.2超声波探头的种类 (6)

3.3可调入射角超声波斜探头 (7)

参考文献 (11)

引言

超声波检测是工业无损检测中应用最为广泛的一种方法，就无损检测而言，超声波适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，无论是钢铁、有色金属和非金属．都可以采用超声波法进行检验各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力容器等，都可以采用超声波进行有效的检测。有的采用手动方式，有的可采用自动化方式。就物理性能检测而言，用超声波可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等。

伴随着电子计算机的普及和应用，超声检测仪器和检测方法都得到了迅速的发展，使超声检测的应用更为普及。目前，电子计算机在超声检测中已能完成数据采集、信息处理、过程控制和记录存储等多种功能。许多超声检测仪器都把微型电子计算机作为一个部件而组装在一起，去执行处理数据和图像的任务。一些全电脑对话式超声波探伤仪，可在屏幕上同时显示回波曲线和检测数据，存储仪器调整状态．缺陷波形和各种操作功能；用打印机输出可供永久配录的各种数据和图形资料，并直接出计算机编制测试报告。

超声检测是无损检测领域中应用和研究最活跃的方法之一。比如，用声速测定法评估灰铸铁的强度和石墨含量。超声衰减和阻抗测定法确定材料的性能，用超声波衍射和临界角反射法检测材料的机械性能和表层深度，用棱边波法、表面波法和聚焦探头法对缺陷定量的研究，用超声显像法和超声频谱分析法的进展和应用。用多频探头法对奥氏体不锈钢原焊缝的检测．用超声测定材料的内应力的研究。特殊波型如用管波模式检测管材的研究，采用自适应网络对不同类型缺陷的波形特征进行识别和分类，噪声信号超声检测法，超高频超声检测法，宽频窄脉冲超声检测法，以及新型声源的研究例如用激光来激发和接收超声的方法和各种新型超声检测仪器的研究等，都是比较典型和集中的研究方向[1]。

第一章可调入射角超声波斜探头设计原理

1超声波的性质

1.1良好的指向性

所谓超声波具良好的指向性，有以下二个含义：

(1)直线性超声波的波长很短(毫米数量级)，因此它在弹性介质中能像光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固定介质来讲是个常数，因此根据传播时间就能求得其传播距离，从而为探伤中缺陷定位提供了依据。

(2)束射性声源发出的超声波能集中在一定区域(称为超声场)定向辐射。今以圆形压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场(图1-1)为例进行讨论声场可视为理想声场。分析表明：

1)超声波的能量主要集中在20以内的锥形区城内(图1-1a)。θ越小，波束的指向性越好，超声波能量集中，探伤灵故度高，分辨力高和定位精确。公式1：θ=arcsin1.22λ

D

θ：半扩散角

λ：波长

D：压电晶片直径

公式1表明。波长越短(或超声频

率越高)，压电晶片直径（声源尺

寸)越大，则声束指向性越好。

2)近场区中由于波的干涉声

压起伏很大(图1-1b)，这会使处

于声压极大值处的较小缺陷回波

较高，而处于声压极小值处的较

大缺陷却回波较低，这必将引起

误判。因此，超声波探伤中总是

尽量避免在近场区定量。

公式2：

N≈D2

4λ

N：近场区长度

3)因声场中不同纵截面上的

声压分布是不同的(图1-1c)，而

当X≥N(X——距压电晶片表面的

距离)的各纵截面中心声压最高，

偏离中心轴线的声压逐渐降低。图1-1 圆盘源超声场

实际探伤中测定探头波束轴线的偏离程度时，规定在N以外就是这个原因。

4)末扩散区(图1-1a中，b≈1.64N)内，波阵面近似平面，声场可看成是平面波声场，平均声压基本不变；扩散区其主波束可视为底面直径为D的截头圆锥体，当X ≥3N时，波束按球面波规律扩散。

应该指出，实际焊缝探伤中所用的常是金属介质中的脉冲被横波声场（简称实际声场)，这要比以上分析的理想声场复杂的多，但二者有其基本相似之处。

超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播。

超声波通过介质时，以介质质点的振动方向与波的传播方向间相互关系的不同，可分为纵波、横波、表面波和板波等。

应该注意，由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型。因此，对金属(焊缝)进行探伤时必须选定所需超声波类型(通常选择横波)，否则，会使回波信号发生混乱和得不到正确的探伤结果。同时，探伤中通常把空气介质亦作为真空处理，即认为超声波不能通过空气进行传播[2]。

1.2超声波入射异质界面的透射、反射

超声波从一种介质入射到另一种介质时，经过异质界面将产生以下几种情况： 1.垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射当超声波从一种介质垂直人射到第二种介质上时，其能量一部分反射而形成与入射波方向相反的反射波，其余能量则透过界面产生一与入射波方向相问的透射波(图1-2)。超声波反射能量W反与超声波入

图1-2 超声波垂直入射异质界面图1-3 超声波的绕射现象

射能量W入之比称之为超声波能量反射系数，即K＝W反／W入。

显然，异质界面上的反射是很严重的，尤其固-气界面K≈100％，因此，探伤中良好的耦合是必要条件。当然，焊缝与其中缺陷构成的异质界面也正因为有极大的反射才使探伤成为可能。同时，反射系数K值仅决定于二介质声阻抗Z之差，且差值越大，则K值越大，而与何者为第一介质无关。当界面尺寸d f很小时，声波将能绕过其边缘继续前进，即产生波的绕射(图1-3)。由于绕射使反射回波减弱，—般认为超声波探伤中能探测到的最小缺陷尺寸为d f=λ／2，这是一个重要原因。显然，要想能