小直径棒材爬波检测新技术及相关理论探讨

　　1前言

　　小直径高温合金棒材的检测一直为人们所关注，直径为4——25 mm的紧固件用高温合金小棒材，质量要求高，不论其表面或内部都不允许有超标缺陷。由于传统的超声检测方法存在盲区，故对小直径棒材尤其是丝材的检侧通常采用涡流法，但涡流法只能检测表面和近表面缺陷，不能检测内部缺陷，而且此法对棒材的表面精度有很高的要求，无法对拔制法生产的高温合金棒材直接进行检测。为了同时检出小直径棒材的内部和近表面缺陷，本文从几何声学和波动声学的原理出发，分析了爬波的产生机理和特点，并据此分析了爬波用于小棒材探伤的可行性，介绍了试验参数和检测结果。

　　2 爬波的产生机理和特点

　　爬波也称为爬行纵波或头波。当纵波以第一临界角入射于界面时，在第二介质(必须是固体介质)中形成的一种非均匀波，此波在介质表面下以接近纵波的速度传播。

　　下面根据几何声学原理和Snell定律分析爬波的产生条件。根据Snell定律，当声波倾斜入射于两介质界面时，折射角随入射角的增大而增大，若第一介质中的纵波声速CIL与第二介质中的纵波声速CZL、横波声速cz:满足下述关系:

式中p1、p2分别为第一和第二介质的密度，表示倾斜入射时等效的垂直波阻抗，分别为纵波入射角、纵波折射角及横波折射角，如图1所示。有人计算过水/铝界面的玖L和DtL随入射角a的变化曲线图，如图2所示。由图可见，当产生突变，达到最大值，而D_tL趋于零，因此可以认为，透射进入第二介质的能量全部转变为爬波的能量，即当入近于纵波的速度传播，因此在其他条件相同时，其速度和波长都较大，故表面散射相对较弱，从而对表面粗糙度不敏感;(2)因爬波的最大幅度方向与表面成一定角度，此最大值并不是沿表面或平行于表面，故不能断言爬波就是折射角等于900的纵波。根据波动声学原理，射角等于第一临界角时，在第二介质中传播的为爬波.图2描绘的虽是水/铝界面的透射规律，但对满足(1)式的界面，其规律具有普遍性，即当入射角等于第一临界角时，折射纵波沿界面传播，且折射系数最大，而折律横波系数则趋于零。应当注意的是，图1中的压L和DtL是相应势函数之比，而不是声压之比，因此其系数可达百分之数百。

　　上述分析能解释爬波的某些现象，但不能解释为什么爬波对表面粗糙度不敏感，为什么能检测表面下一定深度的缺陷，且具有比表面高得多的灵敏度。对此，有人用波动声学的原理进行过分析[31。根据波动声学理论，爬波实际上是入射角等于第一临界角时折射纵波和折射横波的合成，此时质点的位移S可表示为: