用于板材探伤的宽声束探头的研制

　　1　前言

　　在对锅炉、压力容器、桥梁和建筑等特殊用途的钢材进行超声波检验时,通常是依据《中厚钢板超声波检验方法》(GB/T 2970-91)和《压力容器无损检测》(JB 4730-94)等标准的要求来进行[1]。对用于板材探伤的TR探头性能在以下四个方面提出要求:振幅特性曲线、表面回波高度、检出灵敏度和有效波束宽度。

　　探伤时,TR探头的有效波束宽度直接影响到由最大允许缺陷单个长度确定的扫查间距,因而选择有效波束宽度大的探头将有利于提高探伤的检验效率[2]。针对这一问题,笔者研制了两种TR探头,经试验证明,这两种TR探头可明显增加探头的有效波束宽度。

　　1　TR探头的设计

　　1.1　TR探头的设计原理

　　通常板材探伤所使用的双晶直探头是由两个晶片组成的,一个晶片为发射晶片,另一个晶片为接收晶片[3]。用半波高度法测量探头的波束宽度时[4],有效波束宽度一般为晶片长度的60%左右。由于隔声层厚度、延迟块大小、探测区深度等因素对改变有效波束宽度并没有直接的关系,因此若想增加探头的有效波束宽度则只能通过增加晶片的尺寸来实现。为了达到不增加晶片尺寸而提高波束宽度的目的,笔者设计了A、B两个TR探头,经试验证明,通过该方法制作的探头,其有效波束宽度可以达到晶片长度的80%以上。其设计思路为:将普通双晶直探头中的一对晶片分割成均匀的三等分,即分成三对晶片,其中每一对晶片都可单独看作一个双晶直探头,然后三对晶片按照不同的方式进行排列。其结构分别如图1和图2所示。

　　在图1和图2中,TR探头A与TR探头B的所有尺寸均相同,晶片大小均为8 mm×5 mm。只是发射晶片与接收晶片位置不同而己。传统双晶直探头发射晶片上的每一点都可看作是以相同频率和相同位相振动的振源,因此探头的声场可认为是这些振源干涉的结果。从己有结论可知,在其他条件均相同的前提下,晶片的波束宽度将随晶片长度的增加而增加。在相同宽度和条件下,长度为8 mm晶片的最大回波高度和有效波束宽度要远小于长度为25 mm的晶片。

　　但由于TR探头A和TR探头B中不同发射晶片上的各个点均可被看作不同的声源,那么该探头的声场实际上是由三个发射晶片的非干涉影响而产生的,因此其波束宽度曲线为起伏不平的曲线。这时用半波高度法或6分贝法测量其波束宽度时,TR探头A和TR探头B的有效波束宽度反而要大于一个25 mm×5 mm晶片的有效波束宽度。此种情况下,不仅晶片的尺寸对探头的有效波束宽度有影响,发射晶片的间距对其也有直接影响。

　　1.2　TR探头的参数计算