超声爬波探头声场指向特性的试验研究

    爬波检测技术是常规超声检测技术的有力补充,如角焊缝或镀层下近表面裂纹的检测[1]、粗晶挤压管的无盲区检测[2]等。为更好地应用和发展爬波检测技术,有必要对爬波探头的声场指向特性进行研究。

    爬波又称为表面下纵波,入射角等于第一临界角(有机玻璃内)的探头可在钢中产生爬波,该探头被称为爬波探头。目前广泛采用的是双晶片并列式爬波探头。由图1所示爬波探头声场示意图可见,爬波探头所激发的声场具有多波型的特征,在产生爬波的同时还产生了33°左右的横波和头波。在探头固定不动的条件下,爬波和横波是从入射点附近向外辐射的;而头波是为满足自由边界条件,纵波沿表面传播的过程中不断辐射出的横波[2]。也就是说,在探头固定不动的条件下,头波的辐射点是不固定的,是在爬波传播过程中不断从爬波所在点向外辐射的。图2为爬波探头所激发爬波的声场指向性[3]。从图2可见,在测量条件(空气/钢界面,频率f=1.8 MHz,晶片直径D=18 mm,发射角α=27·5°)下,主纵波(爬波主瓣)的折射角约为75°。但在爬波探头产生横波和头波的相对强度方面,只知道所产生的头波有相当的强度[3],其它所知较少。因此,为较全面了解爬波探头的声场特性,笔者结合已有的爬波探头的理论知识,选用和制作了包含几种规则声压反射体的对比试块,对双晶片并列式爬波探头的声场指向特性进行试验测试。

1　试验条件

    选用2.5P7×20双晶片并列式爬波探头和USM222L型超声波探伤仪,耦合剂选用机油。

2　试验过程和结果

2.1　爬波指向特性的测量

2.1.1　试验方法

在CSK2ⅠA试块上,将探头放置在图3所示位置,选用2.5P8直探头作为接收器,将接收到的回波信号调至满屏高度的80%,记录仪器的增益值为x。

2.1.2　试验结果

    根据测试结果绘制出爬波指向特性(图4中的爬波部分)。

2.2　横波指向特性的测量

2.2.1　试验方法

图5　横波与爬波的强度测量方法

    探头在图5a所示位置前后移动,寻找4 mm横孔的最高反射回波,将接收到的回波信号调至满屏高度的80%,记录仪器的增益值x1。为比较爬波与横波的相对强度,将探头按照图5b中位置放置探头,使得爬波主瓣及横波与4 mm横孔的声程相等,将接收到的4 mm横孔回波信号调至满屏高度的80%,记录仪器的增益值y1。为测量横波的分布角,探头在图5a所示位置前后移动,使其横波声束与法线夹角分别为35.4°,33.2°,31.6°,30°,28.3°和26.6°,将各自横孔回波的高度调至满屏高度的80%并记录增益值。