双晶斜探头的设计计算

　　1　双晶斜探头的应用

　　双晶直探头与普通直探头相比有两个重要的优点,第一是盲区小,第二是当工件表面有曲率而探头表面是平面时,例如用硬保护膜直探头检验直径150mm以下的圆棒时,液体耦合介质往往引起很强的杂波,而使用双晶直探头基本上不出现这种杂波。

　　因此双晶直探头广泛用于测厚、中小直径圆棒探伤、板材探伤、包覆层厚度和包覆层贴紧度测量等。双晶斜探头使用的数量比双晶直探头少,但是对某些特殊工件或结构,使用双晶斜探头探伤与使用普通斜探头相比,效果有很大的改善,因此也是一个不可替代的超声探头品种[1]。

　　(1)直径100mm以下管道的纵向缺陷原位探伤,如果使用普通斜探头,界面波以及跟随其后的底波序列严重影响伤回波的识别、判断和报警。图1是使用普通斜探头检验小直径管时产生界面波的示意图,p是探头的压电陶瓷片,p和被检管材之间是有机玻璃楔块,a和b是声束的边缘,c是声束中心线,d是入射声束中产生界面回波的部分。双晶斜探头由于隔声层的隔离作用,界面回波不能到达接收晶片,从而消除了它的影响。

　　(2)奥氏体不锈钢焊缝探伤是发电厂尤其是核电厂检修时的重要检测项目,由于焊缝的粗大柱状晶产生很强的"草状回波",严重降低了探伤灵敏度,虽然采取多种方法,如电磁超声法控制横波偏振方向,信号处理法在噪声背景中提取信号,波的振动模态转换法等,但是收效不大。目前工程上广泛采用的方法是双晶纵波斜探头法。表1是用于80mm厚的不锈钢焊缝探伤的一组双晶纵波斜探头数据[2]。

　　(3)上世纪七十年代,我国电力部门对小口径薄壁管对接环焊缝探伤进行了广泛的研究。其结论是:对于管径30mm~70mm壁厚3.5mm~11mm的钢管对接焊缝,使用双晶横波斜探头探伤效果较好。据作者所知,目前国内仍然广泛使用该方法。

　　2　双晶斜探头焦点位置计算公式的推导

　　双晶探头最重要的性能参数是焦距,即焦点位置。常用的双晶斜探头的结构如图2所示,T代表发射晶片,R代表接收晶片,发射与接收两部分是对称的,隔声层位于对称面上。前后倾斜角α等于直线fa与kd之间的夹角;左右倾斜角β等于直线ab与dc之间的夹角;发射与接收晶片中心之间的距离2S;发射与接收晶片中心到探头底面的距离H。在图3中,α=∠BTC,β=∠ATB,H=TC, S=BG。TC是发射晶片中心到探头底面的距离,TD代表发射晶片沿直线fa方向(图2)的中心线,TB代表β=0时的入射声束中心线,TA代表β≠0时的入射声束中心线。由此可知,β=0时,入射声束中心线和

　　折射声束中心线在BTD平面内;β≠0时,入射声束中心线和折射声束中心线在ATE平面内。以双晶斜探头接收与发射两部分的分割面(即隔声层所在平面)为对称面,在探头的接收部分与ATE相对称的平面记作A1RE1。由于接收与发射两部分对称,所以双晶斜探头的焦点必然位于ATE和A1RE1两个平面的交线上。由图3得: