材料损伤的超声导波无损检测

　　0　引　言

　　材料的损伤总是伴随某种结构上的不连续,从而引起超声波的反射、散射现象。从1929年Sokolov首先提出用超声波探测金属物体内部缺陷开始,由于超声波的穿透能力强、对人体无害等特点,超声无损检测已成为一种发展历史较长的检测材料性能的技术手段,并在工程实际中得到广泛的应用。

　　目前常用的超声无损检测常使用纵波或横波进行探伤,当超声波遇到缺陷或构件的边界时即产生回波,人们通过回波与发射波的时间间隔判断不连续性的存在及其位置。采用这种方式进行超声波探伤时需要对被测件逐点扫描,由此获得被测件的超声探伤图像,但此方法存在耗时的缺点。

　　近来国外对长距离超声快速检测的研究愈来愈重视,涉及的检测对象有管道、平板及其他大型构件。这种长距离超声传播模式应视为导波传播方式。相对于传统的超声波检测技术,超声导波具有传播距离远、速度快的特点。此外,对于具有覆盖层的材料,利用超声导波检测时仅需去除很少部分的覆盖层。

　　经过最近若干年的努力,力学、声学和材料学领域的科学家和工程师们在超声导波的无损检测领域取得了一些进展。随着理论研究的深入,产生了很多有关导波的新技术,促使其应用于更广泛的领域。本文将对超声导波的理论及其应用领域研究进展进行介绍,并综述该技术在电厂的应用。

　　1　超声导波理论

　　在固体材料中通常存在两种基本的波型,即纵波与横波。当超声传播介质被局限在板状、棒状或管状的边界内,边界对超声波产生反复不断的反射,这样就能形成看似新的超声波类型———导波。图1中显示了传统超声波检测与导波检测的区别,并显示了导波的形成机理。

　　根据波导的结构,可以将导波分为板波、杆波和管中波等,其中板波又分为SH波、SV波、兰姆波(lamb)等,兰姆波又分为对称模态导波和反对称模态导波;根据Silk和Bainton的命名理论,圆柱体中的导波又可以分为: (1)轴对称纵向模式L (0, m), (m=1,2,3,…); (2)轴对称扭转模式T (0, m), (m=1,2,3,…); (3)非轴对称弯曲模式F (n, m), (n,m=1,2,3,…)。各模式中整数m是计数变量,反映该模式在管壁厚方向上的振动形态;整数n反映该模式绕管壁螺旋式传播形态。波导材料中可能存在的超声导波传播模态,可以利用固体力学的知识进行求解。由弹性力学中的下列公式:

　　6个独立本构方程(各向同性材料)。

　　如果在上面3个方程中消去应力和应变项,可得各向同性弹性固体介质的Navier运动方程:

　　考虑边界条件,通过求解波动方程能得到波导中可能存在的传播模态,即频散曲线。图2所示即为某一尺寸圆管中的频散曲线。