临界折射纵波探头声束特性的边界元分析与测量

    1 引  言

    临界折射纵波(critically refracted longitudinalwave,简称LCR波)是纵波从介质I以第一临界角入射到介质界面时在介质II中产生的特殊模式纵波,对表面粗糙度不敏感,被广泛应用于无损测量无缝钢轨中的纵向温度应力及无损测量冷轧钢板、金属板焊缝和一些机械零部件表面和近表面的切向残余应力[1-2]。与传统的采用超声纵波和横波方法测量材料应力相比,LCR波方法更适合于测量材料表面或近表面的切向应力。这是由于各向同性固体材料承受单轴应力时,与应力方向一致传播的纵波对应力变化的灵敏度大于同条件下的其他波型,因此该超声应力测量方法具有灵敏度高、受材料组织结构效应影响小的突出特点[3]。

    近年来,随着生产和工程应用的需求,将LCR波方法应用于中厚冷轧钢板、锻件、厚壁压力容器焊缝等材料与构件的近表面和内部切向残余应力的测量受到极大关注[4-7]。Don E、Baev等人对此进行了深入研究,指出随着被检测材料厚度的增大,应力分布更趋复杂,呈现出明显的非单轴向性,采用LCR波测量厚板材料或构件的表面或内部切向残余应力,需要改进探头设计和探头布放方式,如采用旋转式结构探头、斜线布设接收探头以控制探头声束指向,从而满足复杂条件下的应力测量[6-7]。

    超声LCR波的应用很多,但有关其传播特性的理论分析和计算很少。Basatskaya和Ermolov首先采用弹性动力学势函数法分析了在连续波激励下,半无限固体介质(各向同性理想弹性体)中超声LCR波的声场特性[8]。Langnberg的工作更进一步,他采用弹性动力学有限积分法计算了平面波线声源激励下有限尺寸固体中的LCR波传播机理、传播特性和能量分布[9]。本文主要研究LCR波在IIW试块中的传播特性和声束指向特性并进行实验测量。考虑到边界条件的复杂性,本研究采用边界元方法对脉冲波激励下的LCR波的传播特性和声束指向特性进行数值分析,并进行了实验测量[10]。边界元数值分析声束特性分析表明,通过适当选择探头晶片工作频率、晶片尺寸大小和探头楔块倾角,可以调整声束指向,这对于设计用于厚板材料内部切向残余应力测量的旋转式LCR波探头和研究应力测量方法具有指导意义。

    2 超声LCR波的激发与传播

    根据超声波的传播性质,当超声波从一种介质传播到另一种介质时,会发生反射和折射现象。倾斜入射时,会伴随波型转变。如图1所示,由压电晶片产生的纵波从介质I(有机玻璃)斜入射到被检测材料介质II(钢)中,在介质II中产生纵波和横波,并满足Snell反射折射定律[11]:

    式中:cL1为介质I中的纵波声速,cL2、cs2为介质II中的纵波和横波声速。当满足cL1