超声检测中表面粗糙度引起的声衰减补偿

　　材料表面性质影响超声检测与评价的准确性和可靠性,因此声波与粗糙面之间的相互作用的研究日益受到关注^[1]。由于表面粗糙度导致超声耦合损耗,因此必须对声波进行表面补偿。一般测定表面损耗差的方法是:在表面耦合状态不同但其他条件(如材质、反射体、探头和仪器等)相同的工件和试块上测定两者回波或穿透波高的幅度差^[2]。该方法由于需要根据工件材质制作对比试块,操作起来费时费力,直接影响检测前仪器的快速调试。以下介绍一种用理论方法计算表面补偿。

　　1　公式推导

　　1.1　大平底回波声压公式

　　对于大平底反射体,当探测距离x≥3N(N为近场区长度)时,其回波声压P为[3]

　　式中　P^₀———探头波源的起始声压;

　　F^_S———探头波源面积;

　　λ———超声波在介质中传播的波长。

　　1.2　条件假设

　　利用接触法探伤时,一般要求工件表面粗糙度Ra≯6.3μm^[4](Ra为轮廓算术平均偏差,是指在取样长度l范围内,被测轮廓线上各点至基准线的距离的算术平均值^[5])。对Ra>6.3μm的工件,因工件会对探头有损伤,检测前必须对工件进行打磨。为便于问题探讨,作如下假设,即对厚度为3N的钢质工件,把涂覆耦合剂后的工件表面粗糙层看作特定的均匀介质(图1介质1),其厚度用R_^max表示(R_^max为轮廓最大高度,指在取样长度l范围内,轮廓峰顶线和谷底线之间的距离^[5])。把工件其余部分看作表面完全光滑的另一均匀介质(图1介质2),超声波垂直入射到两介质组成的界面时全透射。

　　1.3　推导过程

　　超声波在介质1和2中的传播过程如图2。

　　根据假设,粗糙层厚度x_¹(x_¹=R_^max)和工件厚度x_²(x_²= 3_^N)是定值,超声波在粗糙层和基体中传播的声压示意图见图3。

　　声波从介质1向介质2传播时,由于波源的起始声压P_⁰不变,传播介质发生改变,则可假设同一坐标系下超声波在介质2中的传播声压公式为:

　　式(2)中a为待定参数。

　　声波传播至A点时,A点距离、声压值同时满足在介质1和介质2中的传播公式,把x=x_¹,P_¹=P_⁰F_^S/λ_¹x_¹代入式(2)得a=(λ_¹-λ_²)x_¹,则声波在介质2中的声压公式为