双晶纵波斜探头设计参数对聚焦区声场特性定量影响分析

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1、第３６卷第４期无损探伤Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．４２０１２年８月ＮＤＴＡｕｇｕｓｔ．２０１２双晶纵波斜探头设计参数对聚焦区声场特性定量影响分析＊王敬钊林莉李喜孟（大连理工大学无损检测研究所，辽宁大连１１６０２４）摘要：基于对双晶纵波斜探头结构和聚焦区声场特性的分析，给出了探头几何参数的计算公式。讨论了探头晶片尺寸、ｒｏｏｆ角以及晶片间距对聚焦区焦点深度和有效检测范围的定量影响。为双晶纵波斜探头选用和设计优化提供了参考。关键词：双晶纵波斜探头；聚焦区；焦点深度；有效检测范围；定量中图分类号：ＴＧ１１５．２８文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－４４２３（２０１２）０４－０５－０４的相

2、关性，给出了相应的计算公式，并从定量角度讨１引言论了探头晶片尺寸、晶片横向倾角（ｒｏｏｆ角）以及晶双晶纵波斜探头两个晶片的屋顶角（ｒｏｏｆ角）造片间距对聚焦区焦点深度和有效检测范围的影响。成超声波束的相交，在交叉区（聚焦区）产生一种伪聚２理论分析焦效应，而且一发一收的结构可以提高信噪比，为此能较好地运用于粗晶奥氏体不锈钢等强衰减材料的双晶纵波斜探头聚焦区的形状为菱形（图１），［１－３］［１９］超声检测。由于这类探头的结构特点，其有效检由于声束的扩散性菱形区域并不对称（图２），焦测范围有限。为了得到合适的焦点深度及有效检测点以下聚焦区长度明显大于焦点以上聚焦区长度。范围，

3、必须对探头的设计参数进行优化选择。与单晶聚焦区内，能量大小并不均匀，究其原因，主要是由片探头相比，由于双晶纵波斜探头涉及到的参数较于平面波声场中声轴两侧声压变化规律遵从高斯声多，预测聚焦区内焦点深度和有效检测范围等声场特压分布原则所致。因此，同一大小缺陷位于不同深性是比较复杂的问题。若能给出不同参数对这些特度时，缺陷接收的入射声压不同，接收能量的不同必性影响的定量信息，有利于探头的选取和优化设计。然导致反射波能量的变化，如图１所示。反射能量［４－１２］文献表明，国内对双晶纵波直探头的研究较多，最强的位置即是所谓的"焦点"位置Ｆ。Ｆ点处探测［４，６－８］主要包括其在薄板、

4、中厚板缺陷检测，超声测灵敏度最高，离开Ｆ点灵敏度降低很快，Ｆ值的大厚［５，１１－１２］中的应用以及针对不同需求的探头设计和制［１３］小对探伤范围有很大影响。通常双晶探头按焦［８，１０，１３］作等。对双晶纵波斜探头的研究相对较少，主点两端声压降低６ｄＢ的位置确定为该探头的探测要集中于粗晶奥氏体不锈钢检测、不同聚焦深度探头范围，所以探测范围不等同于聚焦区。因此，聚焦区［１４－１８］的参数设计方法和制作等。如文献［１４］给出了内声压大小与探测深度的关系也应制作相应的距离聚焦深度达１２０ｍｍ的探头设计方法，文献［１８］等推波幅曲线，以便于实际检测中对缺陷的定量和定位。［１６］导

5、了焦距计算公式，任翀等人主要研究了探头的３实验研究具体制作工艺。虽然目前国内对双晶纵波斜探头设计参数及制作工艺有所研究，但对于不同参数对聚焦为了对聚焦区声场特性有更深入的了解，本文区的定量影响分析尚不多见。以碳钢试块上同一孔径、不同深度的横孔为测试对本文在对双晶纵波斜探头的结构、聚焦区声场象，分别测定了三个不同焦距双晶纵波斜探头的距特性进行分析的基础上，阐明了探头几何参数之间离－波幅曲线。＊基金项目：“十二五”国防基础科研重点资助项目（Ａ０２２０１１０００４）６无损探伤第３６卷测范围分别为１２～５６、１１．５～４７和２．５～２７。聚焦区的声压变化规律为：焦点以下探测深度

6、小于焦点以上探测深度，且随着焦点深度的降低，有效探测范围逐渐减小。图１聚焦区入射声压分布示意图图４双晶纵波斜探头距离－波幅特性曲线［２］图２双晶纵波斜探头声束交区示意图综上分析知，双晶纵波斜探头的聚焦区声场具３．１实验装置有如下特点：本实验装置包括ＣＴＳ－３２探伤仪、ＤＰＯ４０３２（１）由于声束的扩散性，声束聚焦菱形区不对示波器、碳钢试块（分布横孔：孔径２ｍｍ，深度间距称，焦点以下焦区长度明显大于焦点以上焦区长度５ｍｍ）一块、双晶纵波斜探头三个，分别编号为１、２、范围。随着焦点深度的增加，聚焦区内有效探测范３，探头频率均为２ＭＨｚ，折射角分别为４５°、４５°、围增加。

7、６０°，焦距分别为６０ｍｍ、４０ｍｍ、２０ｍｍ。试块示意图（２）鉴于平面波声场中声轴两侧声压变化规律和探头实物照片如图３所示。遵从高斯声压分布原则，同一大小缺陷位于不同深度时，反射声压不同。４不同设计参数对聚焦区的影响此节通过给出探头参数计算方法，研究了晶片尺寸、ｒｏｏｆ角以及晶片间距对探头聚焦区焦点深度和有效探测范围的定量影响，以期助于探头的改进（ａ）试块示意图和性能优化。４．１参数设计计算目前，国内关于双晶纵波斜探头的参数计算尚无统一方法。本文在参数设置及计算顺序上参考了文献［１４］的方法。公式的给出结合后续声束模拟计算需求进行了简化