可调入射角的超声波斜探头的设计

可调入射角的超声波斜探头的设计鄂尔多斯市特种设备检验所牛草丰目录引言··································································1第一章可调入射角超声波斜探头设计原理·································21超声波的性质·······················································21.1良好的指向性····················································21.2超声波入射异质界面的透射、反射··································3第二章超声波探头·····················································61压电效应···························································62超声波的产生和接收·················································63超声波探头·························································63.1超声波探头的概念·················································63.2超声波探头的种类·················································63.3可调入射角超声波斜探头···········································7参考文献·····························································11引言超声波检测是工业无损检测中应用最为广泛的一种方法，就无损检测而言，超声波适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，无论是钢铁、有色金属和非金属．都可以采用超声波法进行检验各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力容器等，都可以采用超声波进行有效的检测。有的采用手动方式，有的可采用自动化方式。就物理性能检测而言，用超声波可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等。伴随着电子计算机的普及和应用，超声检测仪器和检测方法都得到了迅速的发展，使超声检测的应用更为普及。目前，电子计算机在超声检测中已能完成数据采集、信息处理、过程控制和记录存储等多种功能。许多超声检测仪器都把微型电子计算机作为一个部件而组装在一起，去执行处理数据和图像的任务。一些全电脑对话式超声波探伤仪，可在屏幕上同时显示回波曲线和检测数据，存储仪器调整状态．缺陷波形和各种操作功能；用打印机输出可供永久配录的各种数据和图形资料，并直接出计算机编制测试报告。超声检测是无损检测领域中应用和研究最活跃的方法之一。比如，用声速测定法评估灰铸铁的强度和石墨含量。超声衰减和阻抗测定法确定材料的性能，用超声波衍射和临界角反射法检测材料的机械性能和表层深度，用棱边波法、表面波法和聚焦探头法对缺陷定量的研究，用超声显像法和超声频谱分析法的进展和应用。用多频探头法对奥氏体不锈钢原焊缝的检测．用超声测定材料的内应力的研究。特殊波型如用管波模式检测管材的研究，采用自适应网络对不同类型缺陷的波形特征进行识别和分类，噪声信号超声检测法，超高频超声检测法，宽频窄脉冲超声检测法，以及新型声源的研究例如用激光来激发和接收超声的方法和各种新型超声检测仪器的研究等，都是比较典型和集中的研究方向[1]。第一章可调入射角超声波斜探头设计原理1超声波的性质1.1良好的指向性所谓超声波具良好的指向性，有以下二个含义：(1)直线性超声波的波长很短(毫米数量级)，因此它在弹性介质中能像光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固定介质来讲是个常数，因此根据传播时间就能求得其传播距离，从而为探伤中缺陷定位提供了依据。(2)束射性声源发出的超声波能集中在一定区域(称为超声场)定向辐射。今以圆形压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场(图1-1)为例进行讨论声场可视为理想声场。分析表明：1)超声波的能量主要集中在20以内的锥形区城内(图1-1a)。θ越小，波束的指向性越好，超声波能量集中，探伤灵故度高，分辨力高和定位精确。公式1：θ=arcsin1.22λDθ：半扩散角λ：波长D：压电晶片直径公式1表明。波长越短(或超声频率越高)，压电晶片直径（声源尺寸)越大，则声束指向性越好。2)近场区中由于波的干涉声压起伏很大(图1-1b)，这会使处于声压极大值处的较小缺陷回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷却回波较低，这必将引起误判。因此，超声波探伤中总是尽量避免在近场区定量。公式2：N≈D24λN：近场区长度3)因声场中不同纵截面上的声压分布是不同的(图1-1c)，而当X≥N(X——距压电晶片表面的距离)的各纵截面中心声压最高，偏离中心轴线的声压逐渐降低。图1-1圆盘源超声场实际探伤中测定探头波束轴线的偏离程度时，规定在N以外就是这个原因。4)末扩散区(图1-1a中，b≈1.64N)内，波阵面近似平面，声场可看成是平面波声场，平均声压基本不变；扩散区其主波束可视为底面直径为D的截头圆锥体，当X≥3N时，波束按球面波规律扩散。应该指出，实际焊缝探伤中所用的常是金属介质中的脉冲被横波声场（简称实际声场)，这要比以上分析的理想声场复杂的多，但二者有其基本相似之处。超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播。超声波通过介质时，以介质质点的振动方向与波的传播方向间相互关系的不同，可分为纵波、横波、表面波和板波等。应该注意，由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型。因此，对金属(焊缝)进行探伤时必须选定所需超声波类型(通常选择横波)，否则，会使回波信号发生混乱和得不到正确的探伤结果。同时，探伤中通常把空气介质亦作为真空处理，即认为超声波不能通过空气进行传播[2]。1.2超声波入射异质界面的透射、反射超声波从一种介质入射到另一种介质时，经过异质界面将产生以下几种情况：1.垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射当超声波从一种介质垂直人射到第二种介质上时，其能量一部分反射而形成与入射波方向相反的反射波，其余能量则透过界面产生一与入射波方向相问的透射波(图1-2)。超声波反射能量W反与超声波入射能量W入之比称之为超声波能量反射系数，即K＝W反／W入。显然，异质界面上的反射是很严重的，尤其固-气界面K≈100％，因此，探伤中良好的耦合是必要条件。当然，焊缝与其中缺陷构成的异质界面也正因为有极大的反射才使探伤成为可能。同时，反射系数K值仅决定于二介质声阻抗Z之差，且差值越大，则K值越大，而与何者为第一介质无关。当界面尺寸df很小时，声波将能绕过其边缘继续前进，即产生波的绕射(图1-3)。由于绕射使反射回波减弱，—般认为超声波探伤中能探测到的最小缺陷尺寸为df=λ／2，这是一个重要原因。显然，要想能图1-2超声波垂直入射异质界面图1-3超声波的绕射现象探测到更小的缺陷，就必须要提高超声波的频率。2.倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦，若超声波由一种介质倾斜入射到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的反射和折射，并产生波型转换(图1-4)。按几何光学原理，不同波型的声波入射角、反射角、折射角的关系如公式3：sinαcl=sinαlcl1=sinαscs1=sinγlcl2=sinγscs2Cl、Cl1：介质1的纵波声速Cs1：介质1的横波声速Cl2：介质2的纵波声速Cs2：介质2的横波声速α：声波入射角αl：纵波反射角αs：横波反射角γl：纵波折射角γs：横波折射角从公式3知，当入射角增大时，折射角和反射角随之增大。从（图1-4）知，当纵波折射角为900时，在第1介质内只传播横波，这时的声波入射角称第一临界角；当横波折射角为900时，在第1介质和第2介质的界面上产生表面波的传播，这时的声波入射角称第二临界角。在进行焊缝超声波探伤时，第1介质为探头的有机玻璃或环氧树脂，第2介质为钢材，则按公式4计算临界角：第一临界角α1m=arcsin(cl1cl2⁄sinγl)Cl1：介质1的纵波声速Cl2：介质2的纵波声速γl：纵波折射角第二临界角α2m=arcsin(cl1cs2⁄sinγs)Cl1：介质1的纵波声速Cs2：介质2的横波声速γs：纵波折射角1)当α＜α1m时，策2介质中既存在折射纵波又存在折射横波，这种情况在探伤中不采用。2)当α＝αlm～α2m时，第2介质中只存在折射横波。这是常用的斜探头的设计图1-4超声波纵波入射时的反射与折射原理和依据，也是横波探伤的基本条件。3)当α＞α2m时，第2介质中既无折射纵波又无折射核波，但这时在第2介质表面形成表面波，这是常用表面波探头的设计原理和依据。因为超声波进入介质后有产生折射的性质，所以如同光线一体可利用透镜产生聚焦性能。聚焦所用声透镜可用液体、金属、有机玻璃和环氧树脂等材料制作。通常做成点聚焦(球凹面)和线聚焦(柱凹面)声透镜。同理，对于曲面工件的探伤由于曲面的凹向亦将产生聚焦和发散的问题，对探伤产生影响[2]。第二章超声波探头1压电效应某些晶体材料或多晶材料在应力作用下而产生变形时，在晶体的界面上出现电荷的现象叫正压电效应。而在电场的作用下，晶体发生弹性形变的现象，称为逆压电效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。能够产生压电效应的材料称为压电材料。超声波检测中用来制作超声波探头的材料主要有：石英（SiO2）、硫酸锂（LiSO4）、碘酸锂（LiIO3）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、锆钛酸铅(PZT)等[1]。2超声波的产生和接收超声波检测是通过探头产生和接收超声波，探头的核心元件是薄片状压电晶体，通常称为压电晶片。探伤仪发射电路产生的高频电脉冲加于探头时，激励压电晶片发生高频振动，产生超声波。相反，当超声波传至探头而使晶片发生高频振动时，晶片便产生高频电振荡，送至探伤仪放大电路，经放大和检波，在示波管上显示出波形，这就是超声波的产生和接收过程。可以看出，探头是利用压电晶片的逆压电效应产生超声波，同时利用压电晶片的正压电效应接收超声波的[2]。3超声波探头3.1超声波探头的概念超声波探头是电一声换能器。超声波检测中，超声波的产生和接收过程是一种能量转换过程，这种转换是通过探头实现的，探头的作用就是将电能转换为超声能(产生超声波)和将超声能转换为电能(接收超声波)。将能量从—种形式转换为另一种电声能量转换器件。因此探头也称为超声换能器或电声换能器[1]。3.2超声波探头的种类(1)直探头声束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头，可发射和接收纵波。典型结构参见图2-1。(2)斜探头利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头，典型结构见图2-2。图中斜楔块用有机玻璃制作，它与工件组成固定倾角的异质界面，使压电晶片发射的纵波通过波型转换，以折射横波在工件中传播。其它组成部分的材料和作用同直探头的相应部分。通常横波斜探头以钢中折射图2-1直探头结构1接头2外壳3阻尼块4电缆线5压电晶片6保护块角标称：γ＝40。、45。、50。、60。、70。；有时也以折射角的正切值标称：K＝tgγ＝1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。(3)水浸聚焦探头基本结构见图2-3。声透镜由环氧树脂浇铸成球形或圆柱形凹透镜，遵循折射定律可使声束会聚到一点或一条线，前者称点聚焦探头，后者称线聚焦探头。由于声束会聚区能且集中，声束尺寸小，因而可提高灵敏度和分辨力。(4)双晶探头双晶探头又称分割式TR探头，内含二个压电晶片，分别为发射、接收晶片，中间用川隔声层隔开。主要用于近表面探伤和测厚[2]。3.3可调入射角超声波斜探头可调入射角超声波探头主要是由一个直探头，滑道和一个箱体组成。直探