超声近距离声场声压分布的研究

超声近距离声场声压分布的研究

1超声波探伤的应用随着现代工业的发展和社会的进步，压力容器的应用越来越受到重视。大量高质量、高参数的极限、矩形边界和交叉锅炉的出现对材料的质量也有了更高的要求。由断裂力学基本知识可知材料的近表面缺陷对结构材料的疲劳寿命有着明显的影响,裂纹由近表面应力集中部位发源、扩展的可能性也远远大于材料的内部。作为应用较为广泛的超声波探伤技术目前在实际操作中对于小于声束截面的近距离缺陷却一直沿用当量试块比较法来对缺陷进行定量,当量试块比较法虽然具有定量稳妥的优点,但是由于要制取一系列的试块使得造价很高,而且在现场操作过程中要携带大量的定量试块,很不方便。所以,对固体介质中超声波声场近距离声压分布状况进行研究并力图寻求新的定量方法就显得很有必要。2探伤的定量工作根据物理理论基础,在不考虑介质衰减的情况下,在液体介质中超声波近距离声场的主轴线上由于波的复杂干涉使得声压分布呈现一系列的极大值、极小值。这对探伤的近距离缺陷定量是不利的,因为处于声压较大处的较小缺陷会有较高的回波,而处于声压较小处的较大缺陷的回波也可能较低。这可能会引起缺陷的误判。给实际探伤的定量工作带来难题。但是,根据前人的研究表明,对于某一固定的探头,在固定的某一介质中,相对于探头固定的某一位置处的声压分布具有稳定性。因此,可以通过一定的试验装置来进行固体介质中的近距离声压分布规律研究。3试验结果和分析试验采用武汉汉威公司生产的HS510型数字超声波探伤仪。汕头超声仪器厂生产的2.5P20Z、5P14Z、10P14Z普通超声波直探头。采用普通黏度的机油为耦合剂。通过制取一系列的阶梯平底孔人工缺陷试块(如图1所示)以获得声程依次为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、孔径依次为Ø2mm、Ø3mm、Ø4mm、Ø6mm、Ø8mm、Ø10mm、Ø14mm的一系列人工缺陷,各组试块除缺陷孔径不同外,材质、尺寸均可以视为完全相同。试验过程中采用2kg压块以保证探头每次受力均匀并且尽可能使得外界条件相同。取50mm/Ø2mm缺陷为灵敏度,对各人工缺陷进行测量,试验结果分别如表1、表2、表3。将数据分别整理做距离——波幅曲线如图2、图3、图4所示。由图可见,固体介质近距离声压分布并没有明显的出现液体介质中理论声场的声压极大值极小值现象。分析原因如下。(1)理论近距离声场出现声压极大值极小值是由于波的复杂干涉造成的。推论的前提是假设波源为连续波,波源各点辐射的声波在声场的某点发生完全干涉现象。而实际声场是脉冲波,脉冲持续的时间很短,从而使声波在声场某点产生不完全干涉甚至不干涉。因此,实际超声波声场近场区声压变化并不象理论推倒的那么显著。(2)实际声场的波源是非均匀激发,波源的中心振幅较大,边缘振幅较小。由于波源的边缘引起的波程差较大,对干涉的影响也较大。因此,这种非均匀激发的实际波源产生的干涉要远远小于均匀激发的理想波源。(3)实际的声源是脉冲波,由傅立叶级数,脉冲波可以视为常数项和无限个n倍基频的正弦波、余弦波之和。即f(t)=a02+∑n=1∞[anf(t)=a02+∑n=1∞[ancosnωt+bnsinnωt]式中t—时间n—正整数,1、2、3……ω—圆频率a0,an,bn—常数因此,总声场实际上是各个不同频率脉冲波决定的不同声场的叠加。由主声束轴线上理论声压公式P=2P0sinπλ(R2S+x2−−−−−−−√−x)πλ(RS2+x2-x)可以知道不同频率的声源它们的极值点出现的位置各不相同,相互叠加后声场声压分布就趋于均匀。(4)理想声场是针对液体介质而言的,而本次试验对象是固体介质。液体介质中某点的压强是各向同性的,波源各点的声压可以线性叠加。而固体介质中,波源某点垂直于轴线的方向的声压分量相互抵消,轴线方向的分量相互叠加。显然,这种叠加干涉要小于液体介质中的理想声源干涉。(5)另外,由理论理想声源基本概念可以知道在声源近距离存在一段波束未扩散区,其理论长度为b≈D2S2.44λN=1.64b≈DS22.44λΝ=1.64N(N为理论近场区长度)。对于本次试验来说,探头2.5P20Z、5P14Z、10P14Z的未扩散区理论长度应该分别为69.14mm、68.10mm和136.20mm。都比最大测量声程50mm大。因此,可以认为声场在一定的程度上尚未扩散,对声场近距离声压分布也具有一定的影响。4波幅数据处理的多样化,满足实际应用需要试验结果表明,在固体介质中的超声波近距离声场声压分布和液体介质中推倒出的理想近距离声压分布存在明显的不同。实际固体介质中声压分布趋向平缓。而且,对某一固定探头的相对固定的某一声程处其声压具有稳定性。因此,在保持一定精度的前提下,根据声压分布特点利用合理的短程插值方法细化处理实测数据,再分析试验和实际工程操作中工作条件的不同,对特定的探头充分的考虑材质、温度、衰减、耦合等一系列的外界影响因素的校核及修正,数学处理的波幅数据和实际波幅数据之间的误差是可以控制在工程允许范围内的。因此,可以考虑通过利用一系列的常用工程探头,进行实际测量采集足够的数据,再进行科学数据处理,然后利用成熟的计算机数据库技术,建立多个不同的超声波探伤近距离缺陷定量子库,总体形成一个近距离定量专家系统。后继工作可以考虑结合电子技术对该定量专家系统进行智能仪表的集成,以完全实现定量的自动化。5超声波探伤近距离缺陷定量方法的可行性通过一系列的试验研究,初略的研究了固体介质中近距离声场声压的分布情况,并和