小径管对接焊缝的人工反射体回波噪声的几何光学推导

小径管对接焊缝的人工反射体回波噪声的几何光学推导

为了应用剂量法测量路径管的焊接，必须从理论和实践两个方面对人工回波量的规律进行验证。本文针对单晶片直探头,应用几何光学理论,近似地计算了一倍近场长度以外受管子表面曲率影响的长横孔、球孔的距离-波幅曲线,并进行了实验验证,得到了一些有益的启示。1理论概念和结果1.1缺陷入射声压的影响壁厚小,反射体就往往处在三倍、两倍,甚至一倍近场长度以内。此外,超声波经柱面折射后才能进入工件。用二次波探伤时,声波还要再被内表面(柱面)反射一次;用三次波探伤时,声波还要再被外表面(柱面)反射一次才投射到缺陷上,而经缺陷反射后,还要再经工件上下表面反射后才能回到探头,形成回波声压。这是较为复杂的立体问题,我们的做法是:(1)把问题分在两个互相垂直的平面内考虑,一是与管轴线垂直的平面,另一个是含管轴线的平面。取两平面内计算的几何平均值为总回波声压。(2)根据惠根斯原理,在圆盘源发射声场轴线上超声波的波前可看作平面。(3)在声束轴线上、一倍近场长度以外,声波的反射与折射可用几何光学的定律计算。(4)我们假定,当超声波未被界面作用时,用经典公式P=2P0sin{π/λ[(D2/4+S2)1/2-S]}计算轴线上入射声压。被反射体或管内外表面作用后,声压的变化可根据作用前后声束直径的变化计算。1.2计算机优化后的推导过程按照上述思路,只需应用初等数学知识按步就班进行数学推导,即可以计算出各种情况下长横孔和球孔的回波声压了,限于篇幅,这里略去了具体数学推导过程。本文曲线图均是用计算机计算、显示的结果。为了便于观察,已将每条曲线断开成对应一、二、三次波的三段,同一曲线具有相同的标志(圆点、十字、三角、圆圈、叉等)。1.2.1回波幅度变化的差异图1中a,b的灵敏度相同。由图可看出,①当反射体直径变化时,球孔的变化要比长横孔大得多。②直径变化量相同,回波幅度变化不相同,例如,直径从1mm变到2mm与从2mm变到3mm时回波幅度的变化并不相同,前者较大。③同一直径的长横孔与球孔的分贝差和声程有关,而非定值,例如,在二次波终点两者回波幅度差约为20dB,而在二次波起点则约为13dB。1.2.2长横孔二次波的曲线从图2可以看到,①管子内外表面曲率的影响主要表现在二、三次波上,尤其是二次波,曲率对长横孔的影响比球孔大,以至于长横孔的二次波曲线形成了一个下凹的台阶,随着管外径的增大,曲线逐渐变成最靠上边的一条曲线。本例中,曲率使长横孔二次波终点的回波幅度下降约10dB,而球孔下降约5dB。当外径超过300mm后,曲率的影响基本上可不予考虑。②一、二次波及二、三次波之间回波幅度有突变,甚至是非连续的,长横孔尤为明显。1.2.3径管二次波声程图3a,b的灵敏度相同。小壁厚管二次波的声程可能与大直径管的一次波声程相同,由图3可见,小直径管的二次波曲线与大直径管的一次波曲线几乎重叠在一起。因此,对一、二次波而言,只要管子外径、声程相同,其回波幅度与壁厚关系不大。1.2.4波宽曲线的角度，即使是不同的，也是不同长度的横孔和球孔之间的距离图4图4与图3的情况类似,对一、二次波而言,折射角不同,但声程相同时,回波幅度基本相同。1.2.5波幅曲线，由于晶体大圆孔和长截面孔之间的距离为由图5可以看到,晶片尺寸越大,回波越强。1.2.6探伤的测定图6中,5MHz的回波幅度高于2MHz。以上六个方面的情况,是使用单收发探头、采用当量法探测小径管对接焊缝时,为确定探伤灵敏度和缺陷当量需要弄清的主要问题。2超声检测仪器请山东济宁模具厂用20钢加工了一百多块各种规格的带有球孔、长横孔的试块。加工制作了70余只各种参数的探头。我们与邀请的外单位专业人员应用数字化探伤仪(美国Panametrics公司产EPOCH-Ⅱ)及模拟式探伤仪(中国汕头超声仪器研究所产CTS-22)进行了试验,共实测了近3000个距离-波幅值。参照最小二乘法原理,求出近400条距离-波幅曲线,再将实验曲线与理论曲线进行比较,结果表明,当声程大于一倍近场长度时,理论曲线与实验曲线的偏差为1～3dB。因此,可以说,在工业试验的精度下,理论与实验相符。实验中也看到,当声程小于一倍近场长度时,实验值与理论值偏差很大,且无明显的规律可言。3研究结果的启示当声程大于一倍近场长度时,可以应用几何光学的理论,近似地求得一倍近场长度以外的考虑管子上下表面曲率影响的长横孔和球孔距离-波幅曲线。这种曲线是有独特规律的。这就为进一步研究、制订小径管当量法超声探伤方法和质量分级标准提供了理论和实验依据。所提出的理论是没有考虑波动现象的近似理论,实验验证是在工业试验的精度下做的,但这些也是与工业应用相适应的。本研究结果给出如下启示,供参考:(1)球孔回波幅度比长横孔小得多,如图1中二次波终点ϕ1mm球孔比ϕ1mm长横孔弱20dB左右。(2)内外表面曲率对球孔的影响不同于长横孔,对长横孔的影响更大。(3)管子内外表面曲率对二、三次波有较大影响,对一次波影响很小。对长横孔而言,曲率的影响使得一、二次波,二、三次波的转变之处回波幅度有较明显的阶跃现象,也就是说,同一长横孔,即使声程相差无几,用一次波探的回波也要比用二次波的强得多。(4)同一声程处相同直径球孔和长横孔的回波幅度差与声程值有关。如图2中二次波终点两者回波幅度差约为20dB,而在二次波起点则约为13dB。也就是说,如以长横孔定灵敏度后去探测球孔,则同一尺寸球孔在不同声程处的当量尺寸不同。(5)对于通常管壁厚度的管子,当其外直径>300mm时,可以不考虑曲率的影响。(6)当管外直径相同而壁厚不同,或使用不同折射角探测同一工件