关键词:双晶直探头；杂波；折射横波；往返透射率；脉冲占宽
引言
超声波检测作为一种常用无损检测方法，在原材料和零部件检测有较多应用。中华人民共和国行业标准JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》规定若订货为探伤钢板，应抽取每种板厚的10%（至少一块）进行超声波探伤。中华人民共和国国家标准GB 50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》规定对国外进口钢材、钢材混批、板厚等于或大于40mm，且设计有Z向性能的钢板等情况的钢材，应进行抽样复验。中华人民共和国国家标准GB/T 11345-2013《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》规定除非能证实（比如制造过程中的预检）母材金属高衰减或缺欠的存在不影响横波检测，否则探头移动区的母材金属应在焊前或焊后进行纵波检测。中华人民共和国能源行业标准NB/T 47013.3-2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》规定对于C级检测或必要时，斜探头扫查声束通过的母材区域，应先用直探头检测，以便检查是否有影响斜探头检测结果的分层或其他类型缺陷存在。
超声波检测用探头的种类很多，根据波型不同，可分为纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头等。根据耦合方式分为接触式探头和液浸探头。根据波束分为聚焦探头与非聚焦探头。根据晶片数不同分为单晶探头、双晶探头等。此外还有微型探头、高温探头等特殊用途的探头。单晶直探头用于发射垂直表面传播的纵波，以探头直接接触工件表面的方式进行垂直入射纵波检测，单晶直探头主要用于检测与检测面平行或近似平行的缺陷，如板材、锻件检测等。双晶直探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波，另一块用于接收超声波，中间夹有隔声层。在实际检测中应用晶片入射纵波产生的折射纵波进行检测，如图1。双晶直探头检测具有检测灵敏度高、杂波少盲区小、工件中近场区长度小、检测范围可调等优点，更适合于薄板检测。中华人民共和国国家标准GB/T 2970-2016《厚钢板检测超声检测方法中》标准中规定6 mm-13 mm板厚需选用双晶片直探头，＞13 mm-60 mm板厚需选用双晶片直探头或单晶片直探头，＞60 mm板厚需选用单晶片直探头。并规定当用双晶直探头检测板厚不大于60 mm的钢板时，用阶梯试块或同厚度钢板上将第一次底波高度调整到满刻度的50%，在提高10dB作为检测灵敏度；或者用Φ5mm平底孔试块的平底孔第一次反射波高等于满刻度的50%作为检测灵敏度。
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图1双晶直探头结构
α- 发射压电晶片和接收压电晶片与被检工件表面的交角，即纵波入射角
β-纵波折射角
u-压电晶片中心到隔声材料的距离
L-由压电晶片中心计算的延迟块的高度
1 案例介绍
某公司由于怀疑进口的原材料近表面存在质量问题，工件厚度为40mm，于是决定参考GB/T 2970-2016标准，选用GE MSEB4（E）双晶直探头，使用工件底波调节灵敏度进行检测，检测过程中发现检测仪器在67mm附近位置都存在35%波幅高度的回波，如图2。由于一次波范围内并无任何回波发现，检测人员根据经验认为此回波为非缺陷回波，并在RB-2试块厚度方向参照同样检测灵敏度试验，在相同位置亦存在此种回波，波幅位置一致，由此判断此回波为非缺陷回波。
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图2干扰杂波波形图
2 分析
超声波在异质界面传播时会同时产生反射、折射和波型转换现象，由于此回波的稳定性，初步认为此回波是由声波在界面传输时产生波型转换造成的。GE MSEB4（E）探头延迟块材质为有机玻璃，晶片尺寸为3.5mm*10mm, αL=11.5°,其中有机玻璃纵波声速CL1= 2730m/s，钢中纵波声速CL2=5900m/s，横波声速Cs2=3230m/s，按折射定律sinαL/CL1=sinβs/Cs2=sinβL/CL2，通过计算知道βs=13.6°，βL=25.5°，βs小于第三临界角，可知在工件中存在十分复杂的波型传输，由于纵波入射有机玻璃和钢界面时，主要是折射横波和折射纵波的往返透射率较高[1]，如图3，初步认为为此回波为折射横波造成的。传输路径为L-S-L，如图4。
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图4声波传输路径图
3 计算验证
设定工件中折射横波的声程为Ss1，折射纵波的声波为SL1，由图易知声波在工件内单程传输的折射横波声程Ss1和折射纵波声程SL1分别如下：
Ss1=H/cosβs=1.03 H
SL1=H/cosβL=1.11H
但是超声仪都是通过时基轴来换算声程[2]，为此考虑仪器设定的纵波声速与折射横波声速差异，此回波在仪器上显示的声程Ss1’应为
Ss1’= CL2* Ss1/ Cs2=1.88H
同理由于仪器校准时默认折射角度为βL，因此工件内部折射横波传播声程在仪器上的显示深度H’应为
H’= Ss1’*cosβL=1.72H
而在探头内部发射和接受路径造成的最大差异H1=10mm*tg11.5°=2.0mm。
但是探头真实的接收和发射点受各种因素影响较多，难以精确分析，同时最大差异情况也较难出现，探头内部传输的路径与在工件中传输的路径相比，数值较小，为此在分析中暂不考虑探头内部传输差异的影响，带入H=40mm，计算结果为68.8mm，与实际情况67mm相近，进一步分析纵波声速为横波声速的1.8倍是造成此折射横波落在一次底波与二次底波之间此特定位置的原因，同时观察图2，可知在入射纵波为11.5°时，折射纵波的往返透射率为22% ，折射横波往返透射率为 4%，相差14.8 dB，试验结果中底波波幅与此回波波幅相差dB=20lg50%/35%=3.1dB，在加上之前提高10dB，总分贝差=13.1dB，与理论结果接近，也验证了之前假定的正确性。
4 进一步讨论
1）实际上除了L-S-L路径外，还存在L-L-S-S、L-S-L-S等传输方式，如图2中一次底波和折射横波之间的其他杂波，不过由于声波接收指向性的关系，波幅有限[3]，不会对检测造成明显干扰，且原理相同，为此不在分析。
2）以上实验是在40mm试件做的分析，为了进一步检验结果的准确性，选取18 mm厚度钢板进行试验，发现在计算位置并无此回波。通过观察探头时域图形，如图6，可知脉冲占宽为0.8us，βL=5900m/s，单个脉冲占宽约为4.7mm，只有当此回波与试件二次底波在仪器上显示的深度差大于脉冲占宽时，才有可能分辨出此回波，即2H-1.72H>4.7mm，H>17mm。但由于上面的计算未考虑探头内部的声程差异，造成可分辨此波形的检测工件厚度会有所变化；同时回波占宽还受探伤仪性能、参数设置、检测灵敏度的影响，也会造成一定的偏差。
选取18mm厚度钢板回波的射频图像，如图7，通过观察发现一次底波宽度约为4.5mm，二次底波范围宽度约为7mm，且二次底波波幅明显低于一次底波波幅。如果提高二次底波波幅其宽度会更大，由此说明工件中产生的折射横波与二次底波存在回波重叠的情况，致使总的回波宽度变大，无法分辨这两种回波，验证了之前的分析。
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图7 MSEB4检测18mm厚度试块射频图像
3)通过以上分析延迟块声速、检测工件声速、探头α角、晶片尺寸、回波占宽是影响折射横波回波位置的主要因素，但是不同探头参数不尽相同，为此不同探头在检测不同材质工件时折射横波位置、可分辨时的最小工件厚度不尽相同，如鹏多5P20F15双晶直探头在阶梯试块就可发现此回波产生在1.4H位置附近，波幅接近30%。
5 总结
通过此次分析，对双晶直探头检测出现的杂波进行了分析，同时对折射横波的产生机理，波形定位、定量的规律作了详细阐述，在实际应用中为了避免杂波和缺陷波的混淆，在理解产生机理的基础上，应仔细观察回波规律进行排除，如下：
回波在检测同一试件同样厚度条件下，只产生在一次底波之后，回波高度、回波位置具有一致性；
在同样材质、厚度试块下进行检测，在相同位置也会存在此回波；
如果选用其他类型双晶直探头检测，回波位置、波幅可能会发生变化；
换用单晶直探头、斜探头检测，此回波消失。
在零部件超声波检测中，除了上面讨论的干扰杂波外，还会有其他非缺陷回波出现，非缺陷回波的种类很多，由于探头的质量、仪器的性能、工件表面形状和结构型式等原因引起的非缺陷回波，往往出现在底波信号之前，与内部缺陷反射信号混杂在一起，致使在检测时，对真假信号容易产生混淆[4]。在实际应用中，也应仔细观察回波规律进行排除。
参考文献:
[1] 郑晖.NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材 超声检测 (第二版).[M]. 中国劳动社会保障出版社,2008年.
[2] 肖宁辉.现代无损检测新技术新工艺与应用技术标准大全[M] .银声音像出版社,2004年.
[3] 吴庆曾.声波检测的发射与接收[J].中国地质灾害与防治学报，1998年,第1期.
[4] 刘海斌.无损探伤[J].对接焊缝沟槽反射引起的非缺陷回波分析，2012年,第3期.
论文作者:刘海斌
论文发表刊物:《建筑实践》2020年01期
论文发表时间:2020/4/27
标签：回波论文; 纵波论文; 双晶论文; 工件论文; 声速论文; 横波论文; 晶片论文; 《建筑实践》2020年01期论文;