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长横孔反射波后的尾波是啥?

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这期我们来聊聊横波入射横孔反射波后的尾波是什么?尾波与长横孔之间是否存在什么关系?

焊缝超声波检测,在对比试块上制作DAC曲线的过程中,不知道大家有没有注意到这样的情况,移动探头找横孔的最高反射波,将横孔反射波自动增益到80%,在横孔反射波后面跟着一个波幅很低的波,暂且称为尾波,如下面这两幅图中,闸门框住的小波。(图片来源:实验,探头频率越高,分辨率越好,区分两个相邻波的能力越强)

探头规格:5P6×6K2,横孔:Φ2×60×10深度

探头规格:2.5P13×13K2,横孔:Φ2×60×10深度

反正我是发现了这个问题,不仅仅是常规超声波,用相控阵扫查横孔,S扫描也会产生一个明显的尾波图像。如果你知道这一现象,那么尾波就不会影响缺陷缺陷的识别。如果不知道呢?去研究这个尾波,会不会得到意想不到的结果呢?

早前,有同事问我,这个尾波是什么波?我的回答是:“是入射横波绕过横孔后,继续传播,被探头晶片接收到。”这样的解释其实也没错,但是我并不知道为什么会发生这种情况。刚好最近看到一篇文章《长横孔反射波后未知变形波的研究》,作者是毛良彦等人。这篇文章非常清楚的解释了这一现象,并通过多次试验和理论推导,得出了尾波与反射波之间的关系。

尾波真的是由于横波绕过横孔产生的吗?

作者提出尾波是长横孔反射时固有的变形波,并通过采用2.5P13×13K1的探头,在不同的对比试块上进行测试,不同的试块,其横孔的直径也不同,如:CSK-IIA、RB-3、不同横孔直径的ASME试块等。

在不同直径的试块上进行大量的试验后,发现均存在该尾波,并且尾波波幅比横孔反射波低12~25dB。通过实验数据分析,这个尾波不是偶然产生的,而是长横孔反射波的固有变形波,并且尾波声程与反射波声程存在一定关系,这个声程关系似乎与横孔的直径有关。当采用2.5P13×13K1的探头扫查时,发现尾波与长横孔反射波的深度差近似等于长横孔直径。

尾波具体是怎么产生的呢?

文章指出,当横波垂直入射到长横孔孔壁上时,入射角为0°,在继续向前传播的过程中,横波的前进方向与孔壁的夹角不断变化,直到变成相切状态,入射角为90°时,此时横波波前与孔壁垂直,形成所谓的掠入射。如果孔壁是平面,那么横波波前将继续垂直平面壁前进。对于圆孔而言,入射横波的波前同样垂直圆孔壁前进,只不过它的前进方向随孔壁的发现方向不断调整,表现为环孔绕行。文章《超声在固体中的散射》指出,横波沿圆孔壁绕行的速度是入射横波声速的0.86倍。

这个观点和我之前提出的绕射观点基本一致,但是他更详细的解释了绕射的具体过程,但是理解起来比较困难。

我理解的意思,探头发射的超声波声束具有一定扩散角,横孔最大反射波可以理解为中心声束,而上边界某个角度的声束正好与横孔相切,此角度的声束会继续环绕横孔传播,此过程叫作掠入射。

那么问题又来了,什么是掠入射?

百度搜索,找到了国外有人搞的光弹试验的视频,由糟老头子NDT上传于优酷网(视频长约20s,大小约1Mb)。通过视频可以很清楚的了解横波绕射横孔的现象。(视频来源:优酷,糟老头子NDT)

视频地址:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxODA3OTYxMw==&mid=2247483734&idx=1&sn=6cf4d74ca1d992d2baa82773e0150de1&chksm=f98f1444cef89d52d8f1676fb9ddae9757a27c33e1e9d4b5d209a81056652eac34516bfeec4f#rd

横孔反射波与尾波的声程差、深度差之间存在什么关系呢?

作者通过简单的几何算法,从理论上推导了横孔反射波与尾波的声程差,即声程差=2.8265×横孔半径,与探头规格无关。因此,尾波的显示特性,由横孔的直径决定。

理论值和实际测量值是否相符?作者在不同横孔直径的试块上试验,得出下表中的结果,试验结果表明,实测值和理论值的差值在误差允许范围内,可以证明作者的推论是正确的。

既然知道两者声程差的关系,即可换算成不同K值的探头,在仪器上显示的深度值差,即深度差=2.8265×横孔半径×cosβ。因此,仪器显示的深度差与横孔直径、探头K值有关。

为什么是横波绕射,而不是纵波绕射?纵波会不会发生绕射现象呢?

有人可能会提出不同的观点,比如当入射横波与横孔相切之前,会发生波形转换,即横波转换成纵波,那么该变形纵波,是否也会环绕横孔被探头接收到呢?我们知道纵波声速比横波快,如果存在纵波绕射现象,将会出现在横孔反射波之前,暂且称为前波,而在制作DAC曲线过程中并未发现此现象。那是不是纵波就不会绕射呢?

文章也解释了该疑问,变形纵波也会环绕横孔,但是其衰减很快,仅爬行1/4~1/2圈就会全部消失。因此,纵波绕射横孔的信号无法被探头接收到。

总结:横波检测时,长横孔反射波后面的尾波,是由于横波声束与横孔相切时,发生沿孔绕行的现象,绕过圆孔后,从圆孔的另一侧切向发射,被探头接收。而绕行过程中的衰减严重,尾波比反射横波波幅低12~25dB。

且横孔反射波与尾波声程差与横孔直径有关,即声程差=2.8265R,而深度差=2.8265R×cosβ。

最后提个问题,如果用纵波直探头在对比试块上试验,是否也会存在尾波现象?待会去试验看看,先来看看纵波入射横孔的光弹试验。

视频地址:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxODA3OTYxMw==&mid=2247483734&idx=1&sn=6cf4d74ca1d992d2baa82773e0150de1&chksm=f98f1444cef89d52d8f1676fb9ddae9757a27c33e1e9d4b5d209a81056652eac34516bfeec4f#rd

探头规格:5Z10斜探头,横孔:Φ2×60×10深度

试验结果表明,纵波直探头扫查横孔,也会产生尾波,尾波与横孔反射波的间距较小,难以区分。


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