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如何测量横波斜探头在钢中剩余近场区长度?

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近场区长度是我们非常了解的概念,我们都知道由于近场区内的声压不稳定,不适用于超声检测。而三倍近场区长度以外的远场区,此时探头的声波与球面波规律相近,是超声检测的最佳区域。因此,我们都毫无置疑的认为近场区是不利因素,应尽量减小其长度。(图片来源:特种设备超声检测教材第64页)

超声波声场

超声波声场

NB/T47013.3-2015标准中,给出了探头K值、标称频率、探头前沿等参数的规定,但是未给出探头晶片尺寸选择的参考,在编写焊缝超声检测工艺中,如何选择合适的探头晶片尺寸,却成为一道难解之题。

但是我相信任何艰难的问题都有突破口,近场区长度却是解决该难题的重要线索之一。

虽然大家都知道近场区长度是一个非常重要的参数,可是在实际操作中,有多少人去真正去测量近场区的长度呢?很多人忽略了近场区的存在,而仅停留在理论层面。特别是横波斜探头的近场区长度,而现在我们就要改变这个局面。(图片来源:网络)

超声波声场近场区

超声波声场近场区

直探头的近场区长度无需测量,仅需简单的公式计算即可得出。而横波斜探头与直探头的原理大为不同,其的近场区长度也不同于直探头。斜探头的近场区长度测量,又成为了另一个难题。

有人会质疑,特种设备超声检测教材中,不是给出了横波斜探头在钢中的近场区长度计算公式吗?又何谈难题呢?

现在推荐一个简单实用测量横波斜探头的方法,根据特种设备超声检测教材第66页的公式来计算。

横波斜探头钢中剩余近场区长度计算公式

横波斜探头钢中剩余近场区长度计算公式

公式中,FS为晶片尺寸,λs2为被检材质的波长,L1为斜探头入射点至波源距离。为了方便计算,教材给出cosβ/cosα和tanα/tanβ的值,如下表。(图片来源:特种设备超声检测教材第67页)

横波斜探头钢中剩余近场区长度计算公式

横波斜探头钢中剩余近场区长度计算公式

晶片尺寸、波长等值均可获得,唯独斜探头入射点至波源的距离L1不知道。难道要被一粒老鼠屎,坏了一锅粥吗?

非也,L1并不是老鼠屎,也没坏一锅粥,有一个简单而又实用测量L1值的方法。我们想想在调整仪器的扫描比例(校准声速)的时候,是不是有一个零偏值t0(零点、延迟,叫法不同)呢?

什么是零偏值呢?

零偏值是晶片发出的纵波声束穿过有机玻璃的时间,其包括发射和接收传播的时间。通常斜探头的楔块时为机玻璃,其纵波声速是一个定值,有机玻璃纵波声速一般约2700m/s,即L1=2.7×t0/2,单位mm。

结合教材中给出的公式和零偏值,即可算出横波斜探头在钢中的近场区长度。

如:2.5P13×13K1的横波斜探头,测量其零偏值t0=6.78μs,实K值=1.01。通过公式可计算出钢中剩余近场区长度,即钢中剩余的近场区长度N=30mm。(图片来源:试验数据)

另一个测量横波斜探头钢中剩余近场区长度的方法

其实还有一个简便方法,就是将不同规格的探头,分别在CSK-IIIA试块上制作DAC曲线,如果DAC曲线平滑,说明该点不在近场区内,否则在近场区内。当然近场区仅为一个重要因素,还有其他因素影响曲线平滑度,如试块侧壁干扰、探头声场、声束未扩散区等。如下图规格为2.5P13×13K1的探头制作的曲线,从制作的曲线可以看出,深度为40mm以内的声场都是不稳定的,即换算成声程为40/cos45°=56.6mm。(图片来源:2.5P13×13K1在CSK-IIIA试块上制作曲线,屏幕中水平坐标为深度H)

这个斜探头在钢中剩余近场区长度有这么大?

当然不可能有这么大的剩余近场区长度,这个曲线是采用上述的探头制作出来的,理论计算钢中的剩余近场区长度为30mm。那为什么仪器测量出剩余近场区为56.6mm呢?

声程56.6mm区域内的反射波幅相差不大,我们可以认为该区域为声束未扩散区,声束未扩散区长度是近场区长度的1.64倍。在未扩散区内,波束不扩散,不存在扩散衰减,各截面平均声压基本相同,所以深度40mm(声程56.6mm区域)以内的横孔波幅高度基本一致。未扩散区域的声场不适用于超声检测。(图片来源:特种设备超声检测教材第61页)

超声波未扩散区域

超声波未扩散区域

前两天有个朋友@liang和我讨论一个问题,采用同一厂家生产而的两个探头,频率和K值相同,晶片尺寸不同(如2.5P13×13K2和2.5P8×12K2,具体规格记得不太清楚),分别扫查深度为10mm的孔。发现晶片尺寸越小的探头反而比晶片尺寸大的探头反射回波高。

按照正常思维方式,晶片尺寸越大,声束扩散角小,超声波声束能量越聚集,反射波应该越高,而试验结果与之相反。

如果排除晶片灵敏度差异等其他因素,最有可能的是由于近场区的缘故,是否可以采用上述的方法进行验证呢?


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