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何种测量横波斜探头K值的方法更准确?

开始接触和学习超声检测方法时,实操培训课上老师教会了我们如何调教仪器,如何测量K值。并传授了许多测量K值的方法,比如:采用CSK-IA试块上的φ1.5mm孔或φ50mm孔,可采用CSK-IIA试块上φ2mm孔,也可采用CSK-IIIA试块上的φ1mm孔。其中采用CSK-IA试块上的φ50mm孔是目前公认度较高的方法。

斜探头K值测量方法

斜探头K值测量方法

当然很多人都存在一个相同的疑问:究竟采用何种方法测量K值更准确呢?

没有相关标准对此进行明确规定,在解决用何种方法测量K值更准确这个问题之前,先来探讨影响斜探头K值测量精度的因素有哪些,这些因素对K值测量究竟有何种影响。

早在十五年前雷胜军、李兵等人对此进行了深入的研究,影响斜探头K值测量精度的因素包括:孔径大小、孔到探头的距离、斜探头K值、环境温度等,结合理论分析和实验数据详细描述了其影响因素。

1、孔径大小    测量K值时,探头需在试块左右平移探头,找到孔的最高反射波,仪器利用几何参数便可自动算出K值。

实际上超声波声束并非一条线,而是呈喇叭状状分布,中心声束能量最高,随着扩散角的增大,能量逐步减小。从理论上讲,当超声波主声束正对准圆心,此时孔的反射回波最高,测量的K值也是最准确的。但是在测量K值过程中,若将某个扩散角的声束误认为是主声束,则测出来的K值与实际值存在偏差,而这种误测的概率与孔径大小有关。

可以通过一个实验来验证:孔径越大,在移动探头的过程中反射回波波高的包络越宽,回波下降的越缓慢,容易将附近扩散的声束误认为主声束。而孔径小的回波波高包络尖锐,稍微移动探头回波下降的很快,不容易将扩散的声束误认为主声束。因此,孔径越大,测量的K值误差越大。为了更准确地测量K值时,应尽量选用小孔径测量。

但并非孔径越小越好,当孔径接近于声束的波长一半时,会发生明显的衍射现象,对K值的测量也会存在一定的影响。并且孔径过小,灵敏度较低,需要增益值越大,仪器的信噪比有所下降。同时孔径越小,加工试块的难度越大。当采用2.5MHz的探头,横波波长约1.3mm,孔径不宜小于1mm。

斜探头K值采用大孔和小孔测量

斜探头K值采用大孔和小孔测量

2、孔到探头的距离    距离大小代表声程的大小,当探头距离孔很近时,超声波声程短,孔可能处于近场区内,而近场区的声束能量存在极大值和极小值。若在近场区内测量探头K值,当左右移动探头时,找到的最高回波可能不是中心声束(主声束),则测量值与实际值会存在较大的偏差。

多少倍近场区的距离最合适呢?

特种设备培训教材超声检测(第二版)第131页对此有详细说明,教材建议测定K值应大于2倍近场区(>2N)。

相关实验表明:在近场区内测得K值与标称值相差较大;在1N外和2N外测得的K值相差较小,波动也很小;在3N外测得的数据波动开始增加,误差也随之增大,1N~3N内是K值最佳的测量区间

3、斜探头K值    K值的对测量K值数据存在一定的影响,可通过扩散角公式推算出:当探头晶片尺寸一定时,K值越大,其扩散角也越大,并且上扩散角大于下扩散角,此时K值与孔径大小有异曲同工之妙。

实际K值越大,测量的K值误差也随之增大,当K值大于2时,其影响较为明显。

斜探头声束扩散角

斜探头声束扩散角

4、环境温度    除了上述3种因素影响K值测量外,环境温度也是重要因素之一。环境温度既影响试块的声速,又影响斜探头楔块的声速,从而影响斜探头K 值的测量精度。

相关研究表明,在常温下(0~40℃),温度对试块影响不大,但是对探头楔块影响较大,因此,温度改变测量的K值也会发生变化。

比如:王务同前辈和蒋危平前辈的研究指出:在20℃时K1斜探头在35℃时K=1.05,在20℃时K3斜探头在35℃时K=4.01。因此环境温度对斜探头K值的影响不容忽视。

回到最初的问题——究竟采用何方法测量K值更准确。通过上面几点分析,应选用小孔径的反射体,声程距离最好在二倍到三倍近场区间内,并且尽量控制现场检测温度和测量温度差值,特别是K值较大时。


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