第一副瓣声束的计算与鉴别.doc

第一副瓣声束的计算与鉴别张军辉,谭云华,陈振尧(东方锅炉(集团)股份有限公司,自贡643001)摘 要:超声波声场中存在主声束和副瓣声束,在特定条件下第一副瓣声束会引起超声波检测结果的误判。本文通过对第一副瓣声束相关内容的理论推导,计算出横波斜探头第一副瓣声束对应的位置,并作了相应的实验验证。提出了对副瓣引起的干扰回波鉴别的方法。关键词:超声波检测,副瓣声束CalculationandDifferentiationofFirstMinorLobeBeaminUltrasonicFieldZHANGJun-hui,TANYun-hua,ChenZhen-yao(,Zigong643001,China)Abstract:,andinordertoprovetheresultcalculatediscorrect,:Ultrasonictesting,Minorlobebeam0 引言在使用较大K值探头对焊缝进行超声检查过程中,当焊缝根部不规则或焊缝扫查面的背面有规则的沟槽、错边等造成强反射条件结构存在时,这些强反射体经常产生一些非常态回波信号。如下图1、图2、图3、图4所示。图1、2、3、4中“1”表示主声束传播路径;“2”表示非常态回波路径。这些非常态信号回波幅度有时可以达到定量线以上,按照常规定位方法通常会把这些非常态回波信号定位于焊缝内或焊缝热影响区,从而造成误判伤。图1 某单面焊双面成型焊根的回波干扰信号图2 某产品集箱对接焊缝结构的非常态回波图3 某产品端盖对接焊缝的非常态回波图4 某产品集箱对接焊缝错边的非常态回波按照常态超声波信号分析,这些非常态回波信号的声路远远超出主声束的半扩散角范围,并非主声束造成。通过大量的射线对照、解剖以及工件打磨消除反射信号等方法验证,探头的非常态回波确实存在,其声程距离与显示值基本一致。对这种非常态回波我们****惯上称作副声束干扰。为了分析副声束干扰出现条件,掌握副声束干扰的鉴别方法,本文就副声束干扰与第一副瓣声束的关系进行了理论计算和模拟测量,取得了非常吻合的分析效果。1矩形波源超声场声压的分布和普通波源相似,矩形波源轴线上任意一点Q处的声压计算公式为:(1)式中:p0为波源的起始声压;Fs为矩形波波源面积,即Fs=4ab,a、b为矩形波源边长的一半;λ为波长;,其中K为波数。当时,由上式可得远场区轴线上某点的声压为:(2)当θ=0时,则XOY平面内远场区某点的声压为:(3)这时的指向性系数Dr为:(4)式中:图5 矩形波源声场示意图由Dr公式可知:(1)Dr≤1,这说明超声波声场中至波源充分远处同一横截面上的各点的声压是不同的,以声束轴线上的声压为最高,只有当波束轴线垂直缺陷时,缺陷反射回波最高。(2)声场中存在一些声压为零的点,即Dr=0的点。将其中离主声束最近的声束声压为零对应的角称为第一零值发散角,又称半扩散角。半扩散角之后随角增大声压开始从零增加到最大值,然后再减小直到零,在这两个Dr=0对应角之间的声束称为第一副瓣声束。,可得:(5)式中:。在副瓣声束中心上有声压最大值,此时Dr’=0成立,即可得到:(6)从≤可求解出所有副瓣声束的个数,运用(6)式可求得对应的每一副瓣声束主轴与主声束主轴的夹角,如图6所示1,图中θ0为半扩散角。当斜探头透声介质为有机玻璃时,应用Matlab软件求解(6)式矩形晶片在有机玻璃中的1。解得常用斜探头:,14×14探头,1=;,10×10规格晶片探头,1 =。图6 波源第一副瓣声束示意图下面就斜探头检测时,讨论在有机玻璃和钢界面上第一副瓣声束中心轴线方向的位置。在有机玻璃和钢界面处声束情况可用下图6示意,图中α、β为主声束的入射角和折射角,α1、β1为下副瓣声束入射角、折射角,α2、β2为上副瓣声束入射角、折射角,1为有机玻璃中第一副瓣与主声束夹角。根据声波折射定律,在主声束上:(7)则在下副瓣声束上:(8)则在上副瓣声束上:(9)图7 有机玻璃/钢界面斜探头声束示意图根据探头K值由(7)式可求得α,对第一下副瓣:α1=α-1,对第一上副瓣:α2=α+1。然后由(8)式和(9)式可分别求得tanβ1和tanβ2。,14mm×14mm,