超声波端角反射测试

凌礼恭

（环境保护部核与辐射安全中心，北京 100088）

超声波端角反射测试

凌礼恭

（环境保护部核与辐射安全中心，北京 100088）

利用Z-scan超声仪、标准及参考试块、UltraVision超声波信号采集和分析软件搭建超声波端角反射测试系统。分别对45°、60°、70°探头端角反射进行了测试分析。首先对各种探头反射回波信号进行了采集和分析比对，然后基于超声波传播定律和端角反射波型转换规律从中分离出端角反射信号并计算该信号的相对反射率。测试结果表明，45°横波探头端角反射接近全反射。纵波探头端角反射信号中杂波多于横波。

计量学；超声波；端角反射；波型转换；相对反射率

1 端角反射及其特点

超声波在两个平面构成的直角内的反射叫做端角反射。端角反射的产生可以归为两类，一类由于结构直角部位产生的端角反射，例如板材边缘等；另一类由于焊缝根部缺欠产生的端角反射，例如根部未焊透、未熔合、与母材表面垂直的根部裂纹、错边等。由于超声波的物理特性以及端角的几何特征，使得超声波的端角反射会发生波形转换。理论分析表明，波形转换将会严重影响端角反射率的大小。对超声波端角反射的测试有助于从实验层面分析端角反射，并为超声探伤过程中探头的选择和缺陷信号的分析提供指导［1，2］。

2 测试系统

试验采用ZETEC公司Z-scan 16通道超声仪，超声波数据采集与分析软件版本为UltraVision3.3，试块为ⅠA标准试块以及加工有圆弧半径分别为100 mm、50 mm、30 mm、15 mm的低碳钢参考试块，耦合剂为CG-08（核工业级）。所使用探头及参数如表1所示。

测量系统示意图如图1所示。

表1 超声波探头及参数

图1 实验测量系统示意图

3 端角反射的波型转换

由于端角的几何特性，当超声波声束打在端角上时，波型转换会使得接收到的回波信号出现杂波难以分辨。在试验过程中截取不同角度探头端角反射A扫图，作为本文的波形解析对象。

3.1 端角反射的波型转换

下面分纵波入射和横波入射来讨论端角反射时的波型转换，以钢、空气界面为例进行说明。由于钢、空气界面两侧声阻抗差别较大，下文分析均不考虑界面处波的折射。钢中纵波声速CL＝5 900 m／s，钢中横波声速CS＝3230 m／s。

在不考虑波型转换的情况下，反射回波与入射波相互平行，如图2、图3中实线所示，图中Pa为理论上回波声压、P0为入射波声压，L表示纵波，S表示横波。

3.1.1 横波端角反射波型转换

根据反射波的反射定律可得式（1）、式（2）、式（3），式中除αL外，其余各角度均为其下标所表示的波在其反射点处与法线的夹角，例如αL1，αS2。由式（1）、式（2）、式（3）计算可得：当0＜αS≤33.19°时，L1、L2、S2、S3存在；当33.19°＜αS≤56.81°时，仅有S1、S3存在，如图3中粗实线所示；

图2 横波端角反射波形转换示意图

图3 纵波端角反射波形转换示意图

3.1.2 纵波端角反射波型转换

同理根据超声波的反射定律可得式（4）、式（5）、式（6），式中角度含义与3.1.2节类似。由式（4）、式（5）、式（6）代入钢中的波速计算可得：当入射纵波L存在时，L1、S1、L2、S2、S3均存在，如图2中实线所示，而L3不存在，如图3中虚线所示。

对于不同的传播介质，L3也可能存在，即若sin－1CS／CL＞45°，则L3有存在的可能。具体需要根据αL结合式（1）、式（3）中有关L、S1、L3的部分进行计算。

3.2 端角反射波形解析

以横波45°探头和纵波45°探头的波形来解析端角反射的波型转换。试验过程中采集到的端角反射波形图分别如图4、图5所示。

图4 横波45°探头端角反射波形

根据3.1.1节横波端角反射的分析，45°端角反射将只产生一个回波，即图2中的S3，图4中的波形1即为该波形。

图5 纵波45°探头端角反射波形

对于45°纵波探头来说，当声波进入工件时由于波型转换进入工件的是一束角度为45°的纵波和一束角度为22.7°的横波，对于进入工件的角度为45°的纵波归类到3.1.2节的情况进行讨论，角度为22.7°的横波由于并未正对端角，其分析应结合超声波反射、波型转换的一般规律进行。

图5中的波形1由45°的纵波声束在端角处反射产生，即图3中的L2。经过计算分析，图5中波形2应该由入射角度为22.7°的横波在试块下底面发生波型转换然后再反射形成。

图3中S2、S3并未出现在图5中，说明探头并未接收到图3中S2、S3的较强回波。原因是由于波型转换形成声束的角度决定了这些声束的回波不是正好指向探头，又由于声束宽度以及探头接收截面有限，导致其不能被接收到。因此图2中除S3、图3中除L2以外的波均很难被探头接收到较强回波。这一点在60°、70°探头中也得到了印证。

波型转换以及反射的综合因素导致横波60°、70°以及纵波60°、70°端角反射信号图中有数量不等的杂波。由于纵波探头声束在进入到工件中时已经发生波型转换，因此纵波探头接收到的回波A扫信号图中杂波明显多余横波探头。从信号分析的角度来说，超声波探伤要尽量选择横波探头。

4 端角反射率

4.1 端角反射率的测量方法

理论上回波声压Pa与入射波声压P0之比称为端角反射率，用Te表示，如式（7）所示。但实际上入射波声压P0无法通过实验方法测得，因此，本文实验方案中采用一定深度的圆弧面的回波声压等效代替入射波声压P0，由此得到的声压反射率定义为相对声压反射率Te*，如式（8）所示。。

实验中以ⅠA标准试块侧面即厚度为25 mm的一面作为探头的扫查面，以该试块直角边作为端角的测试对象，如图2所示。由于不同角度的探头声程不同，在计算P0*时反射体圆弧面半径与对应探头的端角反射声程应相同，考虑到每一个探头参数及反射性能的差异，每一个探头对应半径100 mm、50 mm、30 mm、15 mm的圆弧面P0*均要测量，对于实验中没有实际反射体圆弧面半径与端角反射声程对应的，用线性插值的方法求得P0*。不同角度探头端角反射理想声程如图6所示。

图6 不同角度探头声程示意图

4.2 端角反射率结果

根据式（8），求得横波探头相对端角反射率如表2所示，纵波探头相对端角反射率如表3所示。

表2 横波探头相对端角反射率

表3 纵波探头相对端角反射率

由3.1.1节的定性分析表明：

（1）当34°＜αS≤56°时，在此入射角度范围内横波未发生波形转换，未分离出纵波和横波，仅发生横波的全反射，产生S1、S3，理论上反射声压与入射声压相等，因此，45°横波探头端角反射率达到90%与理论分析基本相符。

（2）当αS＞56°时，横波的二次反射分离出纵波L3，使回波声压Pa降低。因此，60°、70°横波探头的端角反射率均不高。

（3）当0＜αS≤34°时，横波的一次反射分离出纵波L1，使回波声压Pa降低，因此，30°的横波探头端角反射率应较低。

从表3中可知纵波入射时，端角反射率都很低。纵波探头入射声束在进入到试块中时已经由于波型转换分离出横波，纵波在端角反射过程中又经历一系列3.1.2节中分析的波型转换，每经历一次波型转换均要分离出两种波，从而使探头接收到的纵波端角反射回波声压大大削弱，即端角反射率大大降低。

综上分析，实际工作中检测焊缝根部未焊透、根部裂纹等缺欠时应尽量选择横波，横波入射角应该选择在（35～55）°范围内，即K＝0.7～1.43为宜，检测灵敏度较高。

5 结 论

横波45°探头的端角反射接近全反射，且回波信号中无明显杂波。横波60°、70°探头端角反射率较低，且回波信号中有杂波。

纵波45°、60°、70°探头端角反射端角反射率较低，且回波信号中有杂波。

横波45°、60°、70°探头端角反射杂波分别少于纵波45°、60°、70°探头。

［1］ 郑晖，林树青.超声检测［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

［2］ 王琳，梁玉梅.单面焊焊缝根部端角反射波的识别方法［J］.无损检测，2006，28（9）：496－497.

Test for the End-corner Reflection of Ultrasonic

LING Li-gong
（Nuclear and radiation safety center，Ministry of Environment Protection，Beijing 100088，China）

The end-corner reflection test system is builtbasing on Z-scan ultrasonic detector，standards and reference blocks，aswell as UltraVision ultrasonic signal acquisition and analysis software.Respectively，the end-corner reflection of 45°、60°and 70°Ultrasonic transducers is tested.First，all reflection echo signal are sampled and analysed，and then the end-corner reflection echo signals is isolated basing on ultrasonic propagation law and the end-corner reflection wavesmode conversion law.The relative reflectance of the above signal is computed at last.Test results show that45°transversewave transducer end-corner reflection close to the total reflection.The clutter from the end-corner reflection of longitudinalwave transducer ismore than the transverse wave transducer.

Metrology；Ultrasonic；End-corner reflection；Wavesmode conversion；Relative reflectance

TB95

A

1000-1158（2014）06-0617-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．21

2013-01-23；

2013-10-30

凌礼恭（1985－），男，湖北麻城人，环境保护部核与辐射安全中心工程师，研究方向为核安全设备在役检查、焊接、无损检测、金属材料、核安全等。lingligong2008＠aliyun.com