相控阵超声检测扇形扫描角度范围

姜学平，王 鹏，郑 晖，韩庆邦

（1.河海大学，常州 213022；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029）

相控阵超声检测技术灵活、可靠、高效、受人为因素影响小、无辐射无污染、检测结果直观可保存，适宜于特种设备领域多种焊缝的无损检测，国内外相关标准、设备、软件也因此不断丰富完善［1－2］。特种设备焊缝检测中采用相控阵超声斜入射脉冲横波回波法进行检测，检测方法为扇形扫描，线性扫查［3］，如果设置入射角度大于第一临界角、小于第二临界角，则工件中只有横波，通过声线模型，设置探头位置和角度范围，实现声束全覆盖待检测区域，同时必须考虑声束在楔块－工件界面的声透射，保证检测声能量。因此，需要研究存在两种介质分界面时的声透射问题。孙芳等将带有楔块的相控阵超声检测问题简化为液－固界面声传播的问题，推导了平面波入射液－固界面的声透射系数［4］。张碧星等开展了压电长条辐射声场在液固界面上的反射和折射特性研究，发现其特性和平面声场中与入射角为θ的平面波在液－固界面上的反射系数、折射波透射系数完全相同［5］。而在特种设备焊缝的相控阵超声检测时，纵波在楔块中传播，经楔块－被检测工件界面进入检测工件，需要讨论声波在固－固滑移界面的透射率［6］。

笔者利用平面波理论和固－固滑移边界条件推导了入射纵波经过楔块－被检工件之间的固－固滑移界面后，折射到工件中的声能量透射率的表达式，并进行了数值计算，研究声能量透射率和入射角度的关系，为确定相控阵超声检测工艺设计中的扇形扫描角度范围提供参考。

1 相控阵扇形扫描理论

采用相控阵超声斜入射脉冲横波回波法扇形扫描检测焊缝时，一般情况下，声辐射面辐射纵波经过斜楔后，在楔块－被检工件界面处发生模式转换形成折射横波进入工件，如图1所示。在楔块－被检工件界面一般涂有耦合剂，如机油、浆糊、水等，耦合层很薄，其厚度可忽略，楔块和工件的接触面可近似为固－固滑移界面，声波在界面反射和透射，如图2所示。假设楔块和待检工件为各向同性介质，入射声波为平面波，φinc、φr、ψr、φt、ψt分别为入射纵波、反射纵波、反射横波、透射纵波、透射横波的速度势；A、B为速度势振幅；下标p为纵波；s为横波；k为波数；ω为圆频率；c为声速，则：

在楔块－被检工件边界上法向位移和法向应力连续，切向应力为零，即在边界y＝0处有：

图1 斜探头入射和模式转换原理示意

图2 固－固滑移接触界面处声反射和透射原理示意

式中：下标y为沿y方向的物理量；x为沿x方向的物理量；下标1为y＞0的区域，即楔块介质；下标2为y＜0的区域，即待检工件介质；u为质点位移；τ为应力。其中：

将式（1）和（3）代入式（2），运用Snell定律，进行代数化简得到纵波入射在固－固滑移界面反射声波和透射声波振幅的关系：

式中：Bt为透射横波振幅；Ai为入射纵波振幅；θ为声传播方向与界面法向的夹角；ρ为介质密度。

在确定入射角θp1的情况下，横波声能量透射率为：

设楔块纵波声速cp1＝2330m·s－1，横波声速cs1＝1136m·s－1，密度ρ1＝1.18×103kg·m－3；工件材质纵波声速为cp2＝5916m·s－1，横波声速为cs2＝3236m·s－1，密度为ρ2＝7.8×103kg·m－3，由式（4）和（5）即可计算出有机玻璃作为斜楔检测低碳钢的声能量透射系数。

2 结果分析

滑移界面边界条件下，声束以不同的角度由有机玻璃楔块倾斜入射到钢中的声能量透射率曲线如图3所示。

图3 斜探头入射纵横波透射率曲线

由图3可见，入射角在27°～56°范围内，声能量能很好地进入检测工件，此时折射角为38°～90°，大于第一临界角23°，工件中没有入射纵波。检测可以通过调整探头位置和扇形扫描的角度范围实现声束覆盖待检测区域对焊缝进行检测，在相控阵超声检测中，通过延时控制声束偏转角度，偏转角度越大，等效声辐射口径越小，则声能量会变得更小，声束指向性变差，检测声束更加发散，降低了检测分辨力；同时由于声束存在一定的发散角，发散声束的折射角只要大于第二临界角即会产生界面波，影响检测，所以折射角上限一般不大于75°。由于承压设备焊缝检测中，横波声速因材料、检测温度等有变化，对于低碳钢，声速在3213～3313m·s－1范围内时，建议设置扇形扫描角度范围小一些，声辐射有效口径如图4所示［7］。

图4 声辐射有效口径示意

3 结语

针对相控阵超声斜入射脉冲横波检测特种设备低碳钢焊缝时的扇形扫描角度范围的问题，采用平面波理论和固－固滑移边界条件推导了纵波入射到楔块－钢平面界面的声能量透射率，并进行计算，发现在以有机玻璃作为楔块材料时，扇形扫描时声束的入射角度范围为27°～56°，对应折射角为38°～90°，但考虑到声束偏转角度过大时有效声辐射口径变小，检测声束会发散并产生界面波的干扰，建议扇形扫描角度范围上限不大于75°。

［1］DRINKWATER B W，WILCOX P D.Ultrasonic arrays for non－destructive evaluation：A review［J］.NDT ＆E International，2006，39（7）：525－541.

［2］ASME－2013Boiler and pressure vessel code（V）：nondestructive examination［S］.

［3］Q／CSEI 01－2013 钢制承压设备焊接接头相控阵超声检测［S］.

［4］孙芳，曾周末，王晓媛，等.界面条件下线型超声相控阵声场特性研究［J］.物理学报，2011，60（9）：1－6.

［5］张碧星，王文龙.凹面相控阵聚焦声场在液固界面上的反射和折射［J］.物理学报，2008，57（6）：3613－3619.

［6］强天鹏，孙忠波，肖雄，等.超声相控阵角度偏转极限测试方法探讨［J］.无损检测，2012，34（3），21－24.

［7］CHARLESWORTH C.Ultrasonic phased array testing in the power generation industry：novel wedge development for the inspection of steam turbine blades roots［D］.Conventry：University of Warwick，2011.