Page 75 - 《应用声学》2020年第6期

第 39 卷 第 6 期 王铮等： 小直径棒材纵波斜入射检测仿真分析 869

件中可能存在折射纵波和折射横波，如图1 所示，折
0 引言
射波角度与入射波角度之间的关系符合斯奈尔定
律 [16] ：
金属小直径棒材可用于制造航空发动机中的
sin α sin β L sin β S
紧固件、叶片等关键制件 [1−2] ，材料质量关系到发 = = , (1)
c L1 c L2 c S2
动机使用安全。然而，小棒材生产过程中不可避免
式(1) 中：α 为入射纵波角 ( )；β L 为折射纵波角 ( )；
◦
◦
地产生裂纹、夹杂、孔洞等缺陷 [3−5] ，严重影响产品
β S 为折射横波角 ( )；C L1 为入射纵波声速 (m/s)；
◦
使用寿命，威胁发动机运行安全。因此，有必要对其
C L2 为折射纵波声速 (m/s)；C S2 为折射横波声速
进行高可靠性无损检测。
(m/s)。
超声水浸聚焦检测技术，以其声束宽度小、声
场能量集中以及入射声波角度可调等优势，被认为 К࠱ጫฉ
是能够满足新一代航空发动机用小棒材缺陷检测
的先进技术 [6−9] 。一般采用纵波直入射检测棒材内 α
部缺陷，采用纵波斜入射检测表面及近表面缺陷。 ̮᠏1 β L
当进行纵波斜入射检测时，声波穿过小棒材的大曲 ̮᠏2 β S
率表面，遇缺陷后返回探头的过程，通常会发生声波 ઉ࠱ጫฉ
反射、折射、散射、衍射以及波型转换等一系列物理 ઉ࠱ഷฉ
变换，探头最终接收到的信号为一种或几种信号的
合成信号。在这一复杂的传播过程中，缺陷与声波 图 1 纵波斜入射检测透射波示意图
聚焦区域的相对位置，决定了探头接收到缺陷信号 Fig. 1 Schematic diagram of longitudinal wave
幅值的强弱，而这一相对位置主要受声波入射角度 oblique incidence detection
和检测水距的制约。实际检测中，经常出现由于检
当入射纵波角满足公式(2)，折射后产生折射纵
测条件设置不当、对声束传播路径判断错误等原因，
波和折射横波；当入射纵波角满足公式 (3)，折射后
而导致缺陷漏检、误检的情况 [10−11] 。
仅产生折射横波；当入射角满足公式 (4)，入射纵波
缺陷超声检测仿真技术 [12−15] ，是通过缺陷建
在介质表面产生表面波 [16] 。
模、检测条件虚拟构建及数字化计算等手段，为零 C L1
件检测中不可见的、复杂声波传播行为提供的一种 α < sin −1 , (2)
C L2
可视化声场分析技术。仿真结果可用于了解材料表 C L1 C L1
sin −1 < α < sin −1 , (3)
面和内部声场分布规律，比较不同部位缺陷响应能 C L2 C S2
力，以及量化分析检测参数对检测结果的影响，对零 α = sin −1 C L1 . (4)
件检测工艺制定具有指导意义。 C R2
采用纵波斜入射对工件进行检测时，为避免众
本文针对小棒材纵波斜入射检测中的主要参
多波型之间的相互干扰，且能够有效对表面及近表
数——入射纵波角度和检测水距，开展声场及缺陷
面缺陷进行检测，通常采用纯横波检测，即入射纵波
声响应仿真实验，并通过实验验证仿真结果。
角满足公式(3)，保证主声束折射后为纯横波。但是，

1 检测原理 由于探头声束具有一定宽度，采用聚焦探头对棒材
进行斜入射检测时，探头不同部位发射的声束在棒
根据波动中质点振动方向与波的传播方向的 材表面具有不同的入射角，如图 2 所示。此时，探头
不同关系，可将波动分为多种波型，在超声检测中 边缘发射的声束在棒材中不可避免地产生折射纵
主要应用的波型有纵波、横波、表面波 (瑞利波) 和 波和表面波干扰。
兰姆波。纵波斜入射检测是指纵波以一定角度入射 针对这一现象，可通过调整检测参数，来增强
到被检件表面，采用透射声波对被检件中缺陷进行 检测区域主声束能量，降低干扰信号能量，以达到增
检测。当被检件是固体时，透射声波会发生波型转 强缺陷检测能力的目的。小棒材超声水浸聚焦检测
换和声波传播方向的变化。斜入射纵波在固体被检 中，主要检测参数有入射纵波角度和检测水距。入