Page 76 - 《应用声学》2020年第6期

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射纵波角度决定折射波型及折射波角度，从而影响 头选用 10 MHz 线聚焦探头，焦距 30 mm，晶片直
声场分布强度；检测水距决定探头焦点在被检件中 径6 mm。仿真工具为 CIVA 软件，设置高温合金材
3
的位置。 料密度 8.88 g/cm ，纵波声速 5630 m/s，横波声速
2960 m/s，探头 6 dB 带宽为 5 MHz，探头沿棒材圆
周采样，采样间距0.5 mm。
2.1 入射纵波角度对声场分布影响
α 0 α 2
α 1
◦
᛫᭧ฉ 根据第1节分析，当入射纵波角在14.7 ∼ 32.7 ◦
β 2
β 0 范围变化时，工件中产生纯横波，与之相对应的折射
β 3
ഷฉ
β 1
横波角度范围为 32.7 ∼ 90 。由于入射纵波角度与
◦
◦
ഷฉ ጫฉ 折射横波角度存在一一对应关系，为表述直观，下文
采用折射横波角度进行描述。保持检测水距30 mm
不变，选取大中小 3 个常用的折射横波角度：35 、
◦
45 、60 ，进行声场分布仿真。当折射横波角度小于
◦
◦
图 2 斜入射纵波在水/棒界面产生折射波种类
35 时，探头主声束在棒材中会出现折射纵波干扰，
◦
Fig. 2 Types of refraction wave produced by oblique
当折射横波角度大于 60 时，探头主声束在棒材内
◦
incident longitudinal at water/bar interface
部声场较弱，对近表面缺陷检测效果变差。棒材横
聚焦探头检测时，将探头焦点置于被检测部位， 截面的声场分布如图 3 所示，每种角度折射横波主
可以提高检测信噪比和分辨力，并有利于减小缺陷 声束与棒材表面最小距离如表1所示。
取向对缺陷检出的影响。声束垂直入射时，聚焦探
头焦距、检测水距及焦点在被检件中的深度位置之 表 1 不同折射角度下最大检测深度
间的关系，可用公式(5)表示 [16] ： Table 1 The maximum test depth with
different refraction angles
C L
H = F − l , (5)
C 水
折射角度/( ) 主声束与棒材表面最大距离/mm
◦
式 (5) 中：H 为水距 (m)；F 为探头水中焦距 (m)；l 35 2.0
为被检件中的聚焦深度 (m)；C 为水中纵波声速 45 1.5
水
(m/s)；C L 为被检件中纵波声速(m/s)。 60 0.6
2 声场仿真实验 纵波入射角度越大，对应的横波折射角度也越
大，折射横波主声束越靠近棒材表面，因此，棒材表
针对小棒材纵波斜入射检测，分别对入射纵波 面声场能量越强，内部声场能量越弱。折射横波角
角度和检测水距两个参数对声场分布的影响进行 度为 35 时，声能汇聚点靠近棒材内部，折射横波主
◦
仿真。仿真对象为 ϕ10 mm 高温合金棒材，检测探 声束距棒材表面最大距离达2 mm，可检测较大埋深

0 0 0
2.5 2.5 2.5
Z zone 5.0 Z zone 5.0 Z zone 5.0

7.5 7.5 7.5
10.0 10.0 10.0
-0.5 2.5 5.0 7.5 10.5 -0.5 2.5 5.0 7.5 10.5 -0.5 2.5 5.0 7.5 10.5
X zone X zone X zone
(b1) ഷฉઉ࠱ᝈ35° (b2) ഷฉઉ࠱ᝈ45° (b3) ഷฉઉ࠱ᝈ60°
(a) ͌ᄾ੕᭧ᇨਓڏ (b) ܦڤѬ࣋͌ᄾڏ
图 3 不同角度折射横波声场仿真
Fig. 3 Simulation of refraction transverse wave sound field with different refraction angles