Page 97 - 《应用声学》2021年第4期

第 40 卷 第 4 期 周庆祥等： 超声 C 扫描用喷水系统设计及其检测稳定性 581

当工件内部有缺陷存在时，声波被缺陷部分或完全 超声波的反射和折射和超声波在传播过程中的能
遮挡，这样就可以根据接收探头接收到的超声波能 量衰减。因此，喷头的结构设计会影响超声检测的
量的衰减程度来判定缺陷严重程度。对于厚度尺寸 性能，是检测系统设计的关键。喷头中通过水套腔
较大和衰减系数较强的材料，常采用喷水穿透法进 体安装超声探头，并应能根据需要更换不同口径的
行检测。 喷嘴。
根据复合材料检测的工艺要求，本文使用的探
1.2 喷水系统组成
头晶片直径为 ϕ19 mm，频率为 1 MHz，探头外壳直
喷水式耦合超声检测设备需要一套提供稳压、
径为ϕ25.4 mm。下面以6 mm口径的喷嘴为例进行
稳流的耦合水柱的水循环系统。本文设计的喷水
喷头设计。
系统主要由储水槽、过滤器、增压泵、稳压罐、泄压
(1) 水套腔体
阀、压力表、流量计、节流阀、分流器、流速计、喷头、
喷头的水套腔体通常包括 3部分，即进水腔、配
水管等组成，如图 2 所示。系统包括两个独立的喷
水盘 (也叫导流盘)、耦合腔，如图 3 所示。当具有
头，当两个喷头同时工作时，可用于穿透法检测；任
一定压力的耦合水从狭窄的进水管路流入相对 “宽
意一个喷头单独工作时，可用于反射法检测。系统
敞” 的进水腔后，流速会减慢，同时流动方向发生紊
的流量调节范围为 0 ∼ 13 L/min，流量调节精度为
乱。为此设计一个配水盘将紊乱的水流适当地进行
0.1 L/min，系统的水压调节最大值为 0.5 MPa。为
导流进入耦合腔，并将配水盘设计成多孔反冲结构，
保证进入喷头中的水是稳压的、稳流的、无气泡的
这种结构一方面使水流的流动状态变得稳定，尽量
耦合水，该系统设计有稳压罐、水气分离装置等。
形成层流状态；另一方面，它将水流导向冲向超声探

Ѭื٨ ᘿጳᦊѬ 头，可冲消可能吸附在探头上的微气泡，这是喷水超
Ի࿘ᒭၹ 声耦合稳定性的必要保证。本文根据探头的直径而
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ืᤴᝠ ืᤴᝠ ࠱ขೝ฾ 设计的进水腔的直径为 ϕ28 mm-ϕ30 mm 的阶梯形
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ᓬื᫙ ͈ ᓬื᫙ 如图3所示。
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঴ื (2) 喷嘴设计
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喷嘴通常设计成锥形收缩型结构 [9−10] ，喷嘴
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的入口参数、出口参数以及长径比等参数都会影响
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᣿ ܙ ԍ ሷ 喷嘴出口射流的质量。但喷嘴内部流道型线对射流
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٨ ด ᫙ Ꭹ Ѭሏ٨ ᧚᫙ 流场的影响也不可忽视。在锥型喷嘴中，当流体断
面减小时，流体质点受流动方向一致的正压差作用
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ϲඵയ ҧ 而加速流动，由于惯性作用，在边壁转折突变处后
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方与边壁分离，形成漩涡区 [11] 。由于漩涡区是紊流
图 2 喷水耦合系统设计
状态，所以会严重影响超声波的传播。当流道型线
Fig. 2 Design of the coupling system with jetted
为维多辛斯基曲线时，在入口截面产生的横向压力
water stream
梯度和径向分速度逐渐减小，并在出口之前趋于零，
1.3 喷头结构与参数设计 从而获得均匀的出流速度场 [12] ，因此可获得优质出
喷水式耦合属于一种 “动” 水耦合，与水浸式的 射射流束，对超声波传播影响小。但是，维多辛斯基
静水耦合相比，超声波声场分布会受到腔体结构和 曲线喷嘴不易加工，所以本文设计的喷嘴的前段腔
出水水柱形状两部分空间内耦合环境的影响。受 体呈 “喇叭” 状，近似于维多辛斯基曲线，并在其后
流体特性的影响，耦合水的层流状态有利于超声传 设计一直筒管段用于对可能出现的发散水流进行
播的稳定性，而耦合水的湍流状态会导致超声噪声 准直。通常锥形收缩型喷嘴的直筒段的长径比一般
信号增加。喷水式耦合法相比于水浸式耦合法，超 设计为3∼7 [13] ，本文由于采用了“喇叭”段代替锥形
声波的传播是在受约束的空间内传播，喷头内部的 段，因此将直筒段的直径和长度之比设计为 3，这样
水 -腔体、射流水柱中水 -空气等诸多界面都会造成 既使耦合水在喷出后在一定距离下形成稳定的射