Page 98 - 《应用声学》2021年第4期
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流水柱，又可适当减小喷嘴的长度。考虑以上影响 ϕ5 mm的圆形缺陷，和4 mm×6 mm、7 mm×8 mm、
因素并结合实际设计经验，本文设计的喷嘴结构如 8 mm ×8 mm 的矩形缺陷，分布在试板的上层、中
图 3 所示。喷嘴喇叭形弧段半径 R 为 30 mm，喷嘴 层和下层，如图4所示。
流道直径ϕ6 mm。
(3) 进水管路设计
φ5 φ4 φ3
由于喷嘴与超声探头的轴线必须同轴，喷头中
的进水口只能设计在平行于探头的旁侧，或垂直于
进水腔。为减小喷头所占用的空间和方便夹持，采 8T8 7T8 6T4
用如图 3 所示的平行式进水管路设计。进水管路的
数量也会影响进入水套腔体的耦合水的流量和分
图 4 复合材料层压板试块示意图 (单位：mm)
布状态。理论上，进水管路越多，流入进水腔的耦合
Fig. 4 The composite sample reinforced by carbon
水流量越大，流场分布越均匀。但由于前述的配水
fiber (Unit: mm)
盘具有导流功能，并且其均匀的 “多孔反冲” 结构与
2.1 喷头结构对超声波传播的影响
喇叭形流道相结合，可对侧边进水口所带来的涡旋
流场进行较好的约束，因此，本文设计的进水管路数 探头的结构设计既要考虑结构对流场的影响，
量为1通道。 也要考虑结构对声场的影响。从探头发出的超声波
会在喷头中形成具有一定形状的声场。探头中心部
ᏹՌᑿ
分与直筒口径相等的声束 L 0 沿声束轴线向前传播，
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不受喷嘴结构的影响，经过射流水柱进入工件中进
行检测。而声束中部分扩散的声束 L 1 会在喷嘴弧
30 φ6
面处产生反射波 L 1 L 2 ，对检测无贡献，属于喷头结
构对声束声能造成固定量的衰减。声束中还有部分
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ᤉඵ 扩散声束 L 2 ，会在喷嘴弧面处产生反射波 L 2 L 2 ，并
ኮ
ᤉඵᑿ ᦡඵᄨ 25 在流道内不断产生反射波 L 2 L 2 L 3 ，以及 L 2 L 2 L 3 L 4
18 74 等等后续的反射波，如图5所示，这部分声束在较长
图 3 喷头结构设计示意图 (单位：mm) 的传播路径上会不断衰减，并且，耦合水从喷嘴喷出
Fig. 3 Design of the nozzle (Unit: mm) 后形成射水柱，射水柱与空气形成 “界面”，当流速
过快时，会使射水柱表面产生不规则曲面，如反射波
2 喷水耦合稳定性研究与试验
L 2 L 2 L 3 L 4 L 5 L 6 的界面，也会增加超声传播的衰减，
这部分声束对检测几乎也没有贡献。因此，喷头的
为了探究喷头的结构设计及检测工艺参数对
结构对超声束会造成一定量的固定衰减。
检测性能的影响，本文采用理论分析和试验相结合
如前所述，在探头与喇叭口之间的耦合腔会存
的方法，利用几何声学原理分析喷水超声检测射水
在不均匀的紊流场，紊流场就会造成超声衰减，而且
柱的耦合性能，然后结合检测试验进行讨论。试验
紊流越激烈，对超声衰减的波动的影响就越大。
采用的检测方法为超声喷水穿透法。超声波穿透工
件后声能的衰减量是表征缺陷严重程度的参量，因 2.2 射水距离对检测性能的影响
此，除由缺陷引起超声衰减外，凡是能导致超声波衰 试验研究采用控制变量法，即：研究某一参量
减的其他因素都是影响检测性能的参量。下面将分 的影响时，其他变量固定不变，在一定范围内对该
析喷头结构、耦合水流量、射水距离及检测方式对 参量进行调整。由于喷水耦合超声在对异形的构
检测性能影响的规律。 件或空间受限的结构区域进行检测时，需要较长的
试验采用的试块是某复合材料层压板试块。试 射水距离，因此，结合实际检测工况，需要调整喷
块长度为100 mm，宽度为70 mm，厚度为10 mm。试 水耦合系统的射水距离。试验是对试块中各分层
块中预埋了 6 处人工缺陷，分别为 ϕ3 mm、ϕ4 mm、 缺陷进行穿透法检测，设定扫查区域为 100 mm×
