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可调入射角的超声波斜探头的设计

鄂尔多斯市特种设备检验所
牛草丰

目 录
引言··································································1
第一章 可调入射角超声波斜探头设计原理·································2
1超声波的性质·······················································2
1.1良好的指向性····················································2
1.2超声波入射异质界面的透射、反射··································3
第二章 超声波探头·····················································6
1压电效应···························································6
2超声波的产生和接收·················································6
3超声波探头·························································6
3.1超声波探头的概念·················································6
3.2超声波探头的种类·················································6
3.3可调入射角超声波斜探头···········································7
参考文献·····························································11

引 言
超声波检测是工业无损检测中应用最为广泛的一种方法，就无损检测而言，超声波适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，无论是钢铁、有色金属和非金属．都可以采用超声波法进行检验 各种机械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力容器等，都可以采用超声波进行有效的检测。有的采用手动方式，有的可采用自动化方式。就物理性能检测而言，用超声波可以无损检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等。
伴随着电子计算机的普及和应用，超声检测仪器和检测方法都得到了迅速的发展，使超声检测的应用更为普及。目前，电子计算机在超声检测中已能完成数据采集、信息处理、过程控制和记录存储等多种功能。许多超声检测仪器都把微型电子计算机作为一个部件而组装在一起，去执行处理数据和图像的任务。一些全电脑对话式超声波探伤仪，可在屏幕上同时显示回波曲线和检测数据，存储仪器调整状态．缺陷波形和各种操作功能；用打印机输出可供永久配录的各种数据和图形资料，并直接出计算机编制测试报告。
超声检测是无损检测领域中应用和研究最活跃的方法之一。比如，用声速测定法评估灰铸铁的强度和石墨含量。超声衰减和阻抗测定法确定材料的性能，用超声波衍射和临界角反射法检测材料的机械性能和表层深度，用棱边波法、表面波法和聚焦探头法对缺陷定量的研究，用超声显像法和超声频谱分析法的进展和应用。用多频探头法对奥氏体不锈钢原焊缝的检测．用超声测定材料的内应力的研究。特殊波型如用管波模式检测管材的研究，采用自适应网络对不同类型缺陷的波形特征进行识别和分类，噪声信号超声检测法，超高频超声检测法，宽频窄脉冲超声检测法，以及新型声源的研究例如用激光来激发和接收超声的方法和各种新型超声检测仪器的研究等，都是比较典型和集中的研究方向[1]。

第一章 可调入射角超声波斜探头设计原理
1超声波的性质
1.1良好的指向性
所谓超声波具良好的指向性，有以下二个含义：
(1)直线性 超声波的波长很短(毫米数量级)，因此它在弹性介质中能像光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固定介质来讲是个常数，因此根据传播时间就能求得其传播距离，从而为探伤中缺陷定位提供了依据。
(2)束射性 声源发出的超声波能集中在一定区域(称为超声场)定向辐射。今以圆形压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场(图1-1)为例进行讨论
声场可视为理想声场。分析表明：
1)超声波的能量主要集中在20以内的锥形区城内(图1-1a)。θ越小，波束的指向性越好，超声波能量集中，探伤灵故度高，分辨力高和定位精确。公式1：
θ=arcsin1.22λD
θ：半扩散角

图1-1 圆盘源超声场
λ：波长
D：压电晶片直径
公式1表明。波长越短(或超声频率越高)，压电晶片直径（声源尺寸)越大，则声束指向性越好。
2)近场区中由于波的干涉声压起伏很大(图1-1b)，这会使处于声压极大值处的较小缺陷回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷却回波较低，这必将引起误判。因此，超声波探伤中总是尽量避免在近场区定量。
公式2：
N≈D24λ
N：近场区长度
3)因声场中不同纵截面上的声压分布是不同的(图1-1c)，而当X≥N(X——距压电晶片表面的距离)的各纵截面中心声压最高，偏离中心轴线的声压逐渐降低。实际探伤中测定探头波束轴线的偏离程度时，规定在N以外就是这个原因。
4)末扩散区(图1-1a中，b≈1.64N)内，波阵面近似平面，声场可看成是平面波声场，平均声压基本不变；扩散区其主波束可视为底面直径为D的截头圆锥体，当X≥3N时，波束按球面波规律扩散。
应该指出，实际焊缝探伤中所用的常是金属介质中的脉冲被横波声场（简称实际声场)，这要比以上分析的理想声场复杂的多，但二者有其基本相似之处。
超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播。
超声波通过介质时，以介质质点的振动方向与波的传播方向间相互关系的不同，可分为纵波、横波、表面波和板波等。
应该注意，由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型。因此，对金属(焊缝)进行探伤时必须选定所需超声波类型(通常选择横波)，否则，会使回波信号发生混乱和得不到正确的探伤结果。同时，探伤中通常把空气介质亦作为真空处理，即认为超声波不能通过空气进行传播[2]。

1.2超声波入射异质界面的透射、反射
超声波从一种介质入射到另一种介质时，经过异质界面将产生以下几种情况：

图1-3 超声波的绕射现象

图1-2 超声波垂直入射异质界面
1.垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射 当超声波从一种介质垂直人射到第二种介质上时，其能量一部分反射而形成与入射波方向相反的反射波，其余能量则透过界面产生一与入射波方向相问的透射波(图1-2)。超声波反射能量W反与超声波入射能量W入之比称之为超声波能量反射系数，即K＝W反／W入。
显然，异质界面上的反射是很严重的，尤其固-气界面K≈100％，因此，探伤中良好的耦合是必要条件。当然，焊缝与其中缺陷构成的异质界面也正因为有极大的反射才使探伤成为可能。同时，反射系数K值仅决定于二介质声阻抗Z之差，且差值越大，则K值越大，而与何者为第一介质无关。当界面尺寸df很小时，声波将能绕过其边缘继续前进，即产生波的绕射(图1-3)。由于绕射使反射回波减弱，—般认为超声波探伤中能探测到的最小缺陷尺寸为df=λ／2，这是一个重要原因。显然，要想能探测到更小的缺陷，就必须要提高超声波的频率。
2.倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦，若超声波由一种介质倾斜入射到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的反射和折射，并产生波型转换(图1-4)。按几何光学原理，不同波型的声波入射角、反射角、折射角的关系如公式3：
sinαcl =sinαlcl1= sinαscs1 =sinγlcl2=sinγscs2
Cl、Cl1：介质1的纵波声速
Cs1：介质1的横波声速
Cl2：介质2的纵波声速
Cs2：介质2的横波声速
α：声波入射角
αl：纵波反射角
αs：横波反射角
γl：纵波折射角
γs：横波折射角
从公式3知，当入射角增大时，折射角和反射角随之增大。从（图1-4）知，当纵波折射角为900时，在第1介质内只传播横波，这时的声波入射角称第一临界角；当横波折射角为900时，在第1介质和第2介质的界面上产生表面波的传播，这时的声波入射角称第二临界角。在进行焊缝超声波探伤时，第1介质为探头的有机玻璃或环氧树脂，第2介质为钢材，则按公式4计算临界角：

图1-4 超声波纵波入射时的反射与折射
第一临界角 α1m=arcsin(cl1cl2sinγl)
Cl1：介质1的纵波声速
Cl2：介质2的纵波声速
γl：纵波折射角
第二临界角 α2m=arcsin(cl1cs2sinγs)
Cl1：介质1的纵波声速
Cs2：介质2的横波声速
γs：纵波折射角
1)当α＜α1m时，策2介质中既存在折射纵波又存在折射横波，这种情况在探伤中不采用。
2)当α＝αl m～α2m时，第2介质中只存在折射横波。这是常用的斜探头的设计原理和依据，也是横波探伤的基本条件。
3)当α＞α2m时，第2介质中既无折射纵波又无折射核波，但这时在第2介质表面形成表面波，这是常用表面波探头的设计原理和依据。
因为超声波进入介质后有产生折射的性质，所以如同光线一体可利用透镜产生聚焦性能。聚焦所用声透镜可用液体、金属、有机玻璃和环氧树脂等材料制作。通常做成点聚焦(球凹面)和线聚焦(柱凹面)声透镜。同理，对于曲面工件的探伤由于曲面的凹向亦将产生聚焦和发散的问题，对探伤产生影响[2]。

第二章 超声波探头
1压电效应
某些晶体材料或多晶材料在应力作用下而产生变形时，在晶体的界面上出现电荷的现象叫正压电效应。而在电场的作用下，晶体发生弹性形变的现象，称为逆压电效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。能够产生压电效应的材料称为压电材料。超声波检测中用来制作超声波探头的材料主要有：石英（SiO2）、硫酸锂（LiSO4）、碘酸锂（LiIO3）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、锆钛酸铅(PZT)等[1]。
2超声波的产生和接收
超声波检测是通过探头产生和接收超声波，探头的核心元件是薄片状压电晶体，通常称为压电晶片。探伤仪发射电路产生的高频电脉冲加于探头时，激励压电晶片发生高频振动，产生超声波。相反，当超声波传至探头而使晶片发生高频振动时，晶片便产生高频电振荡，送至探伤仪放大电路，经放大和检波，在示波管上显示出波形，这就是超声波的产生和接收过程。可以看出，探头是利用压电晶片的逆压电效应产生超声波，同时利用压电晶片的正压电效应接收超声波的[2]。
3超声波探头
3.1超声波探头的概念
超声波探头是电一声换能器。超声波检测中，超声波的产生和接收过程是一种能量转换过程，这种转换是通过探头实现的，探头的作用就是将电能转换为超声能(产生超声波)和将超声能转换为电能(接收超声波)。

图2-1 直探头结构
1接头2外壳3阻尼块4电缆线5压电晶片6保护块
将能量从—种形式转换为另一种电声能量转换器件。因此探头也称为超声换能器或电声换能器[1]。
3.2超声波探头的种类
(1)直探头 声束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头，可发射和接收纵波。典型结构参见图2-1。
(2)斜探头 利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜探头，典型结构见图2-2。图中斜楔块用有机玻璃制作，它与工件组成固定倾角的异质界面，使压电晶片发射的纵波通过波型转换，以折射横波在工件中传播。其它组成部分的材料和作用同直探头的相应部分。通常横波斜探头以钢中折射
图2-2 斜探头结构
1吸收快2斜楔块3压电晶片4内部电源线
5外壳6接头
角标称：γ＝40。、45。、50。、60。、70。；有时也以折射角的正切值标称：K＝tgγ＝1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。
(3)水浸聚焦探头 基本结构见图2-3。声透镜由环氧树脂浇铸成球形或圆柱形凹透镜，遵循折射定律可使声束会聚到一点或一条线，前者称点聚焦探头，后者称线聚焦探头。由于声束会聚区能且集中，声束尺寸小，因而可提高灵敏度和分辨力。

图2-3 水浸焦距探头结构
1接头2外壳3阻尼块4压电晶片5声透镜
(4)双晶探头 双晶探头又称分割式TR探头，内含二个压电晶片，分别为发射、接收晶片，中间用川隔声层隔开。主要用于近表面探伤和测厚[2]。

3.3可调入射角超声波斜探头
可调入射角超声波探头主要是由一个直探头，滑道和一个箱体组成。直探头是其中最主要的部件，是由压电晶片，阻尼块，导线和一个拉杆组成。由于现有的探头存在探测范围太局限的原因，我设计该可调入射角的超声波的探头。该探头改善了直探头对与之垂直的裂纹不敏感的缺点，同时也将斜探头的探测范围进一步扩大，改进了探头功能。
(1) 压电晶片 由压电材料切割成薄片制成，材料分单晶（石英、硫酸锂和碘酸锂等）和多晶（钛酸钡、钛酸铅和锆钛酸铅等压电陶瓷）两大类。晶片两表面敷有银层作电极，“-”极引出的导线接发射端，“+”接地。
(2) 阻尼块 由环氧树脂、硬化剂（二乙烯三胺或乙二胺）
（3）导线 由橡胶和铜线组成，用于连接电感和压电晶片。
（4）拉杆 和箱体用一样的材料——铝合金制成，在直探头的顶部用钎焊的方式固定，作为探头滑动的动力杆。
整体思路就是将超声波直探头装在弧形导轨上，将直探头转变成为可转变角度的可调入射角的斜探头，封装在一个封闭的空间内整体形成一个探头。
而探头的底部适用有机玻璃做封装，也有利于超声波通过。箱体壁厚全是1mm，有机玻璃的厚度也是1mm。箱体内所使用的直探头也是自行设计的。外壁材料是镁铝合金，所用的压电晶片规格是φ12，厚度是1mm，探头的壁厚是1mm，高度10mm。在探头上所安装的拉杆是直径为φ4的圆柱体棒材。为与探头进行连接，在末端处有弯折，弯折高度是6mm，长度是66mm。在探头的侧壁装有能在滑轨中滑动的长度为14mm，高度为6mm的弧形滑头，便于在箱体的滑道内滑动。所使用的超声波的频率为2.5MHz。
首先在所设计的探头箱体内部充满甘油耦合剂，目的是为了能让超声波的透射增加。由下面的公式1可知添加甘油的合理性：
公式5：R =Z2-Z1Z2+Z1*100%
R：声压反射率
Z2=3.2（10MPa/s）：有机玻璃声阻抗
Z1=2.4（10MPa/s）：甘油声阻抗
得出 R=14%
因此，甘油与有机玻璃的界面反射率是14%，无全反射，可以正常使用。
由2.2章节中可知，超声波探伤主要是用横波探伤，所以入射角必须处于第一，第二临界角的范围内才能使用。由于超声波探头主要探测目标是钢材，因此该探头必须以第一介质为甘油，第二介质钢材来计算临界角，如公式5,公式6：
公式5：α1m=arcsin(CL1CL2sinγL)
公式6：α2m=arcsin(CL1CS2sinγS)
α1m:第一临界角
α2m:第二临界角
CL1=1880（m/s）：甘油纵波声速
CL2=5900(m/s)：钢材纵波声速
CS2=3230(m/s)：钢材横波声速
γL=900：纵波临界角
γS=900：横波临界角
得出α1m=18.70，α2m=35.50
因此该探头的调节范围为18.70 ～35.50 ，为考虑到机械误差或扩大使用范围，比如还可能使用该探头进行表面波探伤等等，所设计的角度调整范围是150～500，如零件图中所示。
箱体的体积是根据探头摆动范围设计的，具体过程如下：
长度：当入射角λ=500时，直探头所激发的超声波范围：
S1=12sin40=18.66mm
为使得探测精确，比如不在近场区定量等因素，在探头处于入射角方向提高16mm，
根据公式2：N=D24λ
N：近场区长度
D=12mm：压电晶片直径
λ=2.36mm：超声波纵波的波长
N=16mm
探头的高度为10mm
S2=cos400*(16+10)=19.92mm
在探头的侧面因为要考虑到超音速的消声问题，所以要增加一层消声区，防止超声波的反射影响检测。所以，设计超声波消声区的长度为S3=5mm。
S底边=S1+S2+S3=18.66mm+19.92mm+5mm=43.58mm≈44mm
所以，探头箱体长度为44mm。
高度：当入射角λ=150时，由以上关系可知探头在入射角为500时，压电晶片中心距离导轨圆弧圆心的距离是：
H1=cos400*S12+16mm=23.15mm
压电晶片最高端距箱体底边高度为：
H2=23.15mmsin75=23.96mm
探头侧边高度：
H3=10mmsin75=10.35mm
拉杆侧面高度：
H4=6mmsin75=6.21mm
H=H1+H2+H3+H4=23.96mm+10.35mm+6.21mm=38.45mm≈40.52mm
所以，探头箱体高度为41mm.
宽度：根据探头的规格设计，为考虑误差，探头俩侧增加0.5mm空间，侧壁上的滑道宽为2mm：
L=14mm+0.5mm*2+2*2=19mm
所以，箱体宽度为19mm.
以上箱体的体积的数据都未算壁厚，因此，探头箱体的实体大小要在数据上加上壁厚。所以，探头箱体的长度是46mm，高度是43mm，宽度是21mm。

图2-1 超声波入射150角的反射路径
消声区是超声波探头必不可少的一个部分，它关系到探头使用精度问题。所以在设计中也要格外费心。前面说到了消声区是的目的是防止超声波的反射波进入压电晶片。因此想利用锥形体的连续反射将反射的超声波能量削弱至没有。如图：临界状态下，当椎体的顶角为450时，超声波经一次反射完全返回，未起到消声作用，经计算，将椎体的顶角设计为150，超声波经大于5次反射后，才能从消声区反射出来，起到了消声的目的。具体过程如（图2-1）：

参考文献

［1］ 邵泽波．无损检测技术．北京．化学工业出版社．2003：61-64；84；95-96
［2］ 赵熹华．焊接检验．北京．机械工业出版社．1993：69-75