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超声导波的产生方法有两种,一种是倾斜入射法,一种是平行入射法。本文讨论前一种方法。
3.1纵波倾斜入射法理论概要
一般纵波或横波,以及表面波的探头,晶片的振动方向,是垂直或倾斜指向工件表面的,这是科学的(因为符合折射定律),也是容易理解的。
GB/T12604.1《无损检测 术语 超声检测》关于板波的定义,也提到了“入射角”,似乎导波的产生,是倾斜入射法; 特压超声教材(2008版)第159--161页,也是讲的倾斜入射法,产生导波的。然而,对于倾斜入射产生导波的原理,笔者认为,尚有许多问题,尚待讨论。对导波检测技术,我总的感觉是:应用容易,理解难。所谓“应用容易”,是指:实际使用时,通常是根据随设备提供的某钢种、某一壁厚,查得入射角,选用设定探头,从而在工件中产生导波,按说明书进行检测,就行了。所谓“理解难”,是指:至今,很少有资料(也许有,但笔者未见),讲清了选择导波探头入射角的理论,或者说,很少有资料讲清倾斜入射,是怎么产生的导波?
下面的叙述,是笔者揣测性的理解,算一知半解吧,希望对感兴味的朋友能起点参考作用,希望沟通交流,更希望相关专家指正。
截止目前为止,几乎我们利用的超声波,都是脉冲波,脉冲导波强调群速度。
如前所述,某钢种和某一壁厚下的频率与群速度关系曲线,叫群速度的频散曲线(纵坐标是群速度,横坐标是频率,对薄钢件而言,最大群速度为纵波速度),而且,频率与群速度有多条频散曲线,即多模态。
笔者认为,在多模态群速度的频散曲线图上,一定能找到某频率范围(Δf),对应某条频散曲线的是平行于横坐标的一段,或接近平行的一段(即在Δf频率变化范围,群速度Cg基本无频散,基本不随频率变化),且这个基本无频散的群速度Cg,较之Δf频率范围其它群速度要大得多。设Δf中心频率为f,f即为选定的导波频率,而f对应的无频散群速度Cg,就是选定的导波群速度。
由于对应f,Cg较其它模态速度大,所以,示波屏最先出现的回波肯定是速度为Cg的回波。此回波之后的回波,可视为杂波,不予理睬。这是超声导波检测的基本原理。
从理论上,我们希望上述Δf频率变化范围越小越好,以便方便确定导波频率f和群速度Cg。但导波Δf频率变化范围等同于入射纵波有效频率范围。所以,入射的纵波脉冲,应该是宽脉冲、窄频带(Δf小);而不是窄脉冲、宽频带(Δf大),即特压《超声检测》教材(2008版)第161页讲的:应避免“当脉冲宽度很窄时,也就是说它包含的频谱较宽时”。
使用下列公式计算纵波入射角:
SinαL=CL/Cg (1)
式中:αL----纵波入射角;
CL----楔块中的入射纵波速度;
Cg----由频散曲线确定的薄件中导波群速度,是个对应频率和工件厚度的特定值。
笔者注:公式(1)所以成立,系似乎认为导波也遵守折射定律(请注意,这只是一种认为,折射定律根本不涉及导波),导波的折射角β=900,
CL/sinαL= Cg/sin900= Cg (2)