特种设备知识库Special Equipment Knowledge Base

迟到波的声程间距为什么约为 0.76d

强转换选定一簇路径,每多穿越一次横截面就增加近似相同的时间,仪器把这段延时显示成 0.76d。

1. 迟到波绕到侧壁,途中换成了横波

迟到波是侧壁波型转换形成的非缺陷回波。纵波直探头的声束会扩散:中心部分直接往返底面,形成第一次底波 B1;边缘纵波斜射侧壁,转换为横波 S,斜穿宽度 d 到对面侧壁,再转换为纵波 L,经底面反射返回探头,形成 H1。

探头 LSL 侧壁侧壁底面 d
图 1|青色为纵波,橙色为横波。浅色轴线表示直接底波通道;虚线为返回探头的接收通道示意,不按比例复原完整反射射线。此图交代转换顺序。

2. 它晚到,因为横波既走斜路,又走得慢

钢中 CL=5900 m/s,CS=3230 m/s,横波速度约为纵波的 0.55 倍。横波穿越横截面要走 d/cosαS,大于横向宽度 d;这段斜路又用较低声速走完。与直接底波相比,它增加了传播时间,所以迟到波总出现在 B1 之后。

计算延时还要扣除这段斜路已经完成的轴向前进量:不能把全部横波时间都当成额外时间。

3. “特定值”来自角度、尺寸和重复路径

第一层:强转换使可见回波的角度集中。教材图 2-42 与第 6 章描述的纵波强转换区在入射角 60°~70° 附近,横波角度因此也集中在约 30° 附近。角度均相对侧壁法线测量。斯涅尔关系为 sinαS=(CS/CL)sinαL

严格代入所给声速,60°~70° 对应约 28.3°~31.0°;教材公式采用 αS≈33° 作近似计算。这里保留教材取值,不能把“70°、33°”当作精确满足斯涅尔关系的一对角度。其他角度的转换并非必然消失,但能形成明显迟到峰的声束受到转换强度与接收条件共同筛选。

第二层:新增时间只剩横向尺寸 d 这一尺度。一次横波穿越的时间为 d/(CScosαS),其轴向投影为 d·tanαS。直接纵波完成同样轴向位移的时间是 d·tanαS/CL,两者相减就是 Δt。

dd·tanαSd/cosαSαS 侧壁侧壁
图 2|横向为侧壁法线方向,竖向为工件轴向。橙色斜边是横波实际路程;右侧竖边是已经完成的轴向位移,因此要扣除对应的纵波时间。
教材公式 (6-11):纵波标定下的单程显示间距
Δt=d/(CS·cosαS) − d·tanαS/CL
Δx=CLΔt/2=Δw/2
=(d/cosαS × CL/CS − d·tanαS)/2
=(d/cos33° × 5900/3230 − d·tan33°)/2
0.76d

Δw 是 H1 与 B1 的纵波等效双程波程差,单位 mm;Δx 是仪器显示的单程声程差,单位 mm。除以 2 来自脉冲反射仪器的 x=CLt/2 标定,不表示横波实际走了两次。d 是两侧壁间的横向直径或厚度,T 是探头到底面的轴向距离,二者不要混用。

在上述钢材、平行侧壁和近似路径模型中,d 一定,间距就近似固定。T 决定 B1 的位置,却从增量中消去;探头频率和缺陷不出现在这个间距公式里。频率仍会影响声束扩散、衰减和回波是否可见。

第三层:每增加一次横波穿越,就重复同样的延时。横波到达侧壁时,一部分转回纵波,另一部分可继续反射并穿越到对侧。后续转回纵波的分支形成 H2、H3。因此教材理想序列中 B1→H1、H1→H2、H2→H3 的间距均约为 0.76d。

4. 补充推导:角度有小幅变化,位置仍很稳定

以下由教材公式推导,非教材原文。令 r=CL/CS,f(α)=Δx/d=(r/cosα−tanα)/2。角度用弧度求导,得到 f′(α)=(r·sinα−1)/(2cos²α)。驻点满足 sinα=CS/CL,即 α≈33.2°,且为极小值。

使用未四舍五入的 5900/3230,α 从 28° 变到 33°,Δx/d 从约 0.7685 变到 0.7643;均在约 0.76~0.77 内。驻点附近一阶变化很小,因此一簇邻近角度的声线可以具有接近的延时,这有助于解释峰位集中。公式说明到达时间不敏感;是否叠加成清晰高峰,还取决于幅度、相位、脉冲宽度与接收条件。

这个 33.2° 也是钢中横波入射自由侧壁、转换纵波趋于沿壁传播的临界角条件。本页直接说明其物理含义,不把它与楔块入射问题中的“第二临界角”混称。

5. A 扫描上,等间距从 B1 开始读

幅度声程 x/mm0 B1H1H2H3T 0.76d0.76d0.76d
图 3|横轴采用纵波单程声程标定,只画 B1 及其后的一组迟到波。H 波高度依次递减仅为示意,不是幅度定量规律;未画始脉冲和 B2。
回波显示位置横波穿越次数
B1T0
H1B1+0.76d1
H2B1+2×0.76d2
H3B1+3×0.76d3

例如仅作算例,取 T=100 mm、d=20 mm,间距约 15.2 mm,B1、H1、H2、H3 分别显示在 100、115.2、130.4、145.6 mm。这里的 20 mm 是假设横向尺寸,不是指定试块的实际尺寸。

6. 检测时用“位置+间距+探头响应”联合判别

先找准 B1,再检查规律。这类侧壁转换的迟到波位于 B1 后;简单直探头、直接往返路径中的内部缺陷回波通常在 B1 前。但不能反推“B1 后一定没有缺陷相关回波”,多次反射和复杂几何会改变到达时间。

量相邻波的间距,与实际横向尺寸算出的 0.76d 对照。连续多个间隔都接近预测值,是迟到波的重要特征;仅一个间距碰巧相符,不足以独立定性。还应观察扫查时波形与侧壁几何的对应关系。

用 IIW 或 CSK-IA 试块做辨认练习。按教材,把直探头对准 100 mm 厚底面,各次底波间可以看到一系列迟到波。先记录实际横向 d,再算间距;100 mm 是这里的轴向 T,不应直接代入 d。IIW 与 CSK-IA 试块的标准外形均为 300×100×25 mm,探头对准 100 mm 厚底面时,横向 d 为 25 mm,预期间距约 0.76×25=19 mm,因此相隔 100 mm 的两次底波之间可看到四五个迟到波(试块尺寸为通用专业知识,间距为按公式换算)。

再用声束扩散验证。在耦合与可比灵敏度条件下,换较大晶片直径或较高频率的探头,一般可缩小扩散角、减少照到侧壁的声能,迟到波可能减弱。把这种响应与等间距特征一起看;高频也改变衰减,单凭幅度变化同样不能定性。

知识来源:《全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材·超声检测(第2版)》,郑晖、林树青主编,第 6 章 6.4.4“非缺陷回波的判别”之“1. 迟到波”、公式 (6-11)、图 6-10;第 2 章 2.7.2“声压反射率”、图 2-42。驻点不敏感一节及数值复算由教材公式推导,非教材原文。文中图为示意性矢量线条图,不是真实仪器画面。
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