Page 83 - 无损检测2022年第十期

张子健,等:
承压设备表面裂纹的高频导波检测

于裂纹这类面状缺陷的检测灵敏度较高, 可在一定程 中会发生变化, 同时波的能量分布也会随之改变, 这
度上弥补常规裂纹检测技术的局限性, 在大面积快速 种现象就称为频散现象。具体到兰姆波主要表现为
检测母材裂纹方面具有独特的优势 [ 1 ] 。 相速度和群速度随频率和板厚的变化而呈现出复杂
1 高频导波检测原理 的关系, 频率不同则波速不同; 相同频率, 若模态不
同, 则波速也不相同。
1.1 基本原理 根据声波质点的振动特点, 兰姆波可分为对称
导波是声波在波导介质中传播时, 与介质边界不 型( S 型) 和反对称型( A 型), 每种类型又可根据不
断发生反射、 折射以及波型转换而产生的一种特殊的
同的相速度分为若干模态, 通常以 S0 , S1 , S2 等和
声波, 比较常见的有兰姆波、 瑞利波等。板中传播的
A0 , A1 , A2 等表示不同类型和阶次( 即模态), 频散
超声导波被称为兰姆波。兰姆波是在自由板中产生
现象的存在通常会造成导波信号的频率混叠或波包
的平面应变波, 在板的边界上来回反射并向前传播,
数量增多, 导致无法区分各波包的性质, 增加了损伤
文章中检测所用的高频导波即为超声兰姆波 [ 2 ] 。
信号分析的难度 [ 3 ] 。
超声兰姆波是厚度与激励声波波长为相同数量
级的一种特殊形式的应力波。超声兰姆波在板中传 2 对比试板检测
播时, 声场遍及整个板厚, 具有一定的传播距离且衰
2.1 对比试板的设计与加工
减小, 检测时仅从一个探测点即可实现对板件的大
针对试验所需检测的裂纹设计了相应的试板, 设
面积长距离检测。兰姆波在板中传播遇到缺陷时会
计时综合考虑高频导波可检测的最大距离和最小缺
有部分波发生反射和散射。检测时, 由于缺陷对兰
陷尺寸, 试板材料为 Q235A ; 试板长度为 1300mm ,
姆波传播的阻碍作用, 探头最终接收到的板端边界
宽度为520mm ; 厚度为25mm ; 试板上加工6个宽度
反射波信号能量比没有缺陷时小, 边界反射波的幅
为1mm 的矩形槽( 正面 3 个, 反面 3 个), 深度分别
值变小。缺陷反射波被接收后会在波形上出现一个
为0.5 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5mm ; 试板的粗糙度 Ra为 6.3 μ m 。
小波峰, 与没有缺陷时相比, 波形发生较大畸变。通
高频导波试板尺寸如图1所示, 具体参数如表1所示。
过波形对比, 如果边界反射波与始波之间出现波峰
就可判断接收探头与反射边界之间存在缺陷, 根据
反射波包的衰减程度和出现位置就可以判断缺陷的
大小和具体位置。
1.2 导波的速度
群速度和相速度是导波的主要参数。其中群速
度是指一束频率相近的波群的前进速度, 也是导波
能量的传递速度; 相速度是指导波的相位速度, 即导
波的某一恒定相位点的前进速度, 二者的计算表达
式分别为
C g =d ω / d k ( 1 )
C p = ω / k ( 2 )
为 群 速
图 1 加工的检测试板尺寸示意
式中: k 为导 波 波 矢; ω 为 圆 ( 角) 频 率; C g
为相速度。
表 1 加工的试板缺陷参数
度; C p
群速度 与 相 速 度 的 大 小 关 系, 存 在 以 下 3 种
项目
参数 / mm
时, 为正常频散情况, 发生在波
矩形槽( 长 × 宽) ( 40×1 ) ±0.10
情况: ① 当 C p>C g
时, 无频

群后面, 向前移行, 而后消失; ② 当C p=C g 正面 A 槽深度 0.5±0.10

时, 为异常频散情况, 发生在 正面 B 槽深度
散现象; ③ 当 C p<C g 1±0.10
波群前面, 向后移行, 而后消失。 正面 C 槽深度 2±0.10
1.3 导波的频散 反面 D 槽深度 3±0.10
导波在波导介质中传播时存在多个模态, 由于 反面 E 槽深度 4±0.10
反面 F 槽深度 5±0.10
不同波成分的相速度不同, 波群的形态在传播过程
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2022 年 第 44 卷 第 10 期
无损检测