林章敏 华 磊 肖 峰 王 翔 刘 刚 胡 屈 刘海波
（1、安徽马钢表面技术股份有限公司,安徽 马鞍山 243000 2、宝武集团马钢轨交科技材料有限公司,安徽 马鞍山 243000）
1 概述
超声波探伤是根据超声波入射到介质中，遇到介质改变会发生反射，根据反射波的特性确定当量的位置、大小及其性质。目前，国、内外大部分的超声波探伤标准是以缺陷的当量大小和测量缺陷指示长度验收的。因此，超声波探伤定量的分析有着重要意义。超声波探伤的缺陷理论计算都是通过单频连续脉冲波声压公式推导而来的，但在实际运用中是多频脉冲波，二者有何不同，查以往的研究文献，研究相对缺乏。因此，本文将重点分析讨论二者的关系。
2 超声波轴线场压误差分析
2.1 圆盘波源辐射轴线上的单频纵波声场的分布[1,2]
式中P0=ρCU0
ρC——传声介质的特征声阻抗；ρ——介质密度；C——声速；U0——声源振动时的速度振幅；λ——介质中的声波波长；a——圆盘声源半径；x——观察点至声源中心的距离；式（1）为圆盘波源辐射轴线上的单频纵波声场，其分布图如图1所示。
图1 圆盘轴线上的声压分布图
2.2 圆盘波源辐射轴线上的单频纵波声场误差分析
在近场区（N）内，声压值在0至2P0连续变化。因此，对于单频连续波而言，即使两个完全相同的缺陷，如果在不同位置，其回波高度变化较大，使缺陷定量极其困难[3,4]。
当x》λ时，根据牛顿二项式，式(1)可以简化为式(2)，式(2)超声波探伤中推导规则各类反射体回波声压的基本公式，也是计算缺陷当量的基础。
式中F——声源面积;
F=πa2。
根据式(2)和式(1)对比，当缺陷位于一倍近场区（N）至三倍近场区（3 N）时，用缺陷当量计算法很大误差，距离越近，误差越大。当缺陷位于一倍近场区（N）时，根据式(1)求得此处声压P(z)=2P0，根据式(2)求得此处声压为πP0，二者误差高达57 %，所以公式（2）显然不适用的。若要求误差<5 %，则缺陷位于三倍近场区（3N）。即只有当声程大于三倍近场时，才能使用公式(2)计算缺陷当量。对单频连续波而言，若要求误差小于5 %，以常规超声波探伤直探头5P20Z为例，计算可知N≈85mm，3N≈255mm，所以可以得出检测深度大于255mm时，才适于缺陷当量计算方法。因此，三倍近场区内多采用试块对比方法进行缺陷的检测，根据以上的分析，在近场区（N）内，声压值连续在0至2P0进行变化，对比试块需要做大量不同的深度平底孔进行对比，才能使测量误差将至最低。
3 CIVA软件仿真分析
CIVA软件一款专业无损检测仿真平台，包括超声、射线、涡流等方法。可以对工件、探头和缺陷进行一比一建模，将实际的检测环境完全建模到软件中，并对其结果进行仿真模拟等等。根据查阅文献可知，由较多实例[5,6]对CIVA仿真可靠性进行了验证。对不同频率和不同的直径，用CIVA软件模拟结果和书本上认识到一样，频率越大，近场区越大，探头越大，近场区越大。实际超声检测中基本上使用的是多频脉冲波，此时使用单频连续波的公式是否合理，如下，将重点根据探头的带宽进行分析。
3.1 直探头不同带宽的声场的仿真
CIVA仿真参数5P20Z常规直探头为例，在深度500mm碳钢中的声轴线上的声压分布，如图2、图3、图4、图5。
图2 带宽20%声轴线上的声压分布
图3 带宽50%声轴线上的声压分布
图4 带宽60%声轴线上的声压分布
图5 带宽70%声轴线上的声压分布
一般来说，对于超探探头性能指标的要求，其中-6dB相对带宽≥60%。根据图4可知，5P20Z直探头在一倍近场区内最大声压和最小声压差值为2.2 dB。根据图5可知，5P20Z直探头相对带宽≥70%时，在一倍近场区内最大声压和最小声压差值为0.5 dB以内。
以上特点为用当量方法确定近场区缺陷用对比试块提供了理论依据。根据以上仿真结果，在一倍近场区以内的最后一个极小值和近场区的极大值对定量影响极大，因此，在该处制作平底孔为距离波幅曲线的制作，可以提高缺陷定量的准确性。
根据以上仿真结果显示，带宽不同，轴线上的纵波声场有很大不同。探头采用的脉冲波的波形愈窄(即频带愈宽)，探伤结果的理论值和实际值愈接近。近场区内确定缺陷当量一般用对比试块加插入法，使用窄脉冲探头能提高缺陷定量的准确性。原因是带宽越宽，不同频率分量的极值点愈密集，且位置相互错开，这样相互叠加的结果就使总声压趋于平缓。这也是宽带探头不同于单频波探头的显着特点之一。
3.2 直探头不同带宽的缺陷检测的仿真
采用常规直探头5P20Z，深度300mm普通碳钢中的不同带宽的缺陷检测的仿真。深度分别为10mm，20mm，30mm，42mm，60mm，85mm、100mm，120mm，150mm，200mm，直径Ø1mm平底孔，如图6。
图6 不同深度的平底孔建模
图7、图8、图9、图10分别为带宽20%、50%、60%、70%通过CIVA软件仿真声轴线缺陷反射波高，从在缺陷42mm效果分析，带宽70%声轴线上的反射波高比带宽60%、带宽50%、带宽20%声轴高2dB、3dB，19dB。声轴线上的反射波高的变化相对带宽的变化更快，结果再一次证明，带宽越高对近场区的缺陷的定量越精确。
图7 带宽20%声轴线缺陷反射波高
图8 带宽50%声轴线缺陷反射波高
图9 带宽60%声轴线缺陷反射波高
图10 带宽70%声轴线缺陷反射波高
从仿真结果来看，声轴线缺陷反射波高和声场仿真趋势基本一直，近场区探伤声轴线上的缺陷反射波高起伏波动。当带宽到达70%时，缺陷反射波高起伏波动相对较小；当达到近场区以后，声轴线上的声压振幅，不再有起伏波动。
从仿真结果来看，在近场区中，带宽对声场横截面声压影响较大，当带宽较低时，产生较多的旁瓣与栅瓣，影响声束的能量，因篇幅所限，将另行撰文进行分析。
4 结论
4.1 超声波探伤探头使用的多频脉冲波，可用数值仿真的方法确定声轴线上的声压分布，为提高缺陷定量的准确性提供了前提条件。
4.2 CIVA声场仿真表明，多频脉冲波在近场内的声压分布较单频连续波平缓，其最小值远大于零。证实了对多频波轴线场压的推断，为在近场区使用试块对比法检测缺陷当量提供了有力依据。
4.3 鉴于近场区探伤是不可避免的，为提高定量的准确性，探头购买时有必要对探头带宽进行强制检测。根据其检测结果，在通过仿真软件分析声场分布结果后，制作不同的深度平底孔的为适应不同参数的探头，为进一步提高缺陷准确性提供了有力保证。
4.4 CIVA声场和缺陷检测仿真证实，带宽越宽，在近场区内的声压波动幅度愈小，有利于提高近场区内缺陷定量的准确性。在远场区，脉冲波的轴线声压变化类似于单频波的声压变化，中心频率附近的能量对声场分布具有决定性的作用。同时证明三倍近场区外，用单频波声压公式(1)计算缺陷当量具有合理性。
