CN210604509U - 提升超声探头声场有效覆盖范围的超声检测楔块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种提升超声探头声场有效覆盖范围的超声检测楔块，包括位于正反两侧的工作面和连接面，所述超声检测楔块的工作面形状包括一个或多个锯齿状的阶梯，每个阶梯的上升面为聚焦面或平面，下降面为平面；阶梯的上升面倾斜设置，能够改变超声探头发射声束的方向，对工件实现超声波倾斜入射；所述多个锯齿状的阶梯能够将超声探头发射的单声束分割成若干个声束。本实用新型还提出一种提升超声探头声场有效覆盖范围的方法，将超声检测楔块贴合在超声探头上方；利用超声检测楔块对超声探头发射的超声波进行声束的分割，形成多个声束，同时对工件进行检测。本实用新型可增大超声探头声场有效覆盖范围，提高检测信号的一致性。
Description
技术领域
本实用新型涉及超声探伤领域，具体涉及一种提升超声探头声场有效覆盖范围的方法和超声检测楔块。
背景技术
超声无损检测中，检测信号的一致性是检测设备最重要的指标之一。自动化检测时，各超声探头对同一缺陷的检测能力，因空间位置、探头性能等原因而存在差异，导致检测信号的能量不一致，而检测信号的能量直接反映了缺陷的尺寸信息，检测信号的不一致将直接影响对缺陷的评估。因此，提高检测设备的信号一致性非常重要，可以将设备性能提高一个档次，在自动化超声检测中，一般需要将检测信号一致性控制在2dB以内。
提高设备检测信号一致性的重要措施是增大探头的声场有效覆盖范围。探头的声场有效覆盖范围与压电晶片的形状、尺寸等因素有关，对于一个固定参数的超声探头，很难增大其声场有效覆盖范围。
另外现有的超声探伤设备中，通常需要将超声直探头倾斜放置来完成超声波斜入射，就需要设计辅助其倾斜的辅助结构，机械结构复杂，检测工艺繁琐。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种提升超声探头声场有效覆盖范围的方法，以及采用的超声检测楔块，对于一个固定参数的超声探头，可有效增大其声场有效覆盖范围，尤其适用于管、板类部件超声自动化检测中简化机械结构和检测工艺，提高检测信号的一致性。本实用新型采用的技术方案是：
一种提升超声探头声场有效覆盖范围的方法，包括：
步骤S1，将超声检测楔块贴合在超声探头上方；
步骤S2，利用超声检测楔块对超声探头发射的超声波进行声束的分割，形成多个声束，同时对工件进行检测；
步骤S3，超声探头和超声检测楔块相对于工件横向运动，超声探头接收回波信号，以检测工件内部的缺陷。
进一步地，分割形成的多个声束被改变方向，倾斜入射至工件。
进一步地，分割形成的多个声束能量相同。
进一步地，超声检测楔块的参数包括：整体尺寸、阶梯个数、楔块材料、工作面坡度角α及工作面是否聚焦；超声检测楔块的整体尺寸根据超声探头尺寸确定；超声检测楔块的阶梯个数根据超声波声束能量和接收信号信噪比决定，在满足接收信号信噪比前提下，尽可能多的分割超声探头发射的超声波；所述楔块材料通过耦合剂类型选取；所述工作面坡度角α根据耦合剂、楔块材料以及超声波入射工件的入射角决定；所述工作面是否聚焦根据超声探头的聚焦情况决定，若超声探头不聚焦则工作面上设有聚焦面。
进一步地，多个声束对缺陷的检测过程如下：
(1)在超声探头的移动过程中，由靠近缺陷的第一个声束先对缺陷进行检测，得到一个缺陷信号；
(2)超声探头继续移动，多个声束同时对缺陷进行检测，得到与多个声束相应的多个缺陷信号；多个声束逐次起主导作用，各声束对应的缺陷信号依次达到最大幅值；
(3)超声探头继续移动，直至最后一个声束对缺陷进行检测，得到一个缺陷信号。
一种超声检测楔块，包括位于正反两侧的工作面和连接面，
所述超声检测楔块的工作面形状包括一个或多个锯齿状的阶梯，每个阶梯的上升面为聚焦面或平面，下降面为平面；阶梯的上升面倾斜设置，能够改变超声探头发射声束的方向，对工件实现超声波倾斜入射；
所述多个锯齿状的阶梯能够将超声探头发射的单声束分割成若干个声束；
连接面设有连接机构以将超声检测楔块连接面与超声探头贴合。
进一步地，连接面的连接机构包括两个定位凸台，与超声探头形成过盈配合以固定超声检测楔块。
进一步地，对于超声检测楔块工作面包括多个阶梯，超声检测楔块的上升面在超声探头的超声换能元件上的投影相同，相同的投影面积保证了被分割成的若干个声束能量相同。
进一步地，上升面和下降面之间夹角为80度～100度。
进一步地，所述超声检测楔块工作面划分阶梯在整个宽度方向划分，或者将宽度方向分成几部分，分别划分阶梯。
进一步地，阶梯上升面的坡度角α按照公式(1)计算：
其中，β是超声波入射进工件的入射角，v1是超声检测楔块中的声速，v2是水中的声速。
本实用新型的优点在于：本实用新型专为提高超声检测信号一致性以及简化机械结构和检测工艺而设计，有效增大了一个固定参数超声探头的有效覆盖范围。针对于不同尺寸超声探头、不同激励信号，选取出最适合的阶梯个数，在保证信号信噪比的基础上，提高超声探头的声场有效覆盖范围；在超声直探头直立放置的情况下，实现超声波斜入射。本实用新型的阶梯形超声检测楔块构思新颖、加工组装方便、便于使用，有效增大了超声探头的有效覆盖范围，尤其适用于管、板类部件超声自动化检测中简化机械结构和检测工艺，提高检测信号的一致性。
附图说明
图1为本实用新型的总体示意图。
图2A为使用单阶梯超声检测楔块的缺陷信号图。
图2B为使用二阶梯超声检测楔块的缺陷信号图。
图2C为使用三阶梯超声检测楔块的缺陷信号图。
图3A为使用单阶梯超声检测楔块超声探头的有效覆盖范围示意图。
图3B为使用二阶梯超声检测楔块超声探头的有效覆盖范围示意图。
图3C为使用三阶梯超声检测楔块超声探头的有效覆盖范围示意图。
图4A为现有技术中超声直探头倾斜角度对工件探伤的过程示意图。
图4B为本实用新型的阶梯式超声检测楔块参与工件探伤的过程示意图。
图5A为本实用新型阶梯式超声检测楔块结构之一示意图。
图5B为本实用新型阶梯式超声检测楔块聚焦面结构示意图。
图6为本实用新型阶梯式超声检测楔块在超声探头换能元件上的投影示意图。
图7为本实用新型阶梯式超声检测楔块的几个不同实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
本实用新型提出一种提升超声探头声场有效覆盖范围的方法，包括：
步骤S1，至少根据超声探头的结构尺寸以及耦合剂的材料确定超声检测楔块的参数，所述超声检测楔块贴合在超声探头上方；
步骤S2，利用超声检测楔块对超声探头发射的超声波进行声束的分割，形成多个声束，同时对工件进行检测；
步骤S3，超声探头和超声检测楔块相对于工件横向运动，超声探头接收回波信号，以检测工件内部的缺陷；
在本实用新型的一些实施例中，分割形成的多个声束倾斜入射至工件；
在本实用新型的一些实施例中，分割形成的多个声束能量相同；
上述方法对于一个固定参数的超声探头，可有效增大其声场有效覆盖范围，尤其适用于管、板类部件超声自动化检测中简化机械结构和检测工艺，提高检测信号的一致性。
超声检测楔块的参数包括：整体尺寸、阶梯个数、楔块材料、工作面坡度角α及工作面是否聚焦；超声检测楔块的整体尺寸根据超声探头尺寸确定；超声检测楔块的阶梯个数根据超声波声束能量(分割前的单个声束能量或分割后各声束的总能量)和接收信号信噪比决定，超声波声束能量越大，能够分割的声束数量越多，但分割的声束数量越多则接收信号信噪比越差，因此需要在满足接收信号信噪比前提下，尽可能多的分割超声探头发射的超声波；所述楔块材料通过耦合剂类型选取，耦合剂为水时，超声检测楔块制作材料为工业无损超声检测楔块制造材料，可以为有机玻璃、聚酰亚胺、聚苯乙烯、丙烯酸树脂、有机荧光玻璃等材料；所述工作面坡度角α根据耦合剂、楔块材料以及超声波入射工件的入射角决定；所述工作面是否聚焦根据超声探头的聚焦情况决定，如超声探头不聚焦则工作面上设有聚焦面；
可根据不同尺寸、形状的超声探头以及不同材料的耦合剂来选择超声检测楔块的材质、尺寸、形状等，提高检测的准确度，同时通用性广。
以图1中的二阶梯超声检测楔块2作为实施例，超声探头1的型号为5P8×15Z，耦合剂4是水；确定超声检测楔块2连接面尺寸和探头尺寸1相同，阶梯个数为两个，超声检测楔块2的材料选择为有机玻璃，工作面坡度角α为35.5°，工作面聚焦。
本实施例中，超声探头1发射的超声波经过二阶梯超声检测楔块2，改变声束传播方向，同时将单声束分割成两个声束51、52，超声波经过耦合剂水4，到达工件3，实现两个声束对工件3的同时检测；两个声束对缺陷的检测过程如下：
(1)在超声探头的移动过程中，由靠近缺陷的声束51先对缺陷进行检测，得到一个缺陷信号；
(2)超声探头继续移动，两个声束同时对缺陷进行检测，得到一大一小两个缺陷信号，如图2B所示，此时声束51起主导作用，声束51得到的缺陷信号较大；
超声探头继续移动，两个声束同时对缺陷进行检测，得到一大一小两个缺陷信号，此时声束52起主导作用，声束52得到的缺陷信号较大；
(3)超声探头继续移动，由声束52对缺陷进行检测，得到一个缺陷信号。
上述过程中，各声束对应的缺陷信号依次达到最大幅值；
本实施例中，二阶梯超声检测楔块2和超声探头1的位置与缺陷信号的幅值关系如图3B所示，为双峰曲线，代表了两个声束在缺陷检测中分别作主导作用；
在其它的实施例中，单阶梯超声检测楔块2和超声探头1的位置与缺陷信号的幅值关系如图3A所示，为单峰曲线，代表了只有一个声束在缺陷检测中起作用；
在其它的实施例中，三阶梯超声检测楔块2和超声探头1的位置与缺陷信号的幅值关系如图3C所示，为三峰曲线，代表了三个声束在缺陷检测中分别作主导作用；
以上各实施例中，使用单阶梯超声检测楔块的超声探头声场有效覆盖范围是3.7mm，使用二阶梯超声检测楔块的超声探头声场有效覆盖范围是4.4mm，使用三阶梯超声检测楔块的超声探头声场有效覆盖范围是5.7mm；以上均按照2dB线(最大幅值以下2dB)以上缺陷信号部分对应的横坐标计算覆盖范围；使用多阶梯超声检测楔块，有效的增大了超声探头的有效覆盖范围；
通过图3B和图3C可以发现，阶梯个数越多，超声检测楔块和超声探头的位置与缺陷信号的幅值关系曲线的波谷就越往上移，理论上如果超声检测楔块阶梯个数足够多，声束能量足够大，信噪比够好的话，曲线的波谷也能到了2db线以上，这时候有效覆盖范围达到最大。
另外，超声检测楔块的阶梯越多，则分割后的声束能量越低，信噪比越差，在满足接收信号信噪比前提下，尽可能多的分割超声探头发射的超声波，有效增大了超声探头的有效覆盖范围；
使用本实用新型的方法，超声探头发射的超声波经过超声检测楔块，声束传播方向发生改变，同时单声束被分割成若干个声束并到达工件，有效增大了超声探头的有效覆盖范围；
当超声探头1为超声直探头时，如图4A所示，传统的水浸超声探伤方法，超声直探头1需要倾斜一定角度来完成超声波的倾斜入射，就需要单独制作辅助机械结构来实现超声直探头的倾斜，机械结构复杂，检测工艺繁琐；如图4B所示，使用本实用新型的超声检测楔块2，可将超声直探头1直立放置，超声直探头1发射的超声波经过超声检测楔块2，改变声束5传播方向，可实现与倾斜探头相同效果的超声波倾斜入射；超声波经过耦合剂水4，到达工件3表面，在工件中完成波形转换，实现横波检测，简化了机械结构和检测工艺；
如图5A所示，本实用新型提出的一种超声检测楔块2，该超声检测楔块2上方工作面形状包括若干个锯齿状的阶梯，多个阶梯将超声探头发射的单声束分割成若干个声束，且改变声束方向，每个阶梯的上升面21为聚焦面(如图5B所示)或者平面，下降面22为平面；阶梯的上升面21倾斜设置，能够改变超声探头发射声束的方向；下方连接面具有两个定位凸台23，与超声探头1形成过盈配合以固定超声检测楔块2，超声检测楔块2的连接面与超声探头1贴合(如图6所示)；
超声检测楔块2工作面的阶梯也可以是一个，此种结构的超声检测楔块工作面，能够改变超声探头发射声束的方向；
上升面21和下降面22之间的夹角为80度～100度，若夹角太小则后面一个阶梯上升面的声波传出去可能会碰到前一个阶梯的下降面，引起超声杂乱；若夹角太大，则浪费后一个阶梯上升面的有效面积；上升面21和下降面22之间的夹角最佳为90度，也就是上升面21和下降面22相互垂直；
在其它的实施例中，超声检测楔块2连接面可以设计成套筒状，套在超声探头1上；
该超声检测楔块阶梯的上升面可改变超声探头发射声束的方向，其坡度角α按照公式(1)计算：
其中，β是超声波入射进工件的入射角，v1是超声检测楔块中的声速，v2是水中的声速；
在一个实施例中，上述超声检测楔块的制作材料为有机玻璃，超声波入射进工件的入射角β为18.5°，超声检测楔块中的声速v1为2692m/s，水中的声速v2为1473m/s，工作面坡度角为35.5°；
如图6所示，该超声检测楔块2的上升面21在超声探头1的压电晶片11上的投影都相同，相同的投影面积保证了被分割成的若干个声束能量相同；超声探头的超声换能元件可以采用压电晶片11，或者现有的磁致伸缩换能元件等；
图7列举了几种阶梯形超声检测楔块实施例，划分阶梯可整个宽度方向划分，也可将宽度方向分成几部分，分别划分阶梯，如图7中的最后一种；针对于不同尺寸超声探头、不同激励信号，应选取出最适合的阶梯个数，在保证信号信噪比的基础上，提高超声探头的声场有效覆盖范围。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种提升超声探头声场有效覆盖范围的超声检测楔块，包括位于正反两侧的工作面和连接面，其特征在于，
所述超声检测楔块的工作面形状包括一个或多个锯齿状的阶梯，每个阶梯的上升面为聚焦面或平面，下降面为平面；阶梯的上升面倾斜设置，能够改变超声探头发射声束的方向，对工件实现超声波倾斜入射；
所述多个锯齿状的阶梯能够将超声探头发射的单声束分割成若干个声束；
连接面设有连接机构以将超声检测楔块连接面与超声探头贴合。
2.如权利要求1所述的提升超声探头声场有效覆盖范围的超声检测楔块，其特征在于，
连接面的连接机构包括两个定位凸台，与超声探头形成过盈配合以固定超声检测楔块。
3.如权利要求1所述的提升超声探头声场有效覆盖范围的超声检测楔块，其特征在于，
对于超声检测楔块工作面包括多个阶梯，超声检测楔块的上升面在超声探头的超声换能元件上的投影相同，相同的投影面积保证了被分割成的若干个声束能量相同。
4.如权利要求1所述的提升超声探头声场有效覆盖范围的超声检测楔块，其特征在于，
上升面和下降面之间夹角为80度～100度。
5.如权利要求1所述的提升超声探头声场有效覆盖范围的超声检测楔块，其特征在于，
所述超声检测楔块工作面划分阶梯在整个宽度方向划分，或者将宽度方向分成几部分，分别划分阶梯。
6.如权利要求1所述的提升超声探头声场有效覆盖范围的超声检测楔块，其特征在于，
阶梯上升面的坡度角α按照公式(1)计算：
其中，β是超声波入射进工件的入射角，v1是超声检测楔块中的声速，v2是水中的声速。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110320275A (zh) * | 2019-08-09 | 2019-10-11 | 华中科技大学无锡研究院 | 提升超声探头声场有效覆盖范围的方法和超声检测楔块 |
| CN112729176A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-04-30 | 河南理工大学 | 一种不同介质中锚杆长度检测用超声波无损检测装置 |
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- 2019-08-09 CN CN201921288159.2U patent/CN210604509U/zh active Active
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