專利名稱：超聲無損檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超聲無損檢測的設(shè)備和方法。 已有技術(shù)的描述
超聲信號在材料無損檢測中的使用是已知的。厚度測量可通過將超聲
信號發(fā)送到測試材料并測試其穿過樣品的時差(time-of-flight)來進(jìn)行。缺 陷監(jiān)測可通過將超聲信號發(fā)送到測試材料中并觀察其從缺陷結(jié)構(gòu)的反射 來執(zhí)行。通常，超聲換能器直接接觸測試物放置。然后，發(fā)射的超聲信號 ^皮發(fā)射換能器接收，發(fā)射換能器也作為接收換能器，或者可以使用第二接 收換能器。這些程序在非惡劣(non-hostile)環(huán)境中是簡單的，但是為了 在惡劣(例如高溫)環(huán)境中操作此換能器，必須克服重大的技術(shù)障礙。
開發(fā)能夠在很長時間段抵抗高溫的超聲換能器及其輔助部件是具有 挑戰(zhàn)性的。大部分換能器材料受到高溫的不利影響，而且，彈性緩沖放大 器(resilient buffer amplifier)需要轉(zhuǎn)換信號，以沿同軸電纜傳送，其本身 必須能抵抗環(huán)境。還必須提供合適的連接器和動力供應(yīng)。
有吸引力的備選方案使用由能夠抵抗惡劣環(huán)境的材料制成的聲波導(dǎo) (acoustic waveguide ),來將超聲信號從位于非惡劣區(qū)域的換能器和輔助部 件發(fā)送到測試物。波導(dǎo)的端部直接連接到所關(guān)心的測試樣品區(qū)域。但是， 使用中間波導(dǎo)(intermediary waveguide)不是小任務(wù)。超聲檢測通常使用 高頻(>lMHz)脈沖波形，由于頻散、多模式及衰減，其很難高保真地沿 長波導(dǎo)傳播。另外，換能器和測試樣品均必須有效地連接到波導(dǎo)，以避免 過高的能量損失。
要克服的主要問題是頻散和存在的多模式。附圖的圖l顯示了柱狀桿 波導(dǎo)(cylindrical rod waveguide)的頻散曲線。所發(fā)射的信號能量的一些散
布是不可避免的，因此，例如以2MHz中心頻率產(chǎn)生的信號通常具有1MHz 和3MHz間的能量。因此，由于來自測試樣品的超聲信號的精確識別和計 時對于上述無損檢測程序極為重要，所以非常希望傳送主要為非頻散的信 號，即，其速度與頻率幾乎是常數(shù)，且以單一^^莫式為主導(dǎo)。
波導(dǎo)中的頻散及可能的模式主要是信號頻率和波導(dǎo)最小尺寸的乘積 的函數(shù)。而且，為了獲得非常準(zhǔn)確的超聲厚度測量，通常需要在lMHz以 上操作。但是，在庫交高的頻率國尺寸積(frequency-dimension product)中， 可傳播更高階的模式，因此必須限制波導(dǎo)的最小尺寸。因此，細(xì)桿波導(dǎo)的 使用在本領(lǐng)域是已知的。因為很難將足夠的能量傳遞到細(xì)桿來產(chǎn)生強信 號，所以這類設(shè)備具有其自身的困難。同樣，當(dāng)細(xì)波導(dǎo)連接到較大結(jié)構(gòu)時， 具有強的表面反射，且相對較少的能量能進(jìn)入結(jié)構(gòu)。另外，連接到結(jié)構(gòu)表 面的細(xì)桿波導(dǎo)有效地作為點源，能量從該點源球狀地分散，從而意味著甚 至從較強反射體，例如結(jié)構(gòu)的底表面，有4艮少能量返回到接收波導(dǎo)。
US-A-5,962,790 (例如，見參考文獻(xiàn)l、 2、 3及4)公開了一種系統(tǒng)， 該系統(tǒng)使用細(xì)線來使頻散最小化，并通過采用一束細(xì)線來克服單根細(xì)線的 某些問題。每根線在適當(dāng)?shù)偷念l率-直徑積下操作，相當(dāng)多的能量可通過成 束的多根平行線傳送，而不是通過單根線傳送。但是，成束的線的生產(chǎn)相 對較貴，且當(dāng)其直徑增大時變得非常不易彎曲，從而限制了其被配置的幾 何結(jié)構(gòu)。而且，各個線之間的串?dāng)_可能使信號分析變得復(fù)雜，且將每個單 獨的線連接到測試結(jié)構(gòu)，或用不引入頻散問題的板端接束，存在實踐難度。 就才莫式激勵(mode excitation )而言，月彭月^^莫式(extensional mode )或扭轉(zhuǎn) 模式(torsional mode )可以在單根線中激勵。扭轉(zhuǎn)模式通常由與線側(cè)面接 觸的換能器激勵，或通過環(huán)形電磁線圈激勵。此種技術(shù)對于成束的線不是 切實可行的，成束的線實際上可僅使用膨脹^=莫式是實際的。
US-A-6,400,648(參考文獻(xiàn)5 )公開了線圈箔波導(dǎo)(coiled foil waveguide ) 作為桿束的替換物。箔的厚度設(shè)置成比傳播的信號的最小波長小得多，從 而滿足用于非頻散傳遞的低的頻率-尺度積。箔圍繞平行于信號傳播方向的 軸盤繞，所以如果被解開，其在垂直于信號傳播方向?qū)⒑荛L。但是，當(dāng)線 圈的直徑增加時，由于層之間可能發(fā)生摩#~,所以波導(dǎo)變得剛性，并衰減。
與線束一樣，線圈箔更適合于膨脹波而不是扭轉(zhuǎn)波。
US-A-5,828,274 (參考文獻(xiàn)6 )公開了具有外層衰減覆層的錐形超聲波 導(dǎo)。覆層通過衰減并限制表面反射消除波導(dǎo)邊界效應(yīng)。這具有消除幾乎所 有尾回波的效應(yīng)，但是不能整體消除頻散效應(yīng)，且信號略微延遲、略微失 真，并大量衰減。后述缺點限制了這種波導(dǎo)的長度，其也是更加不可彎曲 的。將非均勻螺紋桿作為波導(dǎo)使用是前述建議的改進(jìn)(見參考文獻(xiàn)7和8)。
US-A-6,047,602公開了 一種用于流體流動測量的超聲波導(dǎo)，其是矩形 截面桿，具有傾斜的端部部分。傾斜部分的表面將沿桿傳遞的能量反射到 窄的定向束中，以進(jìn)入測試流體。波導(dǎo)祐:設(shè)計成使通過導(dǎo)管傳遞的能量最 大化。這種設(shè)備在厚度測量或缺陷監(jiān)測領(lǐng)域具有明顯不足，其不可彎曲且 波傳播對于清晰不失真信號形態(tài)不是最佳的，而這對于樣品無損檢測中的 定時測量最為重要。
本文是提供一種能夠在惡劣環(huán)境中操作且能夠解決上述問題的超聲 無損檢測實用設(shè)備的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于測試物的超聲無損檢測的設(shè)備，所述設(shè) 備包括
超聲傳遞材料細(xì)長帶，所述細(xì)長帶具有用于連接到所述測試物的近端 和一遠(yuǎn)端；以及
超聲換能器，其連接到所述細(xì)長帶；其中
所述細(xì)長帶具有給定高寬比大于一且與所述超聲換能器匹配的橫向 截面寬度和厚度，使得所述超聲換能器的激勵引起基本上非頻散的超聲信 號沿所述細(xì)長帶傳播到所述近端，并進(jìn)入所述測試物。
本發(fā)明考慮，有需要以基本上非頻散方式傳遞的用于無損目的的超聲 信號，使得可以做出精確的定時測量。本發(fā)明還考慮，有需要為柔性的超 聲傳遞組件，使得設(shè)備可配置在不靈活的幾何結(jié)構(gòu)中。因此，通過沿具有
寬度和厚度寬高比大于一的細(xì)長帶傳遞超聲信號，并通過激勵基本上非頻 散的信號，測試物體的超聲無損檢測可以在傳統(tǒng)超聲換能器所處的惡劣環(huán) 境中以及需要傳遞組件柔性地包圍其間物體的構(gòu)型中進(jìn)行。
細(xì)長帶由具有剪切速度C,和剪切波長&的材料形成，其中^ = C, ，
且F是對應(yīng)4的頻率，而所述基本上非頻散的超聲信號由不同頻率且具有
從4-延伸到4的剪切波長的組分形成。 一些超聲波的剪切模式是有利于非
頻散，且具有短的波長。較短的波長為檢測提供更好的空間分辨率。
所迷細(xì)長帶以相似的方式由具有桿速度(bar velocity) C^和桿波長(bar wavelength) 4的材料形成，其中4=<^/77，且F是對應(yīng)4的頻率，而所 述基本上非頻散的超聲信號由不同頻率且具有從&延伸到&的桿波長的 組分形成。壓縮波可能更適合于相當(dāng)多的場合。
同時，細(xì)長帶的尺寸可進(jìn)行相當(dāng)大地改變，在優(yōu)選實施方式中，細(xì)長 帶的厚度將小于2.5倍^。在特別優(yōu)選的實施方式中，細(xì)長帶的厚度將小 于^ 。這種尺寸限制有助于避免不需要的較高階^^莫式的激勵。
在優(yōu)選實施方式中，所述寬度大于3.5^。在更優(yōu)選的實施方式中， 所述寬度大于5^。這種尺寸有助于使得超聲波傳播是基本上非頻散的、 在波導(dǎo)邊緣具有低幅度、且;f莫式形態(tài)近似不變。
同時，可在優(yōu)選實施方式中使用不同的超聲模式，所述基本上非頻散 的超聲信號包括垂直于傳播方向并平行于所述寬度偏振的最低階剪切模 式振動。這種信號可沿上述波導(dǎo)以低失真和高效率傳送。
在其他實施方式中，所述基本上非頻散的超聲信號包括平行于傳播方 向偏振的最低階壓縮模式振動。這種波的使用在測試物遇到較高剪切波衰 減或在測試物中使用壓縮波是有利的應(yīng)用中是有益的。
同時，合適類型的多模式連續(xù)激勵是可能的，在優(yōu)選實施方式中，所 述超聲換能器基本上僅激勵單一模式的傳播導(dǎo)波(propagated guided wave)。在其他實施方式中，所述超聲換能器基本上僅變跡激勵所述單一 模式的傳播導(dǎo)波，以導(dǎo)出所述基本上非頻散的超聲信號。單一模式的限制 在需要精確的定時信息的應(yīng)用中是有利的，因為單獨接收的信號可更容易
被確認(rèn)為來自測試物中的單獨特征，而不是不同模式的結(jié)果。
相對于測試物中要求的傳播距離，在優(yōu)選實施方式中，所述基本上非 頻散的超聲信號基本上從所述近端向所述測試物柱狀地傳播。柱狀傳播波 幅值的衰變率與距源頭的距離的平方根的倒數(shù)成比例，而球形傳播波的幅 值與源頭距離的倒數(shù)成比例。因此，前面的傳播損失較少的能量。
同時換能器可連接到細(xì)長帶的不同位置，在優(yōu)選實施方式中，所述超 聲換能器可有利地連接到所述遠(yuǎn)端。在本文中，所述超聲換能器通過以下
方式之一連接到所述遠(yuǎn)端
(i) 結(jié)合連接(bonded connection );
(ii) 機械固定和超聲傳遞耦合劑(ultrasound transmissive couplant);
以及
(iii) 機械固定和可變力。
超聲換能器和波導(dǎo)的遠(yuǎn)端之間的這種連接促進(jìn)了兩者之間的有效能 量傳遞。結(jié)合包括焊接(welding)和銅焊(brazing)以及其它結(jié)合技術(shù)。
換能器與細(xì)長帶的連接可以許多不同方式實現(xiàn)。在一種優(yōu)選實施方式 中，所迷超聲換能器包括連接到所迷細(xì)長帶的至少一個縱向側(cè)面的換能 器。在另一優(yōu)選實施方式中，所述超聲換能器包括可操作來提供電磁超聲 換能的線圈。這種配置允許在波導(dǎo)中激勵超聲信號的可替代的有效方法。
在本發(fā)明的一種實施方式中，所述細(xì)長帶圍繞基本上平行于所述細(xì)長 帶的所述寬度并基本上垂直于所述傳播方向的軸彎曲。這允許在有限的現(xiàn) 實生活場景中超聲信號的特別簡單的路線。
超聲信號的接收可以按各種不同的方式提供。在一種優(yōu)選實施方式 中，所述設(shè)備包括超聲接收器，該超聲接收器可操作來接收所述測試物的 反射超聲，反射超聲由進(jìn)入所述測試物的所述基本上非頻散的超聲信號引 起。在本文中，所述超聲接收器包括一個或多個其它細(xì)長帶，每個細(xì)長帶 在相應(yīng)的位置連接到所述測試物，以接收反射超聲，并具有接收超聲換能 器，以檢測所述反射超聲。在另一優(yōu)選實施方式中，所述細(xì)長帶及所述超 聲換能器也形成所述超聲接收器。
同時，各種超聲檢測方法可與本技術(shù)聯(lián)合使用，在優(yōu)選實施方式中， 所述反射超聲包括至少一個反射信號，且所述超聲接收器測量所述反射信 號之間的時間差。這種時間差測量給出關(guān)于頂'J試物結(jié)構(gòu)的信息。
本發(fā)明考慮，盡管所述細(xì)長帶到所述測試物的連接可以多種不同的方 式實現(xiàn)，但是所述設(shè)備的執(zhí)行是重要的，且在優(yōu)選實施方式中，所述近端 由以下方式之一 固定到所述測試物
(i) 焊接；
(ii) 銅焊；
(iii) 軟焊(soldering);以及
(iv) 壓焊(bonding)。
在另一種優(yōu)選實施方式中，所述近端被夾持到所述測試物。在本文中， 通過將超聲傳遞耦合劑布置在所述近端和所述測試物之間來改進(jìn)連接。而 且，改進(jìn)的連接在其中夾具以可調(diào)節(jié)的力將所述細(xì)長帶夾持到所述測試物 的實施方式中實現(xiàn)。在優(yōu)選實施方式中，所述夾具通過焊接到所述測試物 的螺栓連接到所述測試物。夾具的另一優(yōu)選形式是一種環(huán)繞測試物，例如 環(huán)繞管的夾具。
本技術(shù)在所述超聲無損檢測是厚度測量和裂紋監(jiān)測時特別有用。 本技術(shù)特別適合于為如下情況的所述測試物
(i) 處于大于200。C的溫度；以及
(ii) 受到上述電離輻射的背景水平(above background levels of ionising radiation )。
從第二方面來看，本發(fā)明提供了一種超聲無損檢測測試物的方法，所 述方法包括
將細(xì)長帶的近端連接到測試物；
激勵在所述細(xì)長帶內(nèi)基本上非頻散的超聲信號，以沿所述細(xì)長帶傳 播，并進(jìn)入所述測試物。
現(xiàn)將僅通過舉例、參照附圖描述本發(fā)明的實施方式，其中


圖1顯示了鋼桿中各種超聲模式的相速度頻散曲線；
圖2顯示了鋼板中各種超聲模式的相速度頻散曲線；
圖3示意性顯示了使用波導(dǎo)傳感器的厚度測量；
圖4示意性顯示了使用波導(dǎo)傳感器的時差衍射(time of flight diffraction);
圖5示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明技術(shù)形成傳感器部分的細(xì)長帶的某些示 例性尺寸；
圖6顯示了使用長度300mm的1 x 15mm帶從使用2MHz中心頻率信 號的6mm厚(50 x 50mm )板"接收的示例性時間軌跡；
圖7顯示了在1x30mm細(xì)長鋼帶內(nèi)超聲模式的相速度頻散曲線，突 出了最低階水平剪切模式SH*;
圖8示意性顯示了帶截面(1 x 15mm )以及在2MHz時SH* ( X,Y,Z ) 位移^^式形狀；
圖9示意性顯示了 SH4々Y位移才莫式形狀相對頻率的演變；
圖10示意性顯示了最低階剪切型模式SH-的相速度，當(dāng)在截面分別 為1 x 30mm和1 x 15mm的帶中傳播時，其頻散曲線在圖7中突出顯示；
圖11示意性顯示了在接近截止頻率0.14MHz和在接近漸近線彎曲的 0.5MHz的SH* (X,Y,Z)位移模式形狀(1 x 15mm截面)；
圖12顯示了焊接到鋼板(6mm厚)的波導(dǎo)的信號；以及
圖13和圖14示意性顯示了用于將波導(dǎo)連接到測試物的夾持構(gòu)型。
本技術(shù)使用細(xì)帶波導(dǎo)(細(xì)長帶)。在圖2中一板的相速度頻散曲線顯 示為頻率-厚度積的函數(shù)。在1.4MHz-mm下僅有三種才莫式可傳播SO (平 行于傳播偏振的最低階壓縮波)、AO (低頻率彎曲波)以及SHO (偏振垂
直于傳播并平行于帶寬的最低階剪切模式)。這些波分別類似于桿中的
L(O,l)、 F(l,l)和T(0,1)模式。AO模式為高度頻散，且不適合用于測試目的， 但SO模式在低頻最小地頻散，而SH0模式在所有頻率下都完全不頻散。 圖2顯示了在低于1.4MHz-mm的頻率范圍中，SH0模式的相速度比SO模 式的相速度低得多。因為波長由相速度除以頻率得到，因此，在給定頻率 下，SHO模式的波長比SO模式的波長短。這通常使其在檢測應(yīng)用中更靈 敏。因此，本技術(shù)的優(yōu)選實施方式使用水平剪切模式，但是可能在某些情 況，壓縮模式如SO模式是優(yōu)選的(例如，在剪切波衰減大大高于膨脹波 衰減，使得剪切波的信號太弱而不能使用的應(yīng)用中)。
帶波導(dǎo)的使用與單根線、前面提到的成束和線圈解決方案相比具有以 下優(yōu)勢
參因為截面面積遠(yuǎn)大于單根線，因此更容易獲得強信號；而且，在波 導(dǎo)和結(jié)構(gòu)之間的界面反射較小，所以更多的能量進(jìn)入測試結(jié)構(gòu)。
當(dāng)波從帶進(jìn)入測試結(jié)構(gòu)時，它趨向于柱狀地分散。這意味著由于波 束分散，結(jié)構(gòu)中的波幅以與1/W成比例的速率減小，其中r是距接觸點的 距離。這可與波束分散是球形的線系統(tǒng)的衰變速率與1/r成比例相匹敵。
*柱狀波束分散模式非常適合于根據(jù)時差衍射(TOFD)來進(jìn)行筒單 的厚度測量和裂紋檢測(見圖3和圖4)。
*通過將換能器連接到帶的端部而易于在帶中激發(fā)剪切波或縱波；如 果更方便的話，還可以通過將適當(dāng)?shù)膿Q能器連接到帶的側(cè)面來激發(fā)任一類 型的波。
*可以將波導(dǎo)焊接、軟焊、銅焊或壓焊到結(jié)構(gòu)。也可以在低溫下簡單 地使用粘性超聲凝膠耦合劑和/或?qū)⒉▽?dǎo)緊緊地夾持(例如通過焊接在螺栓 上給定可調(diào)節(jié)的夾持力)到在高溫和低溫下工作的結(jié)構(gòu)上。因為波導(dǎo)較細(xì)， 所以它更容易確保波導(dǎo)的整個底表面連接到結(jié)構(gòu)，從而改善信號傳遞。因 為將波導(dǎo)夾持到結(jié)構(gòu)消除了由永久性連接技術(shù)不可避免地引入的不想要 的幾何畸變?nèi)毕?，所以其是有利的。通過夾持可實現(xiàn)充分的信號傳遞。
*帶波導(dǎo)比典型的束在一個方向更有柔性，所以它更易于在角附近進(jìn) 入結(jié)構(gòu)。
圖5顯示了本發(fā)明的示例性實施方式。圖6顯示了在圖3厚度測量應(yīng) 用中接收的信號，其中厚度可從在頂表面和底表面反射之間的時間或者從 已知聲速的連續(xù)底面回波之間的時間獲得。樣品可處于高溫度，例如>200 'C，和/或受到上述電離輻射的背景水平。
帶的厚度通常應(yīng)選擇成使得厚度和所激發(fā)的最大頻率的乘積對于SH 型波小于3MHz-mm，而對于縱型波小于1.4MHz-mm，以避免在厚度方向 激發(fā)較高階^f莫。如果使用縱波，為了使頻散最小，也經(jīng)常需要使用較低的 頻率-厚度積，但是它也可以補償頻散(見參考文獻(xiàn)10)。帶寬也是重要 的參數(shù)。
當(dāng)細(xì)長帶由具有剪切速度C,和剪切波長&的材料形成時，其中 ^二C,/F,且F是對應(yīng)4的頻率，所述基本上非頻散的超聲信號由不同頻 率且具有從4^延伸到4^的剪切波長的組分形成。最好是，但不是必須， 厚度小于2.5^^，且特別優(yōu)選為小于L,。相似地，優(yōu)選寬度大于3.5/1^， 且特別優(yōu)選為大于5/1^。
以相似的方式，優(yōu)選的相同范圍應(yīng)用到當(dāng)所述細(xì)長帶由具有桿速度
C^和桿波長4。r的材料形成時，其中4^=^。"尸，且F是對應(yīng)L的頻率， 且所述基本上非頻散的超聲信號由不同頻率且具有從/Lstort延伸到4 g的桿 波長的組分形成。
圖2中的頻散曲線才莫擬波在無限寬的板中的傳播。具有非常大寬-厚比 的結(jié)構(gòu)將通過此無限寬假設(shè)進(jìn)行極其精確地模擬。但是，側(cè)表面為形成矩 形截面的帶而一起移動得越近，波傳播受存在的帶邊界的影響越大。 Mindlin和Fox (見參考文獻(xiàn)11)第一個描述了矩形截面桿的傳播模式。 他們的解決方法由分別在無限板的桿的寬度和厚度中傳播的幾種彎曲模 式、縱向模式及剪切模式的重疊組成。無限板的解決方法是重疊，以便實 現(xiàn)在截面所有周界附近零應(yīng)力的邊界條件。這種方法使它們能夠確定桿在
不同頻率和桿寬高比下的頻散特性。但是，不可能有對于所有頻率和寬高 比的解決方法。但是最近，任意截面結(jié)構(gòu)中波傳播的頻散曲線的連續(xù)軌跡
通過使用有限元(FE)特征求解器變得可能。Wilcox等人(見參考文獻(xiàn) 12 )、 Mukdadi等人(見參考文獻(xiàn)13 )、以及Hayashi等人(見參考文獻(xiàn)14 ) 已經(jīng)報道了L型截面、橫梁和帶的軌跡頻散曲線方法。
在此使用Wilcox等人的方法來分析在lmm厚和30mm寬的鋼帶中傳 播的模式。圖7顯示了相速度頻散曲線。由較密集的線突出表示的模式已 經(jīng)確認(rèn)為帶的第一水平剪切^^莫式SIP。與無限板情形對比，傳播的SH0模 式在有限帶中不存在。這是由于在帶側(cè)面上零應(yīng)力邊界條件的原因，其可 僅由剛體運動或SI^和較高階模式滿足。因而，在有限寬度帶中沒有非頻 散的傳播剪切模式存在。但是，帶越厚，SIP模式的截止頻率變得越低。 因為SH"莫式與材料中的整體剪切速率(bulk shear velocity)漸進(jìn)，所以 它在較高頻率時變得基本上非頻散。在本發(fā)明中，壓縮或剪切特性的基本 上純非頻散的帶才莫式用來沿波導(dǎo)或"聲纜"將超聲能量傳送到待詢問的試 樣。模式的純度避免了幾種信號的到達(dá)，其可被誤認(rèn)為在詢問結(jié)構(gòu)中的缺 陷或特征，且才莫式的非頻散性有助于在窄時窗(narrow time window)中集 中波能量，這增加信號在波導(dǎo)中的傳播范圍，并且還確定可用其監(jiān)測結(jié)構(gòu) 的空間分辨率(見參考文獻(xiàn)15 )?；赟fP模式的示例將在這里詳細(xì)描述， 而且^^用相似沖莫式的壓縮特性也是可能的。
圖8顯示了 15mm寬帶的截面和SH舉模式在2MHz下的模式形狀?？?以看到，平行于帶寬度方向的位移y控制SH^莫式的模式形狀。但是，與 無限板中SH模式的模式形狀不同，有限寬度帶中SH模式的模式形狀隨 頻率改變。圖9顯示了在頻率變化范圍內(nèi)SH4莫式的主導(dǎo)y位移分量的演 變。頻率越高，模式越集中在帶的中心。因此，在高頻時，模式在幾乎整 體剪切速率時沿能量很少的帶中心傳播能量，且因此在邊緣靈敏。
借助于^t擬^t式的^t式形狀的變跡換能器(apodized transducer),可 實現(xiàn)純沖莫式形狀的激發(fā)。也可以使用線圈換能器。換能器可以放置在帶的 端部或側(cè)面。因為短的時間脈沖是寬帶信號，所以模式的模式形狀不應(yīng)在 激勵脈沖的頻率帶寬范圍內(nèi)顯著地改變。在較高頻率(2MHz的中心頻率
附近)，這是用于較寬帶的SH^莫式的情況。因此，具有兩個標(biāo)準(zhǔn)來管理 帶寬高比的容許范圍。第一，在感興趣的頻率帶寬內(nèi)，才莫式是基本上非頻
散的(速度變化小于5% )，以及第二，在感興趣的頻率帶寬范圍內(nèi)存在相 對恒定的模式形狀(標(biāo)準(zhǔn)化振幅的差異小于10% )。對于SH4莫式，目前 的任務(wù)是找到滿足兩種標(biāo)準(zhǔn)的寬高比限度。
無限板的頻散曲線可通過繪制相對于頻率厚度(FT)積的曲線而幾何 獨立。因此，厚度為另一塊板的兩倍的板上的截止;f莫式將使得頻率為其一 半。因為寬/厚比較大(>5),在我們的情形中，系統(tǒng)大約可與兩種乘積成 比例；FT是帶的頻率-厚度的乘積，而FW是帶的頻率-寬度的乘積。沿 那些線推理并保持帶的厚度不變(FT不變)，帶的寬度可調(diào)節(jié)至極限情況， 此處頻散曲線和模式形狀不滿足較早敘述的成功激勵和單一模式傳播的 準(zhǔn)則。圖IO顯示了 lmm厚和30mm寬的帶以及l(fā)mm厚和15mm寬的帶 的SH4莫式相速度頻散曲線。15mm寬的帶中的模式的截止頻率是雙倍頻 率。圖11顯示了接近截止頻率(點1 )的S『模式的模式形狀，且在此點 附近的頻率處，相速度開始朝帶的整體剪切速率漸進(jìn)(點2)。在截止處， 模式在帶的邊緣呈現(xiàn)大量位移。邊緣處的位移在較高頻率處是可忽略的。
用于檢測的有用頻率從lMHz到5MHz變化。但是，在缺陷和厚度監(jiān) 測中，通常使用脈沖的寬帶激勵。這需要信號的中心頻率以下一半的帶寬 和中心頻率以上一半的帶寬。因此，對于lMHz的中心頻率脈沖，波導(dǎo)必 須在0.5-1.5MHz范圍內(nèi)呈現(xiàn)相似的非頻散波傳播。類似地，對于2MHz 的中心頻率信號，范圍在lMHz - 3MHz范圍內(nèi)延伸。如圖10中所看到的， lmm厚和15mm寬的帶變得不適于發(fā)送lMHz的脈沖。SH承模式的相速度 還沒有漸進(jìn)到整體剪切速率。此模式在頻率范圍500 - 800kHz中仍相對頻 散，且其模式形狀(圖11 (b))在邊緣不具有可忽略的幅值(~25% )。 在圖11 (a)和(b)還可看到，直到模式開始漸進(jìn)到剪切波速度，其模式 形狀才不由Y方向的分量支配。但是，相同的帶適合于發(fā)送2MHz中心頻 率的信號。在2MHz信號(l-3MHz)帶寬內(nèi)，頻散非常有限，且模式形 狀幾乎不變(+/-5% )。因此，為了使波成功地沿帶傳播(以SH"莫式的 形式)，頻率-寬度必須大于15MHz mm。以寬度和波導(dǎo)材料的整體剪切
波長比來表示，寬度必須比在信號內(nèi)包括的最低頻率分量處的5整體剪切 波長更寬。
壓縮波
對于壓縮型帶^t式，可進(jìn)行與上述相同的程序 波衰減的情況下或者當(dāng)在結(jié)構(gòu)中使用壓縮波有利時 利的。
連接
越過"聲纜"(波導(dǎo))的"接合"將能量朝被監(jiān)測的結(jié)構(gòu)傳遞也是重
要的。彈性半空間上的法向點&線力問題是有名的Lamb問題，且第一次 被Lamb解決(見參考文獻(xiàn)16)。其他工作者給出了具有不同幾何結(jié)構(gòu)和 源偏振現(xiàn)象的相似問題的解決方法。Miller和Pursey (見參考文獻(xiàn)17)考 慮了法向地、切向地及扭轉(zhuǎn)地沿長帶和圓盤無限加載。Achenbach(見參 考文獻(xiàn)18)提出在彈性半空間上的反平面剪切無限線源的解決方法，這是 進(jìn)入較大結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)中StP模式的簡化2D解決方法。在這種情況下，在 半空間中激勵的反平面剪切波柱狀地從源輻射至結(jié)構(gòu)中。在所有其它加載 條件下發(fā)生的表面波的激勵在反平面剪切加載中不會發(fā)生。這是缺陷監(jiān)測 或厚度測量所需要的，因為它通過消除模式轉(zhuǎn)化產(chǎn)生相對不復(fù)雜的信號。 而且，Miller和Pursey描述的輻射模式對于其它源更復(fù)雜，且總是包含要 求很多能量的表面波。與點源相比，用于壓縮波導(dǎo)的帶源也是有利的，因 為它將源的波從球形散布化為柱狀散布。而且，帶越厚，轉(zhuǎn)化成表面波的 能量越少。
將波導(dǎo)連接到結(jié)構(gòu)的方法是重要的。像焊接、銅焊或軟焊以及在較大 法向力下千接觸夾持的這些方法是可以的。通過焊接或軟焊的連接經(jīng)常改 變波導(dǎo)進(jìn)入結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)。填充金屬的角、殘渣及閃光可能沿波導(dǎo)與結(jié) 構(gòu)接觸的邊緣產(chǎn)生。去除角或殘渣是困難的，因為它們非?？拷Y(jié)構(gòu)和波 導(dǎo)。細(xì)波導(dǎo)和結(jié)構(gòu)之間厚度的巨大差異也使得難于將帶焊接或軟焊到結(jié)構(gòu)
。在結(jié)構(gòu)中遇到高剪切 ，它們的使用可能是有
上，而不破壞它。通過連接技術(shù)引入的幾何結(jié)構(gòu)的變化幾乎總是波導(dǎo)厚度 的量級和材料中波的波長(在給定頻率)的量級。它們引起接合內(nèi)信號的
混響，并使返回到換能器的信號減弱。圖12顯示了焊接到6mm護板的波 導(dǎo)的信號。入口反射(entry reflection)和底面回波是可確認(rèn)的；但是，信 號被大量噪聲覆蓋，這是由于在接合處的混響(reverberation)的原因。這 可能會掩蓋結(jié)構(gòu)特征的較弱信號。最初認(rèn)為，將波導(dǎo)焊接、銅焊、軟焊或 壓焊到結(jié)構(gòu)是連接波導(dǎo)的最好的解決方法。的確，它也是將大量信號傳遞 到結(jié)構(gòu)中的解決方法，而且在脈沖-回波模式中是好的選擇(在相同的換 能器上發(fā)送接收)。永久性連接方法的缺點是因在接合處的混響而引起的 信號與大量噪音的污染。這些缺點難于消除，因此在信號"清晰"重要的 情況下，優(yōu)選使用夾具的方法。夾持方法以投捕模式(pitch catch mode) (在一個換能器上發(fā)送，在另一個換能器上接收)工作。信號經(jīng)由一個波 導(dǎo)射入到結(jié)構(gòu)中，并祐j欠置在發(fā)送波導(dǎo)旁邊的波導(dǎo)接收。在發(fā)送帶的"脈 沖回波，，模式中的信號幾乎不改變夾持的或自由的波導(dǎo)。這是因為波導(dǎo)和 子結(jié)構(gòu)在它們被夾持和壓在一起時沒有很好的接觸。大量的入口反射、振 鈴和存在的其它模式(比信號低30dB )完全掩蓋了來自結(jié)構(gòu)的低幅度信號。 這個問題通過在投捕模式中工作并使用另一個波導(dǎo)作為已經(jīng)傳遞到結(jié)構(gòu) 中的信號的拾波器來克服。結(jié)果見圖6。投捕構(gòu)型的優(yōu)點是，僅接收已經(jīng) 傳遞到結(jié)構(gòu)中的能量，且因此減少在波導(dǎo)和結(jié)構(gòu)的接合處對傳遞幅度與反 射幅度之比的依賴性。
圖13和圖14顯示了板狀結(jié)構(gòu)和管的可能的夾持構(gòu)型的略圖。在板狀 結(jié)構(gòu)的情況下，特征是，連接到使被夾持的波導(dǎo)能夠被推到結(jié)構(gòu)表面上的 結(jié)構(gòu)上。如果可能的話，可將螺栓焊接到基板上，而波導(dǎo)夾具可被獰到這 些螺栓上。還有更多可能的變化形式。圖14顯示了完全可拆卸的解決方 法，這里，被夾持的波導(dǎo)通過兩個管夾具連接到管。具有僅接觸到波導(dǎo)邊 緣的夾具是重要的，使得它不會影響波在帶中心的傳播。而且，靠近波導(dǎo) 端部的夾具避免細(xì)波導(dǎo)被推到表面上時彎曲。 參考文獻(xiàn)
1. Lynnworth, L.C. "Marginally dispersive ultrasonic waveguides"美國 專利5,159,838, 1992
2. Lynnworth, L.C. "Ultrasonic path bundle and systems" 美國專利 5,962,790, 1999
3. Lynnworth, L.C,, Yi Liu, Umina, J.A. "Extensional bundle waveguide techniques for measuring flow of hot fluids", IEEE Trans UFFC, 52, pp538-544, 2005
4. Winston, T.R.和Brund,丄A. "Method and apparatus for ultrasonic inspection of inaccessible areas"， 美國專利6,230,568， 2001
5. Heijnsdijk, A,M.和van Klooster, J.M. "Ultrasonic waveguide"， 美 國專利6,400,648, 2002
6. Jen, C.K.C和Legoux, J.G. "Clad Ultrasonic Waveguides with reduced trailing echoes"，美國專利5,828,174, 1998
7. Araki, H.和Matsunaga, Y. "Ultrasonic Flow Meter",美國專利 4,014,211,1977
8. Sather, A. "Ultrasonic buffer-rod technique for the high temperature measurement of the elastic moduli of short specimens", J Acous Soc Am 43(6), pp. 1291-1294, 1968
9. Lynnworth, L.C. "Ultrasonic Buffer/Waveguide",美國專利6,047,602,
2000
10. Wilcox, P. D., "A Signal Processing Technique to Remove the Effect of Dispersion from Guided Wave Signals" , IEEE Trans， on Ultrason, Ferroelec. and Freq. Cant. 50(4), pp.419-427, 2003.
11. Mindlin, R.D.和Fox, E.A. "Vibrations and Waves in Elastic Bars of Rectangular Cross Section" , J App Mech, pp. 152-158, 1960
12. Wilcox P., Evans M., Diligent O., Lowe M., Cawley P. "Dispersion
and excitability of guided acoustic waves in isotropic beams with arbitrary cross section" , Review of Progress in quantitative NDE 21, D.O. Thompson and D. E. Chimenti, AIP
13. Mukdadi O. M.， Desai Y M., Datta S., Shah A. H., Mklasson A. J. "Elastic guided waves in a layered plate with rectangular cross section", J Acoust Soc Am 112,pp. 1766 - 1779, 2002
14. Hayashi T., Song W., Rose J. L. "Guided wave dispersion curves for a bar with an arbitrary cross-section, a rod and rail example" , Ultrasonics 41， pp. 175 -183,2003
15. Wilcox P., Lowe M., Cawley P., "The effect of dispersion on long-range inspection using ultrasonic guided waves" , NDT&E international 34, pp. 1-9, 2001
16. Lamb H., "On the propagation of tremors over the surface of an elastic solid", Phil, Trans. R. Soc. A203, pp. 1-42, 1904
17. Miller G.F., Pursey H., "The field and radiation impedance of mechanical radiators on the free surface of a semi-infinite isotropic solid", Proc. R. Soc. 223, pp. 521-541, 1954
18. Achenbach J. D.， "Wave propagation in elastic solids", North-Holland Publishing Company, pp. 283-289, 197權(quán)利要求
1.用于測試物的超聲無損檢測的設(shè)備，所述設(shè)備包括超聲傳遞材料細(xì)長帶，所述細(xì)長帶具有用于連接到所述測試物的一近端和一遠(yuǎn)端；以及超聲換能器，其連接到所述細(xì)長帶；其中所述細(xì)長帶具有給定寬高比大于一且與所述超聲換能器匹配的橫向截面寬度和厚度，使得所述超聲換能器的激勵導(dǎo)致基本上非頻散的超聲信號沿所述細(xì)長帶傳播到所述近端，并進(jìn)入所述測試物。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述細(xì)長帶由具有剪切速度C,和 剪切波長人B的材料形成，其中XfCVF,且F是對應(yīng)人B的頻率，而所述基本上非頻散的超聲信號由不同頻率且具有從4延伸到4的剪切波長的組 分形成。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述厚度小于2.54。
4. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述厚度小于^。
5. 如權(quán)利要求2至4中任一項所述的設(shè)備，其中所述寬度大于3.5 4。
6. 如權(quán)利要求2至4中任一項所述的設(shè)備，其中所述寬度大于54。
7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述基本上非頻散的 超聲信號包括垂直于傳播方向并平行于所述寬度偏振的最低階剪切模式 振動。
8. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述細(xì)長帶由具有桿速度Q和桿 波長^的材料形成，其中4^Q/F，且F是對應(yīng)^的頻率，而所述基本 上非頻散的超聲信號由不同頻率且具有從4延伸到^的桿波長的組分形 成。
9. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述厚度小于2.54。
10. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述厚度小于^。
11. 如權(quán)利要求8至10中任一項所述的設(shè)備，其中所述寬度大于3.5^ 。
12. 如權(quán)利要求8至10中任一項所述的設(shè)備，其中所述寬度大于5&。
13. 如權(quán)利要求8至12中任一項所述的設(shè)備，其中所述基本上非頻 散的超聲信號包括平行于傳播方向偏振的最低階壓縮模式振動。
14. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述超聲換能器基本 上僅激勵單一模式的傳播導(dǎo)波。
15. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述超聲換能器基本上僅變跡 激勵所述單一模式的傳播導(dǎo)波，以導(dǎo)出所迷基本上非頻散的超聲信號。
16. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述基本上非頻散的 超聲信號基本上從所述近端向所述測試物柱狀地傳播。
17. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述超聲換能器連接 到所述遠(yuǎn)端。
18. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述超聲換能器通過以下方式 之一連接到所述遠(yuǎn)端(iv) 結(jié)合連接；(v) 機械固定和超聲傳遞耦合劑；以及(vi) 機械固定和可變力。
19. 如權(quán)利要求1至18中任一項所述的設(shè)備，其中所述超聲換能器 包括連接到所述細(xì)長帶的至少 一個縱向側(cè)面的換能器。
20. 如權(quán)利要求1至18中任一項所述的設(shè)備，其中所述超聲換能器 包括可操作來提供電磁超聲換能的線圈。
21. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述細(xì)長帶圍繞基本 上平行于所迷細(xì)長帶的所述寬度并基本上垂直于傳播方向的軸彎曲。
22. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述細(xì)長帶圍繞基本 上平行于傳播方向的軸彎曲。
23. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，包括超聲接收器，所述超 聲接收器可操作來接收來自所述測試物的反射超聲，所述反射超聲由進(jìn)入 所述測試物的所述基本上非頻散的超聲信號引起。
24. 如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中所述超聲接收器包括一個或多 個其它細(xì)長帶，每個細(xì)長帶在相應(yīng)的位置連接到所述測試物，以接收所述 反射超聲，并具有接收超聲換能器，以探測所述反射超聲。
25. 如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中所述細(xì)長帶及所述超聲換能器 也形成所述超聲接收器。
26. 如權(quán)利要求23至25中任一項所述的設(shè)備，其中所述反射超聲包 括至少一種反射信號，且所述超聲接收器測量所述反射信號之間的時間 差。
27. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述近端通過以下方 式之一 固定到所述測試物(i) 焊接；(ii) 銅焊；(iii) 軟焊；以及(iv) 壓焊。
28. 如權(quán)利要求1至26中任一項所述的設(shè)備，其中所述近端被夾持 到所述測試物。
29. 如權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其中超聲傳遞耦合劑設(shè)置在所述近 端和所述測試物之間。
30. 如權(quán)利要求28和29中任一項所述的設(shè)備，其中一夾具以可調(diào)節(jié) 的力將所述細(xì)長帶夾持到所述測試物。
31. 如權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其中所述夾具通過焊接到所述測試 物的螺栓連接到所述測試物。
32. 如前述權(quán)利要求中任一項所迷的設(shè)備，其中所迷近端連接到所述 測試物的表面，使得所述傳播方向不垂直于所述表面，從而所述超聲信號 以不垂直角度進(jìn)入所述測試物。
33. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述超聲無損檢測是 厚度測量。
34. 如權(quán)利要求1至32中任一項所述的設(shè)備，其中所述超聲無損檢 測是裂紋監(jiān)測。
35. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述測試物為(i) 處于大于200。C的溫度；以及(ii) 受到上述電離輻射的背景水平。
36. —種超聲無損檢測測試物的方法，所述方法包括 將細(xì)長帶的近端連接到測試物；激勵在所述細(xì)長帶內(nèi)的基本上非頻散的超聲信號，以沿所述細(xì)長帶傳 播，并進(jìn)入所述測試物。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述細(xì)長帶由具有剪切速度G和 剪切波長4的材料形成，其中^-C,/F，且F是對應(yīng)4的頻率，而所述基 本上非頻散的超聲脈沖由不同頻率且具有從4延伸到&的剪切波長的組 分形成。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述細(xì)長帶的橫向截面厚度小 于2斗
39. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述細(xì)長帶的橫向截面厚度小 于4。
40. 如權(quán)利要求37、 38和39中任一項所述的方法，其中所述細(xì)長帶 橫向截面寬度大于3.5^。
41. 如權(quán)利要求37、 38和39中任一項所述的方法，其中所述細(xì)長帶 橫向截面寬度大于5/^。
42. 如權(quán)利要求36至41中任一項所述的方法，其中所述基本上非頻 散的超聲信號包括垂直于傳播方向并平行于所述細(xì)長帶的寬度偏振的最 低階剪切模式振動。
43. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述細(xì)長帶由具有桿速度Q和 桿波長4的材料形成，其中/^=&/,，且F是對應(yīng)4的頻率，而所述基本上非頻散的超聲信號由不同頻率且具有從4延伸到4的桿波長的組分 形成。
44. 如權(quán)利要求43所述的方法，其中所述厚度小于2.5^。
45. 如權(quán)利要求43所述的方法，其中所述厚度小于4。
46. 如權(quán)利要求43、 44和45中任一項所述的方法，其中所述寬度大 于3.5;i長。
47. 如權(quán)利要求43、 44和45中任一項所述的方法，其中所述寬度大 于5A長。
48. 如權(quán)利要求43至47中任一項所述的方法，其中所述基本上非頻 散的超聲信號包括平行于傳播方向偏振的最低階壓縮模式振動。
49. 如權(quán)利要求36至48中任一項所述的方法，其中基本上僅單一模 式的傳播導(dǎo)波在所述細(xì)長波導(dǎo)中被激勵。
50. 如權(quán)利要求36至49中任一項所述的方法，其中所述超聲無損檢 測A^度測量。
51. 如權(quán)利要求36至50中任一項所述的方法，其中所迷超聲無損檢 測是裂紋監(jiān)測。
52. 如權(quán)利要求36至50中任一項所述的方法，其中所述測試物為(i) 處于大于200。C的溫度；以及(ii) 受到上述電離輻射的背景水平。
全文摘要
一種用于超聲無損檢測的設(shè)備和方法，其提供了在近端連接到測試物的超聲傳遞材料的細(xì)長帶。細(xì)長帶具有給定寬高比大于一并與超聲換能器匹配的橫向截面寬度和厚度，使得激勵引起基本上非頻散的超聲信號沿細(xì)長帶傳播到近端，并進(jìn)入測試物。這些非頻散脈沖特別適合于時差測量、厚度測量、裂紋測量等。細(xì)長帶有助于將換能器和與測試物有關(guān)的潛在惡劣環(huán)境分離開。細(xì)長帶也與測試物大面積接觸，從而允許將能量有效傳遞到測試物。
文檔編號G10K11/24GK101351278SQ200680050234
公開日2009年1月21日 申請日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者弗雷德里克·伯特·瑟格拉, 彼得·考利 申請人:帝國創(chuàng)新有限公司