聚焦探头的应用优化方案

1.聚焦探头的配置

设以水中聚焦探头的焦点为圆心，以待检管子外径为半径作一虚圆模拟管子外壁，如图11.4-10a所示。将探头平移一偏心距x，如图11.4-10b所示，入射束在圆周上的入射点处构成的入射角将分别为α₁、α₂和α₃。此时，，可推算得出α₁=α₃，即当聚焦探头与管子在水中作如此配置时，在管子外壁束入射处α₁=α₃。此时横波在管壁中传播，折射角几乎不分散，而且可以提高检测灵敏度。

图11.4-10 聚焦探头的配置

2.偏心距的选定

设C_l水、C_l管分别为水中、管壁中纵波速度，C_t管为管壁中模波速度，α为水中入射角，β_l为管壁中纵波折射角，β_t为管壁中横波折射角，则有

由式（11.4-1）可得

欲使折射纵波在壁中不存在，β_l应≥90°，设此时水中入射角为α₁，则

欲在管壁中产生横波，因，此时，水中入射角设为α₂，则α₂不能大于此α，即

但欲使在管壁中的横波能投射到管子的内壁（如图11.4-11所示），又须

由式（11.4-1）～式（11.4-4）可得，欲在管壁中仅存在横波，且横波能透射到管内壁，则在水中的声束入射角α必须满足

图11.4-11 偏心距的选定

可知声束中心线与管中心线的偏心距必须满足

对于钢管C_l水=1500m/s，C_l管=5850m/s，C_t管=3230m/s，代入式（11.4-6）可得

0.251R≤x≤0.458r

由式（11.4-6）可得，如果使用平行声束进行检测，能被使用的声束宽度为

如果波束宽度大于此数值，在管壁中传播的波形可能有纵波、横波、瑞利波、兰姆波，这可以从改变偏心距时观察人工槽反射波的情况来分析。需知，对于人工槽，纵波、横波、兰姆波均可予以发现，且三者均可能得出反射波幅度dB数与槽深的关系。

3.对聚焦声束聚焦角的要求

由上可知，欲在管壁中得到纯横波，入射角必须满足式（11.4-5）的要求，即入射角的变化范围α必须满足

当聚焦探头已作上述的配置时，α₂为最大入射角，α₁=α₃为最小入射角，所以

可得

但由图11.4-12可知，，可得。

所以仍得cosθsinα₂≈sin（α₂-α）

即要求

对于水浸法检测(www.xing528.com)

式中，R-r即为壁厚；r为管内径。

图11.4-12 聚焦声束在管壁中的声径

4.聚焦声束宽度的影响

聚焦声束宽度的影响因素包括对探头晶片直径、工作频率、焦距等的选择。

如前所述，用水浸聚焦方法检测时，入射进管壁中的声束有一定的宽度，如图11.4-13所示，在管壁中作周向传播的横波在内、外径表面上进行交替反射，从而可在内、外径表面下形成检查三角形。处于检查三角形内的径向缺陷可将入射声波反射到管表面，再返回到探头而被检出。在R、r一定的情况下，调整ϕ和α，可使h_o+h_i=t，即可覆盖整个壁厚。

图11.4-13 通过旋转对整个壁厚作检查（h_i+h_o=t），在最大角度时的周向折射声束

从图11.4-13中可以得出

由h_o+h_i=t，可得

由中心射束折射角，可得

图11.4-14为对旋转管作周向扫查时，为了能覆及整个壁厚，在某一α值时，中心射束最大折射角与外径/壁厚比的关系。图中，ϕ_cg是指中心射束与内壁相切的情况。

图11.4-14 为对整个壁厚作周向扫查时，中心射束最大折射角与外径/壁厚比的关系

在管壁中产生合适的折射角，以覆盖整个壁厚。当时，典型的中心声束的折射角为45°，在水中作为起始调整，可将声束中心线从与管壁相切平移外径1/6的一段距离。

入射进管壁中的声束宽度必须足够得窄，从细平行声束斜射入平板来考虑（即忽略管子的曲面影响）。由图11.4-15可知，若AC＜AD，即可形成斜线表示的干扰区。为了避免出现干扰，入射声束的有效密度（d_e）必须满足

图11.4-15 声束斜射入薄板时干扰区的形成

式中，M=sini/sinθ，这可通过图11.4-10b中H的改变来调整。

如果声脉冲宽度足够窄，即使声束较宽，也能避免干扰。此时，声脉冲宽度（W）应满足

式中，C_s为管壁中超声横波速度，这可通过采用高频、高阻尼探头（如硫酸锂探头）和相配仪器来表达。

需要注意，对于壁厚甚薄的管，则需利用聚焦探头的焦栓部分入射管壁进行纵向缺陷的检测。为使内、外壁缺陷都能处于焦栓细束中，折射后的焦栓长度L应大于图中的（AB+BC），即；而宽度也需满足上述d_e的要求。

5.螺距和转速的选择

对管子逐根作两个相反圆周方向的螺旋式扫查，以检测管子的纵向缺陷。

扫查螺距（P）必须满足下式要求：

P≤｜N-B_-3｜

式中，N为要求检出的缺陷长度，B_-3为声束在管壁中的轴向（-30dB）长度。

管子的转速n需满足下式要求：

式中，f为脉冲重复频率；D为管材外径；M为系数，应根据缺陷记录和报警的方式进行选取，如采用一次脉冲即可触发工作的通断记录仪，M取1～2即可。如采用累计记录或累计报警的方法，即为了克服现场随机脉冲的干扰、误报，需多次缺陷脉冲叠加后方能报警时，则M值应适当取大些。