聲表面波(SAW，Surface Acoustic Wave)是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。

            聲表面波是英國物理學(xué)家瑞利(Rayleigh)在19世紀(jì)80 年代研究地震波的過程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡?font face="宋體">。

            對(duì)于近表面缺陷的檢查，表面波十分有效。

            正如理論論述的那樣，由于表面波的能量 集中于表面下2個(gè)波長之內(nèi)，檢查表面裂紋靈敏度極高。

            表面波的位置分布可分解為與表面垂直和平行兩個(gè)方向的振動(dòng)，即縱波與橫波所組成的橢圓形振動(dòng)。

            表面下2個(gè)波長深度范圍之內(nèi)集中總能量的 99%(40dB)。

            表面波的聲速約為縱波的1/2，比橫波稍小(見表1)。

            1、表面波的產(chǎn)生

            表面波產(chǎn)生方法有著原理不同的兩種方法，即Y切割石英晶體和透聲楔方法。

            常用的表面波探頭采用與斜探頭相似的楔塊，當(dāng)橫波折射角為90°時(shí)，即產(chǎn)生表面波前邊。

            2、表面波在表面的傳播規(guī)律

            2.1 在平面上的傳播

            2.1.1 油的影響

            若在反射波傳播的表面上涂上油，那么所傳播的波幾乎完全衰減。用手壓也一樣。這是因?yàn)槔碚撋显谠嚰囊粋?cè)為真空下求解，而有液體處理方法截然不同。

            另一種觀點(diǎn)可以理解為表面波的垂直分量在液體層中引起衰減所致。用手按傳播表面可以判斷表面是否是 裂紋或棱邊的反射。同時(shí)也說明，探傷中探頭前面不得有油污的重要性。

            2.1.2 表面波的反射

            表面波遇到表面或近表面缺陷會(huì)產(chǎn)生反射。作為缺陷，有裂紋或體積狀缺陷(氣孔、夾渣)。表面波重點(diǎn)檢查裂紋，這里不討論體積型缺陷。

            (1)槽矩形槽的反射(裂紋)與裂紋相似的人工傷，一般刻矩形槽缺陷?？滩凵疃扰c回波高度關(guān)系繪于(見圖3)中

            （2）棱邊反射

            如表面波傳播中遇到工件的棱邊會(huì)產(chǎn)生反射波，也有一部能量超過棱邊繼續(xù)傳播表面波在棱邊上的反射理論上無法解釋，但實(shí)驗(yàn)卻十分簡單。棱邊為直角時(shí)，反射率最高(見圖4)。

            3）帶曲率的棱邊反射

            如果棱邊倒角，其曲率半徑為r，反射回波降低。反射率與曲率半徑的關(guān)系。從圖5中可以看出直角邊(r=0)反射率52%；r=5時(shí)，反射率約為6%。即可以有更多能量通過圓弧面。

            在A、D棱邊反射信號(hào)中間，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)其他回波信號(hào)B、C。這可能是入射波與回波干涉的結(jié)果。改變探傷頻率，結(jié)果會(huì)不同。

            2.1.3 表面波所產(chǎn)生的變型波

            （1）表面波在邊角處會(huì)產(chǎn)生的變型橫波( S)，其表面有一定曲率時(shí)，表面波的產(chǎn)生是逐點(diǎn)進(jìn)行的。產(chǎn)生變型波會(huì)使表面波產(chǎn)生衰減，變型波也會(huì)影響回波波形判斷。有時(shí)也可加以利用。

            2.1.4 橫波所產(chǎn)生的變型表面波當(dāng)橫波傳播過程中，主聲束與內(nèi)孔或圓角相切時(shí)會(huì)產(chǎn)生變型表面波。變型表面波強(qiáng)度較大。變型表面波的產(chǎn)生會(huì)影響探傷波型的判斷。

            利用變型表面波探傷的實(shí)例。汽輪機(jī)葉片的葉根可利用的探傷面較少也較窄。利用合適角度的斜探頭，使之聲束與圓弧面相切，此 時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的表面波，表面波沿表面?zhèn)鞑ィ@樣檢測出F1、F2處裂紋就成為可能。

            我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用均取得較理想的效果。

            3、表面波探傷時(shí)儀器調(diào)整

            3.1 掃描速度調(diào)整

            掃描速度調(diào)整方法與普通斜探頭不一樣。入射點(diǎn)按探頭前沿(即探頭端頭)計(jì)算。

            調(diào)掃描速度時(shí)，將探頭對(duì)準(zhǔn)試塊棱邊，回波信號(hào)按水平距離調(diào)節(jié)成一定比例，一般前后移動(dòng)探頭，改變L值。

            例如L1=20mm，L2=40mm等，利用深度旋鈕，水平旋鈕，當(dāng)L1=20mm調(diào)節(jié)水平刻度20位置；L2=40mm，調(diào)整水平刻度 40 位置，即完成1:1調(diào)整。也可利用棱邊A、B一次調(diào)整完成。

            3.2 探傷靈敏度調(diào)整

            探頭對(duì)準(zhǔn)直角棱邊，調(diào)整棱邊回波高度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，例如滿屏的60%，再增益21dB 作為探傷靈敏度。
            對(duì)于5MHz的探頭，此靈敏度相當(dāng)于發(fā)現(xiàn)0.1mm深的裂紋。

            4、應(yīng)用實(shí)例

            4.1 深度1mm以下裂紋測深度

            在探傷靈敏度下，當(dāng)回波高度等于21dB時(shí)，說明裂紋深度大于1mm。此時(shí)裂紋再深，回波不會(huì)再增加。

            當(dāng)回波幅度小于21dB時(shí)，可查曲線(見圖 10)得知裂紋深度。

            例如回波幅度10dB(5MHz)探頭，裂紋深度為0.3mm，實(shí)用證明此法測深較準(zhǔn)確。

            4.2 深度大于1mm裂紋測深

            深度大于1mm，回波已飽和，不再隨裂紋深度增加而增加，此時(shí)裂紋測深方法有兩種。

            4.2.1 單探頭法

            測深原理如圖11所示，回波B為裂紋端反射。A、B之間聲程差，即為裂紋深度。試塊上，切口面平滑，B波清晰可見，人工裂紋測量精度可達(dá)±1mm。 實(shí)用上，裂紋表面不平，回波B可能觀察不出來。

            4.2.2 雙探頭法

            無裂紋時(shí)，表面波直達(dá)接收探頭(單程)；有裂紋時(shí)，真實(shí)裂紋直達(dá)波仍存在。繞過裂紋波為雙程，裂紋深度t=L/2。此法比單探頭有效。

            4.3 橫波產(chǎn)生的變型波的利用

            在一些特殊場合，使用各種探頭均達(dá)不到檢測裂紋的目的，可考慮使用變型表面波。有些T型葉根用其他方法檢查葉根裂紋F1 、F2十分困難。

            這時(shí)，選用一定角度的斜探頭，在葉根側(cè)面，前后移動(dòng)探頭，使主聲束與圓弧面r角相切。這時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變型表面波。變型表面波沿表面?zhèn)鞑ゾ涂蓹z查出裂紋F1或F2。

            F1處于r角陰影處(盲區(qū))，橫波檢查不出，實(shí)驗(yàn)證明，變型表面波具有很高靈敏度。

            4.4 非平面探傷技術(shù)

            汽輪機(jī)葉片葉根探傷中的一種常見情況。探傷面高出葉根平面，高度為h0。

            汽輪機(jī)葉片葉根探傷中的一種常見情況。探傷面高出葉根平面，高度為h0。

            如前所述，表面波越過A邊，聲能損失較小(約衰減6dB)，但越過B角，會(huì)產(chǎn)生變型橫波，聲能損失極大。這樣傳播到裂紋F處聲能很小，也就檢不出裂紋F。

            當(dāng)h0≤0.5mm時(shí)，就有足夠的表面波能量達(dá)到F處，即可檢出裂紋F。

            討論其原因，頻率為5MHz的表面波波長為 0.65mm。這時(shí)，會(huì)有足夠的表面波能量直射到裂紋F處。圓弧后裂紋的檢測，汽輪機(jī)葉片探傷的另一種情況。表面波探頭放置在葉片側(cè)面，表面波越過棱邊A繼續(xù)傳播，達(dá)到倒角B處(弧面)時(shí)，由于曲率半徑較大，可以檢查出裂紋F1，靈敏度較高。圓弧處會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。因此，無裂紋時(shí)，固有波形較雜(在F1之后)，會(huì)影響裂紋F2的判傷。改變探頭頻率固有回波會(huì)發(fā)生位置幅度變化。在試塊上試驗(yàn)，選擇哪種探傷頻率固有波形最少，效果最好。

            5、對(duì)表面波探頭的要求

            表面波探頭探傷靈敏度較高，一般5×5mm 晶片就有足夠的靈敏度。為擴(kuò)大表面波應(yīng)用范圍，關(guān)鍵是減小探頭前沿尺寸。我們研制生產(chǎn)的表面波探頭技術(shù)指標(biāo)如下： 頻率：2.5MHz 、5MHz； 晶片尺寸：5×5、6×6、8×8、10×10mm；探頭前沿：≤3mm； 外型尺寸：長：寬：高 =18：10：15 (通用型)； 靈敏度：≥40dB(前沿距棱邊20mm)；晶片尺寸、外型也可根據(jù)用戶要求生產(chǎn)。

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