超聲無損檢測的制作方法

專利名稱：超聲無損檢測的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于超聲無損檢測的設備和方法。已有技術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送到 測試材料并測試其穿過樣品的時差(time-of-flight)來進行。缺陷監測可通過將超聲信 號發送到測試材料中并觀察其從缺陷結構的反射來執行。通常，超聲換能器直接接觸測試 物放置。然后，發射的超聲信號被發射換能器接收，發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)環境中是簡單的，但是為了在 惡劣(例如高溫)環境中操作此換能器，必須克服重大的技術障礙。開發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)需要轉換信號，以沿同軸電纜傳送，其本身必須能抵抗環境。還必須提供合適的 連接器和動力供應。有吸引力的備選方案使用由能夠抵抗惡劣環境的材料制成的聲波導(acoustic waveguide)，來將超聲信號從位于非惡劣區域的換能器和輔助部件發送到測試物。波導的 端部直接連接到所關心的測試樣品區域。但是，使用中間波導(intermediary waveguide) 不是小任務。超聲檢測通常使用高頻(> IMHz)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傳播。另外，換能器和測試樣品均必須有效地連接到波導，以避免過高 的能量損失。
0006]要克服的主要問題是頻散和存在的多模式。附圖的

圖1顯示了柱狀桿波導 (cylindrical rod waveguide)的頻散曲線。所發射的信號能量的一些散布是不可避免的， 因此，例如以2MHz中心頻率產生的信號通常具有IMHz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，且以單一模式為主導。波導中的頻散及可能的模式主要是信號頻率和波導最小尺寸的乘積的函數。而 且，為了獲得非常準確的超聲厚度測量，通常需要在IMHz以上操作。但是，在較高的頻 率-尺寸積(frequency-dimension product)中，可傳播更高階的模式，因此必須限制波導 的最小尺寸。因此，細桿波導的使用在本領域是已知的。因為很難將足夠的能量傳遞到細 桿來產生強信號，所以這類設備具有其自身的困難。同樣，當細波導連接到較大結構時，具 有強的表面反射，且相對較少的能量能進入結構。另外，連接到結構表面的細桿波導有效地 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，例如結構的底表面， 有很少能量返回到接收波導。舊4_5，962，790(例如，見參考文獻1、2、3及4)公開了一種系統，該系統使用細 線來使頻散最小化，并通過采用一束細線來克服單根細線的某些問題。每根線在適當低的頻率-直徑積下操作，相當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，成束的線的生產相對較貴，且當其直徑增大時變得非常不易彎曲，從而限制了其 被配置的幾何結構。而且，各個線之間的串擾可能使信號分析變得復雜，且將每個單獨的 線連接到測試結構，或用不引入頻散問題的板端接束，存在實踐難度。就模式激勵(mode excitation)而目， 膨脹模式(extensional mode)或扭轉模式(torsional mode)可以在單 根線中激勵。扭轉模式通常由與線側面接觸的換能器激勵，或通過環形電磁線圈激勵。此 種技術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模式是實際的。US-A-6, 400, 648 (參考文獻 5)公開了線圈箔波導(coiled foil waveguide)作為 桿束的替換物。箔的厚度設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 于信號傳播方向將很長。但是，當線圈的直徑增加時，由于層之間可能發生摩擦，所以波導 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波。US-A-5, 828，274 (參考文獻6)公開了具有外層衰減覆層的錐形超聲波導。覆層通 過衰減并限制表面反射消除波導邊界效應。這具有消除幾乎所有尾回波的效應，但是不能 整體消除頻散效應，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的 長度，其也是更加不可彎曲的。將非均勻螺紋桿作為波導使用是前述建議的改進(見參考 文獻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，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，以進入測試 流體。波導被設計成使通過導管傳遞的能量最大化。這種設備在厚度測量或缺陷監測領域 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境中操作且能夠解決上述問題的超聲無損檢測實 用設備的技術問題。

發明內容
根據本發明，提供了一種用于測試物的超聲無損檢測的設備，所述設備包括超聲傳遞材料細長帶，所述細長帶具有用于連接到所述測試物的近端和一遠端； 以及超聲換能器，其連接到所述細長帶；其中所述細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長帶傳播到所述 近端，并進入所述測試物。本發明考慮，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。本發明還考慮，有需要為柔性的超聲傳遞組件，使得設備可配置 在不靈活的幾何結構中。因此，通過沿具有寬度和厚度寬高比大于一的細長帶傳遞超聲信 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超聲換能器所 處的惡劣環境中以及需要傳遞組件柔性地包圍其間物體的構型中進行。細長帶由具有剪切速度Cs和剪切波長λΒ的材料形成，其中XB = CS/F，且F是對
4應λΒ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λ 延伸到λ *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。所述細長帶以相似的方式由具有桿速度(bar vel0City)Cff和桿波長(bar wavelength) λ桿的材料形成，其中λ桿=C桿/F，且F是對應λ桿的頻率，而所述基本上非 頻散的超聲信號由不同頻率且具有從λ s延伸到λ *的桿波長的組分形成。壓縮波可能更 適合于相當多的場合。同時，細長帶的尺寸可進行相當大地改變，在優選實施方式中，細長帶的厚度將小 于2.5倍λ fi。在特別優選的實施方式中，細長帶的厚度將小于λ短。這種尺寸限制有助 于避免不需要的較高階模式的激勵。在優選實施方式中，所述寬度大于3.5λ *。在更優選的實施方式中，所述寬度大 于5λ長。這種尺寸有助于使得超聲波傳播是基本上非頻散的、在波導邊緣具有低幅度、且 模式形態近似不變。同時，可在優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 是有利的應用中是有益的。同時，合適類型的多模式連續激勵是可能的，在優選實施方式中，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波，以導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用中是有利的，因為單獨接收的信號可 更容易被確認為來自測試物中的單獨特征，而不是不同模式的結果。相對于測試物中要求的傳播距離，在優選實施方式中，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 離的平方根的倒數成比例，而球形傳播波的幅值與源頭距離的倒數成比例。因此，前面的傳 播損失較少的能量。同時換能器可連接到細長帶的不同位置，在優選實施方式中，所述超聲換能器可 有利地連接到所述遠端。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端(i)(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。超聲換能器和波導的遠端之間的這種連接促進了兩者之間的有效能量傳遞。結合 包括焊接(welding)和銅焊(brazing)以及其它結合技術。換能器與細長帶的連接可以許多不同方式實現。在一種優選實施方式中，所述超 聲換能器包括連接到所述細長帶的至少一個縱向側面的換能器。在另一優選實施方式中， 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中激勵超聲 信號的可替代的有效方法。
在本發明的一種實施方式中，所述細長帶圍繞基本上平行于所述細長帶的所述寬 度并基本上垂直于所述傳播方向的軸彎曲。這允許在有限的現實生活場景中超聲信號的特 別簡單的路線。在本發明的一種實施方式中，所述細長帶圍繞基本上平行于傳播方向的軸彎曲。超聲信號的接收可以按各種不同的方式提供。在一種優選實施方式中，所述設備 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 個其它細長帶，每個細長帶在相應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。在另一優選實施方式中，所述細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聯合使用，在優選實施方式中，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 測量給出關于測試物結構的信息。本發明考慮，盡管所述細長帶到所述測試物的連接可以多種不同的方式實現，但 是所述設備的執行是重要的，且在優選實施方式中，所述近端由以下方式之一固定到所述 測試物⑴焊接；(ii)銅焊；(iii)軟焊(soldering)；以及(iv)壓焊(bonding)。 在另一種優選實施方式中，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連接。而且，改進的連接在其中夾具 以可調節的力將所述細長帶夾持到所述測試物的實施方式中實現。在優選實施方式中，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。夾具的另一優選形式是一種環繞 測試物，例如環繞管的夾具。在一種優選實施方式中，所述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入所述測試物。本技術在所述超聲無損檢測是厚度測量和裂紋監測時特別有用。本技術特別適合于為如下情況的所述測試物⑴處于大于200°C的溫度；以及(ii)受至Ij上述電離_畐射的背景水平(above background levels of ionising radiation)。從第二方面來看，本發明提供了一種超聲無損檢測測試物的方法，所述方法包 括將細長帶的近端連接到測試物；激勵在所述細長帶內基本上非頻散的超聲信號，以沿所述細長帶傳播，并進入所 述測試物。本發明所提供的實施方式中，細長帶可由具有剪切速度Cs和剪切波長λΒ的材料 形成，其中XB = CS/F，且F是對應λΒ的頻率，而基本上非頻散的超聲脈沖由不同頻率且具有從λ 延伸到λ *的剪切波長的組分形成。在一種實施方式中，細長帶的橫向截面厚度小于2. 5 λ短。在另一種實施方式中， 細長帶的橫向截面厚度小于λ fi。在一種實施方式中，細長帶橫向截面寬度大于3. 5λ *。在另一種實施方式中，細 長帶橫向截面寬度大于5 λ *。在一種實施方式中，基本上非頻散的超聲信號包括垂直于傳播方向并平行于細長 帶的寬度偏振的最低階剪切模式振動。在一種實施方式中，細長帶由具有桿速度Cff*桿波長λ ff的材料形成，其中λ ff =Cff/F，且F是對應λ #的頻率，而基本上非頻散的超聲信號由不同頻率且具有從λ ^延 伸到λ *的桿波長的組分形成。在一種實施方式中，厚度小于2. 5 λ短。在另一種實施方式中，厚度小于λ短。在一種實施方式中，寬度大于3. 5 λ ρ在另一種實施方式中，寬度大于5 λ長。在一種實施方式中，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。在一種實施方式中，基本上僅單一模式的傳播導波在所述細長波導中被激勵。在一種實施方式中，超聲無損檢測是厚度測量。在另一種實施方式中，超聲無損檢 測是裂紋監測。在一種實施方式中，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。現將僅通過舉例、參照附圖描述本發明的實施方式，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傳感器的厚度測量；圖4示意性顯示了使用波導傳感器的時差衍射(time of flight diffraction)；圖5示意性顯示了根據本發明技術形成傳感器部分的細長帶的某些示例性尺寸；圖6顯示了使用長度300mm的IX 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lX30mm細長鋼帶內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(IX 15mm)以及在2MHz時SH* (X，Y，Z)位移模式形狀；圖9示意性顯示了 SH*的Y位移模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，當在截面分別為lX30mm和 IX 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)的波導的信號；以及圖13和圖14示意性顯示了用于將波導連接到測試物的夾持構型。本技術使用細帶波導(細長帶)。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。在1.4MHz-mm下僅有三種模式可傳播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(0，1)、F(1，1)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SHO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，SHO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 常使其在檢測應用中更靈敏。因此，本技術的優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用中)。帶波導的使用與單根線、前面提到的成束和線圈解決方案相比具有以下優勢 因為截面面積遠大于單根線，因此更容易獲得強信號；而且，在波導和結構之間 的界面反射較小，所以更多的能量進入測試結構。·當波從帶進入測試結構時，它趨向于柱狀地分散。這意味著由于波束分散，結構 中的波幅以與1/1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 的線系統的衰變速率與Ι/r成比例相匹敵。 柱狀波束分散模式非常適合于根據時差衍射(TOFD)來進行簡單的厚度測量和 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剪切波或縱波；如果更方便的 話，還可以通過將適當的換能器連接到帶的側面來激發任一類型的波。 可以將波導焊接、軟焊、銅焊或壓焊到結構。也可以在低溫下簡單地使用粘性超 聲凝膠耦合劑和/或將波導緊緊地夾持(例如通過焊接在螺栓上給定可調節的夾持力)到 在高溫和低溫下工作的結構上。因為波導較細，所以它更容易確保波導的整個底表面連接 到結構，從而改善信號傳遞。因為將波導夾持到結構消除了由永久性連接技術不可避免地 引入的不想要的幾何畸變缺陷，所以其是有利的。通過夾持可實現充分的信號傳遞。 帶波導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入結構。圖5顯示了本發明的示例性實施方式。圖6顯示了在圖3厚度測量應用中接收的 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。帶的厚度通常應選擇成使得厚度和所激發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較高階模。如果使用縱波， 為了使頻散最小，也經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10)。帶寬也是重要的參數。當細長帶由具有剪切速度Cs和剪切波長λΒ的材料形成時，其中Xb = Cs/F， 且F是對應λ B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Xstot延伸到 λ long的剪切波長的組分形成。最好是，但不是必須，厚度小于2. 5 λ short,且特別優選為小于 入shOTt。相似地，優選寬度大于3. 5 λ long,且特別優選為大于5 λ lmg。以相似的方式，優選的相同范圍應用到當所述細長帶由具有桿速度Cbm和桿波長 λ bar的材料形成時，其中λ bar = Cbar/F,且F是對應λ bar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Xstot延伸到XlmgW桿波長的組分形成。
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圖2中的頻散曲線模擬波在無限寬的板中的傳播。具有非常大寬_厚比的結構將 通過此無限寬假設進行極其精確地模擬。但是，側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，以便實現在截面所 有周界附近零應力的邊界條件。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，任意截面結構中波 傳播的頻散曲線的連續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12)、Mukdadi等人(見參考文獻13)、以及Hayashi等人(見參考文獻14)已經 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Imm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確認為帶的第一水平剪切模 式SH*。與無限板情形對比，傳播的SHO模式在有限帶中不存在。這是由于在帶側面上零應 力邊界條件的原因，其可僅由剛體運動或SH*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，SH*模式的截止頻率變得越低。因為SH*模 式與材料中的整體剪切速率(bulk shear velocity)漸進，所以它在較高頻率時變得基本 上非頻散。在本發明中，壓縮或剪切特性的基本上純非頻散的帶模式用來沿波導或“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，其可被誤認為在詢 問結構中的缺陷或特征，且模式的非頻散性有助于在窄時窗(narrow time window)中集中 波能量，這增加信號在波導中的傳播范圍，并且還確定可用其監測結構的空間分辨率(見 參考文獻15)。基于SH*模式的示例將在這里詳細描述，而且使用相似模式的壓縮特性也是 可能的。圖8顯示了 15mm寬帶的截面和SH*模式在2MHz下的模式形狀。可以看到，平行 于帶寬度方向的位移y控制SH*模式的模式形狀。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SH*模式 的主導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。借助于模擬模式的模式形狀的變跡換能器(apodized transducer)，可實現純模 式形狀的激發。也可以使用線圈換能器。換能器可以放置在帶的端部或側面。因為短的時間 脈沖是寬帶信號，所以模式的模式形狀不應在激勵脈沖的頻率帶寬范圍內顯著地改變。在 較高頻率(2MHz的中心頻率附近)，這是用于較寬帶的SH*模式的情況。因此，具有兩個標 準來管理帶寬高比的容許范圍。第一，在感興趣的頻率帶寬內，模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存在相對恒定的模式形狀(標準 化振幅的差異小于10%)。對于SH*模式，目前的任務是找到滿足兩種標準的寬高比限度。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模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)，帶的寬度可調節至 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則。圖10顯示了 Imm厚和30mm寬的帶以及Imm厚和15mm寬的帶的SH*模式相速度頻散曲線。 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SH*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(點2)。在截 止處，模式在帶的邊緣呈現大量位移。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IMHz到5MHz變化。但是，在缺陷和厚度監測中，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IMHz的中心頻率脈沖，波導必須在0. 5-1. 5MHz范圍內呈現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1ΜΗζ-3ΜΗζ范圍內延伸。如圖10中所看到的， Imm厚和15mm寬的帶變得不適于發送IMHz的脈沖。SH*模式的相速度還沒有漸進到整體 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，相同的帶適合于發送2MHz中心頻 率的信號。在2MHz信號(1-3MHZ)帶寬內，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*模式的形式)，頻率-寬度必須大于15MHz mm。以 寬度和波導材料的整體剪切波長比來表示，寬度必須比在信號內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模式，可進行與上述相同的程序。在結構中遇到高剪切波衰減的情 況下或者當在結構中使用壓縮波有利時，它們的使用可能是有利的。連接越過“聲纜”(波導)的“接合”將能量朝被監測的結構傳遞也是重要的。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 16)。其他工作者給出了具有不同幾何結構和源偏振現象的相似問題的解決方法。Miller 和Pursey (見參考文獻17)考慮了法向地、切向地及扭轉地沿長帶和圓盤無限加載。 Achenbach(見參考文獻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 進入較大結構的波導中SH*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構中。在所有其它加載條件下發生的表面波的激勵在反平 面剪切加載中不會發生。這是缺陷監測或厚度測量所需要的，因為它通過消除模式轉化產 生相對不復雜的信號。而且，Miller和Pursey描述的輻射模式對于其它源更復雜，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，轉化成表面波的能量越少。將波導連接到結構的方法是重要的。像焊接、銅焊或軟焊以及在較大法向力下干 接觸夾持的這些方法是可以的。通過焊接或軟焊的連接經常改變波導進入結構的幾何結 構。填充金屬的角、殘渣及閃光可能沿波導與結構接觸的邊緣產生。去除角或殘渣是困難 的，因為它們非常靠近結構和波導。細波導和結構之間厚度的巨大差異也使得難于將帶焊 接或軟焊到結構上，而不破壞它。通過連接技術引入的幾何結構的變化幾乎總是波導厚度 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護板的波導的信號。入口反射(entry reflection)和底面回波是可確認的；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。這可能會掩蓋結構特征的較弱信號。最初認為，將波導焊接、 銅焊、軟焊或壓焊到結構是連接波導的最好的解決方法。的確，它也是將大量信號傳遞到結 構中的解決方法，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)(在一個換能器上發送，在另一個換能器上接收)工作。信號經由一個波導射 入到結構中，并被放置在發送波導旁邊的波導接收。在發送帶的“脈沖回波”模式中的信號 幾乎不改變夾持的或自由的波導。這是因為波導和子結構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 結構的低幅度信號。這個問題通過在投捕模式中工作并使用另一個波導作為已經傳遞到結 構中的信號的拾波器來克服。結果見圖6。投捕構型的優點是，僅接收已經傳遞到結構中的 能量，且因此減少在波導和結構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顯示了板狀結構和管的可能的夾持構型的略圖。在板狀結構的情況 下，特征是，連接到使被夾持的波導能夠被推到結構表面上的結構上。如果可能的話，可將 螺栓焊接到基板上，而波導夾具可被擰到這些螺栓上。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，被夾持的波導通過兩個管夾具連接到管。具有僅接觸到 波導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，靠近波導端部的夾具 避免細波導被推到表面上時彎曲。參考文獻1. 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權利要求
一種超聲無損檢測測試物的方法，所述方法包括將細長帶的近端連接到測試物；激勵在所述細長帶內的基本上非頻散的超聲信號，以沿所述細長帶傳播，并進入所述測試物。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述細長帶由具有剪切速度Cs和剪切波長λΒ的材 料形成，其中XB = CS/F，且F是對應頻率，而所述基本上非頻散的超聲脈沖由不同頻 率且具有從λ 延伸到λ *的剪切波長的組分形成。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述細長帶的橫向截面厚度小于2.5λ fi。
4.如權利要求2所述的方法，其中所述細長帶的橫向截面厚度小于λδ。
5.如權利要求2至4中任一項所述的方法，其中所述細長帶橫向截面寬度大于3.5 λ 長°
6.如權利要求2至4中任一項所述的方法，其中所述細長帶橫向截面寬度大于5λ長0
7.如權利要求2至4中任一項所述的方法，其中所述細長帶橫向截面厚度小于λ*。
8.如權利要求1至6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長帶的寬度偏振的最低階剪切模式振動。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述細長帶由具有桿速度Cff*桿波長λ#的材料形 成，其中λ ff=Cff/F，且F是對應λ ff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λ s延伸到λ *的桿波長的組分形成。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述厚度小于2.5 λ短。
11.如權利要求9所述的方法，其中所述厚度小于λ短。
12.如權利要求9至11中任一項所述的方法，其中所述寬度大于3.5 λ *。
13.如權利要求9至11中任一項所述的方法，其中所述寬度大于5λ長。
14.如權利要求9至11中任一項所述的方法，其中所述厚度小于λ長。
15.如權利要求9至14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。
16.如權利要求1至15中任一項所述的方法，其中基本上僅單一模式的傳播導波在所 述細長波導中被激勵。
17.如權利要求1至16中任一項所述的方法，其中所述超聲無損檢測是厚度測量。
18.如權利要求1至17中任一項所述的方法，其中所述超聲無損檢測是裂紋監測。
19.如權利要求1至17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( )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長帶。細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長帶傳播到近端，并進入測試物。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。細長帶有助于將換能器和與測試物有關的潛在惡劣環境分離開。細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G10K11/24GK101976562SQ20101051991
公開日2011年2月16日 申請日期2006年9月14日 優先權日2005年11月4日
發明者弗雷德里克·伯特·瑟格拉, 彼得·考利 申請人:帝國創新有限公司