0 序言 有个朋友在一两个月前发消息，让我写篇短文，解释一下“导波”。 所以拖到今天，原因是，我对声发射和导波这些非常规的超声，或说，这些新东西，缺少实用经验，不敢，也不愿多谈。近来，浏览了一下杂志和网络文章，发现它们多是讲具体应用的，多是讲导波在管道等领域在用(健康)普查中优点的;似乎缺少关于超声导波一些原理性的东西。于是，决定自己写点浅见，算是学习笔记吧。如有不当，请指正。 1导波概论 简单地说，导波是被限制在波导体(或波导)内传播的波。 这样的叙述，似乎是有点文字游戏，但我认为这是一种较准确的叙述。什么是波导体(或波导)呢？能够引导着波按设定方向传播(或衰减小，能量集中，或速度快，或二者兼而有之)的结构，叫波导体(或波导)。 波分电磁波和机械波(又称弹性波，声波)。因此，“导波”，从实用角度分为电磁导波和超声导波，而且前者使用的广泛性，远远超过了后者。 1.1 电磁导波 并不是所有电磁波，都可以成为电磁导波的，如可见光，x或r射线，波导体约束不了它们，它们不可能是电磁导波。能够成为电磁导波的，是无线电波，特别是，经常用于电视、雷达的是无线电波中频率高(波长短)的微波，它的频率范围是3×108Hz(波长1m)——3×1011Hz(波长1mm)。 电磁导波的定义是:在传输线中所传输的电磁波。 传输线，一种电磁波的波导体，起着引导能量和传输信息的作用。 1.2 超声导波 由于笔者至今没有从标准上查到超声导波的定义，只能笼统地做如下叙述: 超声导波是基本上被限制在钢质薄板或薄壁管或小直径杆件中传播的特殊波。这种波型的特征是: 在整个厚度内，所有质点振动引起的结果(又可称为“共振结果”)，使波的传播方向与界面平行。 兰姆波(Lamb波)，是导波最常见和常用的波型。关于兰姆波型，请读者见特压教材《超声检测》(2008版)第13页图2—11。由图可见:图中不论是对称型(S型)，还是非对称型(A型)，它们共同的特性，是整个板厚上质点的共振结果，使波的传播方向，与界面平行。 人们习惯上把在薄板中传播的导波，称为板波。 1.3 附:标准对板波的定义 GB/T12604.1《无损检测 术语 超声检测》，没有导波的定义，其第3.5条有如下术语和定义，可作为参考: 板波 兰姆波 在薄板整个厚度内传播的波型，仅能在入射角、频率和板厚为特定值时方可产生。 这个定义，与ASME V的定义相同。笔者在后面短文中，会讨论导波的产生，并认为，用倾斜入射方法产生导波，是落后的。 相对于导波而言，我们经常说的纵波和横波，又可称为“体波”。体波是：可以在三维尺寸远大于波长的介质(教材称无限大介质) 中传播的波。讨论超声导波的特性，主要是讨论它与体波和表面波的不同，这对进一步理解导波，很重要。 2.1 导波的传播方向，在整个厚度范围内，与界面平行 2.1.1 体波的传播方向 不论是超声纵波，还是横波，不论是直射，还是斜射，它们的传播方向总是垂直或倾斜指向下或上界面的(下或上界面，又可称为工件底面或扫查面)。纵波或横波在两个界面之间的传播，方向是射向界面或在界面之间的多次反射。我们习惯上用箭头代表纵波或横波轴线的传播方向。 2.1.2导波的传播方向 导波的波传播方向，则不是指向界面的，在整个厚度范围内，各质点振动的结果，引起的波传播方向，是与界面平行的。 笔者注:质点的振动方向和波的传播方向，不可混淆。详细区分图，请看特压教材(2008版)第158--159页图5--40和5--42。 2.1.3 导波与表面波的不同 表面波，虽然是沿工件表面(界面)传播(勉强地说，也可认为是平行于界面的)，但它却不是“整个厚度范围内，质点共同振动”的结果。它的声压、声强随距离表面深度增加，而急剧减小;而导波的声压、声强在横截面上，却可以认为近似相等。 2.2 导波的频散特性与导波的多模态 2.2.1 导波的频散特性 2.2.1.1体波的相速度和群速度 任何一个脉冲波，都可以认为:它是由许多不同频率成分的简谐波的叠加而成的(承担这种分解功能的运算方法叫傅立叶运算，仪器叫频谱分析仪)。某一频率简谐波的声速，称为相速度;脉冲波的速度，称为群速度。 通常，在三维尺寸较大的介质中，体波(即纵波和横波)和表面波，这些波的相速度等于群速度(因此，简称波速)，波速仅决定于波型(纵波、横波、表面波)和介质的力学性能，而与波的频率无关。 2.2.1.2 导波的频散曲线。 由于波在薄板或管壁中，复杂的干涉迭加作用，导波的相波速和群速度，均与其频率有关，且二者并不相等。波速与频率有关的特性，称为频散特性。导波相速度(或群速度)与频率关系曲线，称为频散曲线。 笔者注:对于板波，特压《超声检测》教材(2008版)第23—24页图2—26和2—27，给出了相速度(或群速度)与频厚积(频率f与工件厚度d的乘积)的关系曲线。当板厚度d一定时(扣除板厚因素)，教材上的曲线，也可理解为频散曲线。 2.2.2导波的多模态 导波的波型应该分多少种，目前并没有定论。 较多资料认为:在板中传播的波型，有SH波，SV波，兰姆波，漏兰姆波等几种，常用的波是兰姆波(波型特征:质点振动方向有纵向，也有垂直于界面的横向)。板中的兰姆波，它又分对称型(S)和非对称型(A)，而S和A型当中因混叠进纵向振动和横向振动成分所占比例不同，有若干条不同频散曲线。我们把导波某种波型的若干条不同频散曲线，称为某种波型的若干不同模态。 导波在管或圆柱体中的波型，又分纵向轴对称型----L型、扭转轴对称型---T型和非轴对称弯曲型---F型等几种。它们对应不同的频散曲线，又分若干不同模态。 〔笔者注:制作频散曲线，求解频散方程，是大学或研究院试验室的事情，对于具体工件，也有商业化软件代为运作。作为UT人员，知道有频散曲线这么回事，就行了。如利用导波仪器检测，则会有更详尽的频散曲线资料和说明指导资料，供参考。〕 2.3 超声导波的衰减小----可检测距离大 在前面，我们讨论过波导体，并认为，超声导波是基本上被限制在钢质薄板或薄壁管中传播的特殊波。我认为，钢质薄板或薄壁管，作为波导体，首先具有衰减小、可检测距离长的优点。 2.3.1 导波沿平行界面方向上传播的衰减很小，类似同频率纵波沿厚度方向上的衰减 与在管壁内多次反射的纵波或横波相比(每次反射都可能伴随折射产生----有透射损耗)，导波平行界面传播，其沿管道轴线方向上的衰减系数α，还是要小得多。我总的认为，导波沿平行界面方向上传播的衰减，如沿管子轴向的衰减，大致和相同频率的纵波，沿工件厚度方向传播的衰减，差不多。资料〔1〕认为:当导波频率为1.5MHz时，可以发现距(单发收)导波探头1m处，厚度为5—6mm低合金高强度钢板上的ф6X1.25mm平底孔。 笔者注:我不知，频率为1.5MHz的纵波，单发收可检测多厚锻件？但超声纵波检测碳钢和低合金钢细晶锻件(单发收探头，2--5MHz)，标准JB/T4730.3第4.5.5.2b)有如下规定: 锻件厚度超过400mm时，应从相对两端进行100%的扫查。 我由此做出了“大致和相同频率的纵波，沿工件厚度方向传播的衰减，差不多”的推断，不一定准确。 2.3.2 影响可检测距离的因素 2.3.2.1 频率 笔者根据现有杂志资料，将导波按频率高低，分为下列三种，并列出了薄钢件大体单发收可检测距离: 高频导波(f≥1MHz)，大体可检测距离≤1m; 中频导波(250KHz‹f‹1MHz) ，大体可检测距离≤5m; 低频导波(f≤250KHz) ，大体可检测距离5m---177m。 2.3.2.2薄钢件的两面介质 1)对于管道内无介质，管道外无防腐保温层的裸管道，可检测距离最长。资料〔2〕的试验结论为:对ф108X6mm低合金钢管，使用频率f=64KHz的导波，可检测距离为119.6m。 2)对于管道内有气体或液体，外有防腐保温层、且被埋地占压的管道，可检测距离则最小。资料〔3〕认为:对ф529mm埋地占压低合金管道，低频导波的可检测距离为10—15m。 至于哪种工况状态下，哪种模态导波的频率、速度、衰减系数α，以及最佳检测距离，要由试验确定。 参考资料: 〔1〕刘伟成等.海洋石油静电脱水压力容器的超声导波检测〔J〕.无损检测，2012，34(2):31—34. 〔2〕李宏富等.基于磁致伸缩技术的超声导波波速及最大检测长度试验〔J〕.无损检测，2010，32(9):700—703. 〔3〕王遂平等.超声导波检测技术在埋地占压管道检测与风险分析中的应用〔J〕. 无损检测，2012，34(3):35—37. 超声导波的产生方法有两种，一种是倾斜入射法，一种是平行入射法。本文讨论前一种方法。 3.1纵波倾斜入射法理论概要 一般纵波或横波，以及表面波的探头，晶片的振动方向，是垂直或倾斜指向工件表面的，这是科学的（因为符合折射定律），也是容易理解的。 GB/T12604.1《无损检测 术语 超声检测》关于板波的定义，也提到了“入射角”，似乎导波的产生，是倾斜入射法; 特压超声教材(2008版)第159--161页，也是讲的倾斜入射法，产生导波的。然而，对于倾斜入射产生导波的原理，笔者认为，尚有许多问题，尚待讨论。对导波检测技术，我总的感觉是:应用容易，理解难。所谓“应用容易”，是指:实际使用时，通常是根据随设备提供的某钢种、某一壁厚，查得入射角，选用设定探头，从而在工件中产生导波，按说明书进行检测，就行了。所谓“理解难”，是指:至今，很少有资料(也许有，但笔者未见)，讲清了选择导波探头入射角的理论，或者说，很少有资料讲清倾斜入射，是怎么产生的导波？ 下面的叙述，是笔者揣测性的理解，算一知半解吧，希望对感兴味的朋友能起点参考作用，希望沟通交流，更希望相关专家指正。 3.1.1 利用频散曲线，确定导波频率f和群速度Cg 截止目前为止，几乎我们利用的超声波，都是脉冲波，脉冲导波强调群速度。 如前所述，某钢种和某一壁厚下的频率与群速度关系曲线，叫群速度的频散曲线(纵坐标是群速度，横坐标是频率，对薄钢件而言，最大群速度为纵波速度)，而且，频率与群速度有多条频散曲线，即多模态。 笔者认为，在多模态群速度的频散曲线图上，一定能找到某频率范围(Δf)，对应某条频散曲线的是平行于横坐标的一段，或接近平行的一段(即在Δf频率变化范围，群速度Cg基本无频散，基本不随频率变化)，且这个基本无频散的群速度Cg，较之Δf频率范围其它群速度要大得多。设Δf中心频率为f，f即为选定的导波频率，而f对应的无频散群速度Cg，就是选定的导波群速度。 由于对应f，Cg较其它模态速度大，所以，示波屏最先出现的回波肯定是速度为Cg的回波。此回波之后的回波，可视为杂波，不予理睬。这是超声导波检测的基本原理。 从理论上，我们希望上述Δf频率变化范围越小越好，以便方便确定导波频率f和群速度Cg。但导波Δf频率变化范围等同于入射纵波有效频率范围。所以，入射的纵波脉冲，应该是宽脉冲、窄频带(Δf小);而不是窄脉冲、宽频带(Δf大)，即特压《超声检测》教材(2008版)第161页讲的:应避免“当脉冲宽度很窄时，也就是说它包含的频谱较宽时”。 3.1.2 根据Cg，计算纵波入射角 使用下列公式计算纵波入射角: SinαL=CL/Cg (1) 式中:αL----纵波入射角; CL----楔块中的入射纵波速度; Cg----由频散曲线确定的薄件中导波群速度，是个对应频率和工件厚度的特定值。 笔者注:公式(1)所以成立，系似乎认为导波也遵守折射定律(请注意，这只是一种认为，折射定律根本不涉及导波)，导波的折射角β=900， CL/sinαL= Cg/sin900= Cg (2) 3.2讨论: 对薄钢件，超声波倾斜入射的折射定律在什么情况下失效？ 超声波倾斜入射的折射定律，有三点重要结论: 1)当纵波入射角αL‹αⅠ(第一临界角)时，工件(第二介质)中，既有纵波，又有横波; 2)当纵波入射角αL在αⅠ和αⅡ(第一临界角)之间时，工件中，主要是横波; 3) 当纵波入射角αL>αⅡ(第一临界角)时，主要是在工件表面传播的表面波。 以上三点结论，并未涉及到导波。对薄钢件，为什么超声波倾斜入射的折射定律失效了？折射定律在什么情况下失效---产生导波呢？ 3.2.1 主流观点---折射波多次反射后，折射定律失效 目前，主流观点是:折射入薄板内的纵波、横波，将会在两个平行的边界之间产生多次的反射，这些波由于发生了复杂的干涉迭加，从而沿平行板面的方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播，折射定律失效。这样的一个系统称为平板超声波导。除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导。 笔者不赞同这一观点，因为按照这一观点，会得出两种结论: 第一，只要是薄钢件均会产生导波。 这一结论，无法解释JB/T4730.3第4.5章涉及薄壁管倾斜入射检测问题，见下文“4 回答两个帖子”。 第二，薄板中前一部分是纵波、横波的多次反射，它的后一部分是导波。 我认为，这种结论，是不可思议的。我推测:在薄钢件中，导波不可能与体波(纵波，横波)共存。 笔者注:至于什么是“薄钢件”或“板厚与波长相当的薄板”，也将在下文“4 回答两个帖子”讨论 3.2.2 我的观点---频率、入射角和工件厚度为特定值时，折射定律失效 GB/T12604.1《无损检测 术语 超声检测》，其第3.5条有如下术语和定义: 板波 兰姆波 在薄板整个厚度内传播的波型，仅能在入射角、频率和板厚为特定值时方可产生。 我同意标准关于特定值的说法，并认为:导波在薄钢件中的产生，也是“偶然”或“巧合”的，不是必然的，即仅能在入射角、频率和板厚为特定值时方可产生，在这种情况下，折射定律才失效;除此之外的大多数情况，折射定律还是有效的。我并不否认，导波的产生是折射波(横波，或横波与纵波)在壁厚之间产生了复杂的干涉和迭加，但在特定条件下，倾斜入射产生导波，是折射波进入薄钢件时，立即出现的，至多是在一个导波波长范围内出现的，并没有折射波的所谓多次反射。我坚持这一观点。 3.3 附注 在研究导波产生的资料中，鲜见导波不同模态与其幅度的关系曲线，笔者总感到缺了一个重要内容。
