实验室固体纵波幅值温变特性研究

房灵猛 张亚萍 刘金柱 李文政

(中国石油大学(华东)理学院，山东 青岛 266580)

现代工业中很多设备都需要在高温高压环境下长时间运行，所用材料性质可能会发生变化，甚至会劣化变形，给生产带来不必要的损失[1]。因此，不同温度下对材料结构的安全性检测尤为重要[2]，利用超声幅值的衰减特性对不同温度下的材料进行安全性检测具有重要意义。

超声纵波幅值变化在无损检测中能反映出固体材料内部气孔、裂纹、缩孔和掺杂等具体信息[3-5]，但影响超声幅值测量的因素很多，如扩散衰减、探头性质、耦合剂的种类和用量及探头两端的压力等，且当温度变化时，情况会更复杂，测量误差将更大[6]。由于温度对探头也有一定影响[7]，所以研究幅值的温变特性必须要求变化的温度不会作用在探头上。目前大部分研究仅局限于固定温度下测量精度的提高和方法的改进[8]，而在普通实验室中声学换能器的温度应如何控制相对稳定，还未见相关文献研究。本文设计了一套以温度为唯一变量的实验测量装置，能够较为精确地测量在不同温度下的超声纵波幅值，从而进一步研究合金材料超声纵波幅值随温度变化的实验规律。

1 实验原理

1.1 幅值温变原理

当温度变化时，超声纵波幅值衰减情况较为复杂，其衰减系数α为[9]

(1)

超声衰減系数随声速的增大而減小，主要是因为超声波在介质中的衰减受到来自介质的散射和吸收；随着声速的增大，超声波在物体中被散射的几率会降低，衰减系数就会减小。纵波声速与温度成线性关系[10]，随着温度升高，纵波声速下降，衰减系数增大，纵波幅值的衰减幅度就会增大，而由温度变化所带来的其他因素的变化对纵波幅值的影响就需在实验中测量。已有文献指出[11]，当钢的温度低于500℃时，纵波声速随温度升高的减少率平均约为0.8m·(s-1·℃-1)。

1.2 温度对探头性能的影响

普通实验室用于纵波声速测量的压电换能器的核心是压电陶瓷片，它具有可逆的压电效应。随着温度升高，压电换能器的压电效应减弱，探头发射和接收超声波的能力降低,检测幅值减小，对无损检测非常不利，将给材料内部缺陷的准确定位和定量测量造成困难[12]。实验室处理该问题的一般做法是使用高温探头代替普通探头进行实验，或者让探头间歇性地工作。目前国外研制的高温探头主要有带延迟块的高温探头、原子反应堆高温探头、高温自动探伤探头和电磁式探头等[13]，但是各类高温探头除了价格比较昂贵外还存在着各自固有的缺点：带延迟块的探头会出现延迟块老化导致性能下降的情况，且受周围环境因素影响较大；原子反应堆高温探头、高温自动探伤探头在工作时将持续保持在高温状态，为了保证探头不被损坏，只能采用间歇性工作的方式，不能持续性地检测；电磁式探头能实现非接触性的无损检测，但也有灵敏度和转换效率低的缺点。

1.3 热电偶测温原理

热电偶是把两种不同成分的金属或合金两端焊接起来构成的一个闭合回路，当两接点分别处于不同的温度时，回路中就会产生温差电动势。当温差ΔT不大的情况下，温差电动势ET与两接点温差ΔT之间呈线性关系[14]

ET=K·T

(2)

式中K为温差系数，实验中可通过定标确定其数值大小。

为了研究材料中温度对幅值的影响，实际温度测量时需要一个保温装置和灵敏度高的测温计，来准确测出材料的实际温度。热电偶测温具有准确度高、灵敏度高、输出线性好等优点，本文采用热电偶来测量加热过程的温度值。

2 实验装置设计

2.1 实验装置

研究固体中纵波衰减实验装置如图1所示，可分为3部分:

图1 纵波幅值温变特性测量实验装置1-杜瓦瓶； 2-数字电压显示器； 3-示波器； 4-热源； 5-薄铁块； 6-隔热层； 7-超声探头； 8-样品； 9-信号发生器； 10-数字电压显示器； 11-杜瓦瓶

(1) 样品保温加热区(对应图中4,5,6,8)：当样品温度与环境温度相差较大时，散热较快,升温较慢，不利于温度的准确测量。测量时，在样品加热区设置一个保温装置，即在待测样品除上表面外都设置导热系数极小的保温层，电加热器自上而下分别对长度为1cm，2cm，3cm的样品加热。实验过程中，电加热器可通过样品上表面中心的薄铁块将热量传入样品，同时样品其他3个表面的隔热层可防止样品热量过快散失，达到迅速升高温度的目的。

图2 探头两端压力保持恒定装置示意图

(2) 幅值稳定测量区(对应图中3,6,7,8,9)：待测样品左右两侧放置的是纵波换能器探头，一个为发射端，另一个为接收端。在探头和样品之间加入一层厚度为0.5cm的隔热层，在换能器与隔热层接触面、隔热层与样品接触面之间都涂抹具有传声性和耐温性较好的高温耦合剂，并使用固定装置使固体材料与发射器和接收器的端面紧密接触并且正对，再通过示波器观察波形记录幅值大小变化。

(3) 温度灵敏测量区(对应图中1,2,10,11)：两个热电偶分别监测样品和探头的温度，实验时将热电偶的冷端浸入盛有冰水混合物的杜瓦瓶中，把热端分别安放在样品和探头上，考虑到样品上下表面间的温度分布特性，测量样品温度的热电偶热端安放在待测样品中间。这样就可以通过数字电压显示器来获得温差电动势的数值，进而获取固体样品的准确温度值。

2.2 实验装置中的关键性环节

(1) 保持探头温度相对恒定

为避免温度对探头性能的影响，实验过程中将探头和高温样品用隔热层隔开，在探头和样品间加入了耐热性能和传声性能好、且在温度变化时保持超声衰减恒定的隔热材料；同时在热源和底座附近也使用了该种隔热层，确保超声探头能在恒温的条件下持续工作。隔热层还能起到让样品表面的温度不容易散失的作用，这样用热电偶所测得的样品表面温度就能更接近于样品内部温度。隔热层老化后可以方便地进行拆换，不需要频繁去更换探头。采用这套装置后，即使是普通实验室所用的普通探头也能在温度变化时实现幅值的较好测量，充分利用了实验室资源，降低了实验成本。若与高温探头配套使用，则能实现在更高温度下的精确测量。

(2) 保证探头两端压力恒定

探头轴线偏移和两端压力对幅值测量具有较大的影响，所以在实验中必须保证探头轴线不偏移以及两端压力恒定。本文使用隔热层包裹的弹性较好的橡胶皮绳来给探头两端施加恒定的压力，具体装置如图2所示

图2中黑色的部分代表隔热层，而试样块1，2，3则分别代表长度为1cm，2cm，3cm，且宽和高都为3.5cm的样品。在测试样品1时，将样品2放置在探头右侧，再用橡胶皮绳将样品和探头固定。加热过程中，在实验台上的所有样品都将被电加热器加热，以确保因温度变化而引起的试样总长度的变化量相同，进而使测量不同长度试样时橡胶皮绳的伸长量相同，从而保证实验测量过程中探头两端压力恒定。并且，采用橡胶皮绳固定后，能保证探头和样品正对，避免其轴线发生偏移。

(3) 降低耦合剂对测量的影响

不合适的耦合剂会带来较大的测量误差，使用普通耦合剂如凡士林进行实验时，在温度较高时耦合剂出现软化，甚至熔化现象，幅值可能会发生突变，严重影响实验结果。实验中应选用最高工作温度高于样品表面温度的高温耦合剂，本文所用的耦合剂是上海无损检测技术公司研制的GW-Ⅰ型高温超声耦合剂，最高工作温度为250℃。

(4) 保持声波频率和接收增益相对不变

频率越高的声波在传播时能量损失越快，相应的幅值越小。信号发生器的接收增益对检测幅值的大小也有影响，接收增益增大时会发现检测到的超声波幅值也随之增大，因此在同一组实验中必须保证超声波频率和接收增益相对不变。

3 结果与分析

3.1 温度对探头的影响

通过定标做出热电偶温差电动势ET和温度T之间的关系曲线如图3所示，由曲线拟合可得温差系数K= 27.551℃/mV。

图3 热电偶温差电动势ET—T关系曲线

按照图1连接实验装置，直接加热探头，记录热电偶温差电动势ET和示波器的显示幅值A。将ET代入式(2)确定探头温度T，由此得出探头A-T关系如图4所示。

图4 探头A—T关系曲线

由图4可以看出，随着温度的升高，纵波幅值A近似于线性关系减小。当温度从30℃上升到80℃时，幅值从101mV下降到64mV，可见温度对探头幅值检测的影响比较大，所以在不同温度下不能直接使用普通探头测量超声幅值。

因为温度升高所造成的超声波衰减增大和探头发射强度降低是同时发生的，并且超声波的衰减和多个因素相关，所以不能简单地从测量结果直接减去探头受温度影响而引起的幅值变化，来修正得到固体介质中超声波衰减的实际幅值变化，而是需要在试验中具体测量温度随幅值衰减的影响。

3.2 温度和长度对幅值的影响

分别将长度为1cm、2cm、3cm的铁块样品放置于隔热层中，信号发生器经过超声换能器后产生45kHz的超声波，记录热电偶温差电动势ET和材料的声波幅值A，根据式(2)确定材料温度T，由此得出不同长度试样块中A-T关系如图5所示。

图5 不同长度样品中的A—T关系曲线

由图5可以得出：

(1) 样品超声幅值随温度升高而减小，当温度从30℃升高至80℃时，3个不同长度样品的超声幅值几乎都减小了一半。可见，在温度小于80℃时，随着温度的升高，样品的超声幅值衰减增加的幅度较大。

(2) 在同一温度时，1cm、2cm、3cm样品的幅值依次减小，由此表明，随着试样长度的增加，超声衰减逐渐增大。在1cm和2cm样品之间的超声衰减远大于2cm和3cm样品之间的超声衰减；随着温度的升高，3条A-T关系曲线逐渐靠近，即不同长度样品的超声幅值的差值逐渐减小，但不会减小为零，A-T关系曲线不会出现交叉紊乱现象。

因为随着温度的升高，纵波速度减小，而超声纵波衰减又与纵波声速成式(1)关系，所以会在试验中得到上述结果。且由式(1)可知，超声衰减系数α与材料弹性模量E及其密度ρ有关，一般情况下ρ会随温度升高而减小，但变化很小，可以忽略不计，所以幅值变化可以反映出固体弹性模量变化。随着温度升高，幅值减少，超声衰减系数增大，弹性模量减小，即从本文结果也可证明固体弹性模量随着温度升高而减小的结论，这与文献[15]、[16]中的结论相一致。

此外，实验中对探头的温度也进行了检测。结果显示：在样品温度达到80℃时，探头仅升温5.4℃，隔热效果比较明显。

4 结语

本文综合考虑引起幅值测量误差的各种因素，设计出一套使用隔热层将热源与探头分隔开的有效、可行的实验装置来较精准地测量不同温度下的超声幅值，提高了测量精度，降低了实验成本，且通过研究不同长度样品幅值的温变特性，得出了超声衰减随样品长度增加和温度升高而增大的结论。

超声衰减测量的误差影响因素较多，实验中应注意操作细节要求，如选择合适的耦合剂种类、控制耦合剂用量、严格保证探头对准和两端压力恒定等；在温度变化的情况下，不应选择挥发性强的耦合剂，如凡士林等。如果要在更大的温变范围内进行实验，则需要选择线性范围更广的热电偶并重新定标，加厚隔热层，选用能耐更高温度的耦合剂。

[1] 孙钟，李全育，刁海波，等.温度对超声波检测缺陷定位定量的影响[J].无损检测，2011，33(4)：26-29. SUN Zhong, LI Yuquan, DIAO Haibo, et al. Temperature effect on quantitative ultrasonic testing of defects[J]. Nondestructive Testing, 2011, 33(4): 26-32. (in Chinese)

[2] 项东.不同温度下超声波横波声速变化的研究[J].山东建筑工程学院学报，2000，15(4):78-81. XIANG Dong. Study on The variation of sound velocity of ultrasonic transverse wave at varied temperatures[J]. Journal of Shandong Institute of Arch. and Eng, 2000, 15(4): 78-81. (in Chinese)

[3] 傅晏彬，周晓军，魏智.硅橡胶介质中超声传播与衰减的研究[J].浙江工业大学学报，1998，26(3)：184-188. FU Yanbin, ZHOU Xiaojun, WEI Zhi. Study on ultrasonic attenuation propagation in silicone elastomer medium[J]. Journal of Zhejiang University of Technology, 1998, 26(3): 184-188. (in Chinese)

[4] 张忠平，车俊，刘志毅，等.用超声波确定应力强度因子时对波型的选择[J].空军工程大学学报：自然科学版，2001，2(2)：64-66. ZHANG Zhongping, CHE Jun, LIU Zhiyi, et al. Requirement for wave-mode to determine stress intensity factor by ultrasonic wave[J]. Journal of Air Force Engineering University: Natural Science Edition, 2001, 2(2): 64-66. (in Chinese)

[5] 陈佳琪，李文政，张亚萍，等.固体声速温变特性实验室探究[J].大学物理实验，2013，26(4)：18-20. CHEN Jiaqi, LI Wenzheng, ZHANG Yaping, et al. The laboratory exploration of temperature-dependent characteristics of sound speed in solid[J]. Physical Experiment of College, 2013, 26(4): 18-20. (in Chinese)

[6] 韩学辉，袁兆羽，杨建平，等.提高实验室纵波幅度测量精度的方法研究[J].西南石油学院学报，2004，26(6)：77-80. HAN Xuehui, YUAN Zhaoyu, YANG Jianping, et al. Study on the improvement of measurement precision of P-wave amplitude[J]. Journal of Southwest Petroleum Institute, 2004, 26(6): 77-80. (in Chinese)

[7] 雷胜军，程茂，陈忠明.温度对超声波探头灵敏度的影响[J].无损检测，2009，31(1)：53-55. LEI Shengjun, CHENG Mao, CHEN Zhongming. The influence of temperature on piezoelectric effect of ultrasonic probe[J]. Nondestructive Testing, 2009, 31(1): 53-55. (in Chinese)

[8] 江泽涛.温度对超声波波速及应力测量的影响[J].无损检测，1999，21(6)：245-248. JIANG Zetao. Effect of temperature on ultrasonic velocity and stress measurement[J]. Nondestructive Testing, 1999, 21(6): 245-248.

[9] 关卫和，阎长周，陈文虎，等.高温环境下超声波横波检测技术[J].压力容器，2004,21(2):4-6. GUAN Weihe, YAN Changzhou, CHEN Wenhu, et al. Ultrasonic shear wave testing under high temperature service environment[J]. Pressure vessel Technology, 2004, 21(2): 4-6. (in Chinese)

[10] 孙钟，刁海波，李全育，等.温度对超声检测声波速度影响的研究[C].第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集,2011:1499-1503. SUN Zhong, DIAO Haibo, LI Quanyu, et al. Effect of temperature on ultrasonic testing of acoustic velocity[A]. China Ocean Engineering, 2011: 1499-1503. (in Chinese)

[11] 吕干霖，褚梅娟，王斌修，等.高温钢声速与声速滞后现象[J].声学学报，1992，17(6)：446-450. LV Ganlin, CHU Meijuan, WANG Binxiu, et al. Ultrasonic wave velocity and hysteresis in hot stee[J]. Acta Acustica, 1992, 17(6): 446-450. (in Chinese)

[12] 雷胜军，陈勇，程茂，等.容器设备的高温超声波检测[J].石油工程建设，2008，34(3)： 57-60. LEI Shengjun, CHEN Yang, CHENG Mao, et al. High temperature ultrasonic inspection for vessels and equipment[J]. Petroleum Engineering Construction, 2008, 34(3): 57-60. (in Chinese)

[13] 轩福贞，涂善东，王正东，等.高温环境下在用压力容器检测与安全评估技术研究进展(一)——检测技术及数据库[J].压力容器，2002，19(9)：1-4. XUAN Fuzhen, TU Shandong, WANG Zhengdong, et al. Technical progress of safety assessment and non-destructive measurement for pressure vessel at high temperature(Ⅰ)——measuring technique and materials databank[J]. Pressure vessel Technology, 2002, 19(9): 1-4. (in Chinese)

[14] 李书光，张亚萍，朱海丰.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2012：85-86.

[15] 罗强,王理，周之入，等.TA16和TA17钛合金热物理性能

与温度的关系[J].机械工程材料，2009，33(10)：30-32. LUO Qiang, WANG Li, ZHOU Zhiru, et al. Relationship between temperature and thermal physical properties of TA16 and TA17 titanium alloys[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2009, 33(10): 30-32. (in Chinese)

[16] 汪雨寒.杨氏模量与温度关系的实验研究[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2014,16(1)：158-160. WANG Yuhan. Through experiments to explore the Young’s modulus and temperature[J]. Journal of Chongqing University of Science and Technology(Natural Sciences Edition), 2014,16(1): 158-160. (in Chinese)