·946· 工程科学学报，第37卷，第7期 2 结果与讨论 底面回波之间的A扫波形，如图5所示.其中，夹杂物 距离样品上表面的距离均为d=2.5mm.图中横坐标 采用上述有限元建模方法，建立具有不同类型夹 表示声波在材料中沿厚度方向的传播时间，纵坐标表 杂物和不同深度夹杂物的仿真模型，计算获得回波信 示载荷区域节点的y方向速度分量.图5(a)为两种夹 号，从时域和频域分析夹杂物对超声回波信号的影响 杂物波形的对比结果，其中蓝色实线表示AL,0,夹杂 规律. 物，红色虚线表示TN夹杂物：图5(b)为不含夹杂物 2.1不同类型的夹杂物 的A扫波形.图5(a)显示，在界面波和底面回波之间 对于AL,O,和TN夹杂物，计算获得了从界面波到 可以明显地观察到由夹杂物引起的缺陷回波波形 30 30 (a -ALO h 20 界面波 一TiN 20 界面波 无夹杂物 夹杂物回波 底面回波 底面回波 0 0 0.85us -10 18s 1.7u8 20 0.5 1.0 1.5 2.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 时间/以s 时间/μs 图5不同夹杂物的仿真波形.(a)A,O3和TN夹杂物的对比：(b)无夹杂物 Fig.5 Waveforms of different inclusions:(a)comparison of Al,0 and TiN:(b)no inclusion 图5(a)和(b)的对比结果显示：(1)两种夹杂物 的反射率和透射率分别为ru=0.558、rm=0.294和 回波均出现在0.85μs时刻，与理论计算结果0.87us 【u=0.829、lm=0.956.AL0,夹杂物的声波反射率是 基本一致；(2)含有夹杂物时，底面回波的到达时刻约 TN夹杂物的1.9倍，从而引起A山，0，夹杂物回波波幅 为1.7μ$，而图5(b)所示的不含夹杂物的底面回波约 大于TiN夹杂物. 为1.8μ$，即夹杂物的存在使相同条件下底面回波提 同时，考虑声压的透射率及夹杂物对声波的衰减 前0.1us,这是由于夹杂物的尺寸效应对材料中的声 作用，二者底面回波幅值的差异较小.由于仿真计算 速产生影响”：(3)夹杂物回波和底面回波相对于界 模型没有考虑晶粒尺寸和晶界等材料微结构，因而无 面波的展宽增加，这主要是由于夹杂物薄层的上下表 散射衰减，模型中的衰减主要来自扩散衰减和吸收衰 面对声波的多次反射和多次透射叠加，但薄层厚度仅 减叨.在声波频率∫相同的条件下，吸收衰减系数α。 为声波波长的1/3，因此不会引起明显的干涉现象a, =C∫中常数C,取决于材料的密度、杨氏模量等.由于 图5(a)中不同夹杂物的回波波形显示，l,0,夹 夹杂物的密度和杨氏模量不同，因此对声波的吸收衰 杂物的反射回波较TN夹杂物更为明显.这是由于夹 减也不同.仿真计算结果表明，山0，夹杂物对超声波 杂物的厚度仅为0.2mm,小于声波波长，其声压反射 的吸收衰减小于TN夹杂物. 和透射满足异质薄层的声压反射率和透射率公式： 进一步对不含夹杂物、含有AL,0,夹杂物和TN夹 4(m-）2 杂物模型的A扫波形进行快速傅里叶变换(FFT)得到 m 波形频谱图，如图6所示.其中，图6(a)和(b)分别对 (4) ）sin22m4 比了夹杂物回波和底面回波的频谱特性.图6(a)显 入， 示：A山O,夹杂物的频率幅值均大于TN夹杂物：两种 夹杂物均有各自的多个敏感频率，其中L,0,夹杂物 (5) 的敏感频率是8MHz和13MHz,而TiN夹杂物则是 8MHz和12.5MHz,由于夹杂物对超声波存在敏感频 式中，m是基体与夹杂物的声阻抗之比，山2为夹杂物的 率，从而使得该频率成分的超声波衰减较大.由 厚度，入，为夹杂物中的声波波长.根据表1所示材料 图6(b)可知：不含夹杂物的底面回波频谱分布呈高斯 参数可计算得到45钢、Al,0,夹杂物和TN夹杂物的 状，存在唯一的峰值：而含有夹杂物的底面回波频谱分 声阻抗分别为Zm=4.535×103kg·m2·s、Zu= 布变化较大，出现多个峰值.这是由于材料中部的夹 1.728×102kgm-2·s和Z=3.210×107kgm2. 杂物会相应地对其底面回波频率的衰减产生影响.同 s,将其代入式(4)和式(5)计算得到的夹杂物薄层 时图6(b)显示，与没有夹杂物时相比，夹杂物的存在工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 2 结果与讨论 采用上述有限元建模方法，建立具有不同类型夹 杂物和不同深度夹杂物的仿真模型，计算获得回波信 号，从时域和频域分析夹杂物对超声回波信号的影响 规律． 2. 1 不同类型的夹杂物 对于 Al2O3和 TiN 夹杂物，计算获得了从界面波到 底面回波之间的 A 扫波形，如图 5 所示． 其中，夹杂物 距离样品上表面的距离均为 d = 2. 5 mm． 图中横坐标 表示声波在材料中沿厚度方向的传播时间，纵坐标表 示载荷区域节点的 y 方向速度分量． 图 5( a) 为两种夹 杂物波形的对比结果，其中蓝色实线表示 Al2 O3 夹杂 物，红色虚线表示 TiN 夹杂物; 图 5( b) 为不含夹杂物 的 A 扫波形． 图 5( a) 显示，在界面波和底面回波之间 可以明显地观察到由夹杂物引起的缺陷回波波形． 图 5 不同夹杂物的仿真波形． ( a) Al2O3和 TiN 夹杂物的对比; ( b) 无夹杂物 Fig． 5 Waveforms of different inclusions: ( a) comparison of Al2O3 and TiN; ( b) no inclusion 图 5( a) 和( b) 的对比结果显示: ( 1) 两种夹杂物 回波均出现在 0. 85 μs 时刻，与理论计算结果 0. 87 μs 基本一致; ( 2) 含有夹杂物时，底面回波的到达时刻约 为 1. 7 μs，而图 5( b) 所示的不含夹杂物的底面回波约 为 1. 8 μs，即夹杂物的存在使相同条件下底面回波提 前 0. 1 μs，这是由于夹杂物的尺寸效应对材料中的声 速产生影响［7］; ( 3) 夹杂物回波和底面回波相对于界 面波的展宽增加，这主要是由于夹杂物薄层的上下表 面对声波的多次反射和多次透射叠加，但薄层厚度仅 为声波波长的 1 /3，因此不会引起明显的干涉现象［16］． 图 5( a) 中不同夹杂物的回波波形显示，Al2O3 夹 杂物的反射回波较 TiN 夹杂物更为明显． 这是由于夹 杂物的厚度仅为 0. 2 mm，小于声波波长，其声压反射 和透射满足异质薄层的声压反射率和透射率公式［16］: r = ( 1 4 m － 1 ) m 2 sin2 2πd2 λ2 1 + ( 1 4 m － 1 ) m 2 sin2 2πd2 槡 λ2 ， ( 4) t = 1 1 + ( 1 4 m － 1 ) m 2 sin ( 2 2πd2 λ 槡 ) 2 ． ( 5) 式中，m 是基体与夹杂物的声阻抗之比，d2为夹杂物的 厚度，λ2为夹杂物中的声波波长． 根据表 1 所示材料 参数可计算得到 45# 钢、Al2O3夹杂物和 TiN 夹杂物的 声阻抗分别为 Zsteel = 4. 535 × 107 kg·m － 2·s － 1、ZAl = 1. 728 × 107 kg·m － 2·s － 1 和 ZTiN = 3. 210 × 107 kg·m － 2· s － 1，将其代入式( 4) 和式( 5) 计算得到的夹杂物薄层 的反射率和透射率分别为 rAl = 0. 558、rTiN = 0. 294 和 tAl = 0. 829、tTiN = 0. 956． Al2O3夹杂物的声波反射率是 TiN 夹杂物的 1. 9 倍，从而引起 Al2O3夹杂物回波波幅 大于 TiN 夹杂物． 同时，考虑声压的透射率及夹杂物对声波的衰减 作用，二者底面回波幅值的差异较小． 由于仿真计算 模型没有考虑晶粒尺寸和晶界等材料微结构，因而无 散射衰减，模型中的衰减主要来自扩散衰减和吸收衰 减［17］． 在声波频率 f 相同的条件下，吸收衰减系数 αa = C1 f 中常数 C1取决于材料的密度、杨氏模量等． 由于 夹杂物的密度和杨氏模量不同，因此对声波的吸收衰 减也不同． 仿真计算结果表明，Al2O3夹杂物对超声波 的吸收衰减小于 TiN 夹杂物． 进一步对不含夹杂物、含有 Al2O3夹杂物和 TiN 夹 杂物模型的 A 扫波形进行快速傅里叶变换( FFT) 得到 波形频谱图，如图 6 所示． 其中，图 6( a) 和( b) 分别对 比了夹杂物回波和底面回波的频谱特性． 图 6( a) 显 示: Al2O3夹杂物的频率幅值均大于 TiN 夹杂物; 两种 夹杂物均有各自的多个敏感频率，其中 Al2 O3 夹杂物 的敏感频率是 8 MHz 和 13 MHz，而 TiN 夹杂物则是 8 MHz和 12. 5 MHz，由于夹杂物对超声波存在敏感频 率，从 而 使 得 该 频 率 成 分 的 超 声 波 衰 减 较 大． 由 图 6( b) 可知: 不含夹杂物的底面回波频谱分布呈高斯 状，存在唯一的峰值; 而含有夹杂物的底面回波频谱分 布变化较大，出现多个峰值． 这是由于材料中部的夹 杂物会相应地对其底面回波频率的衰减产生影响． 同 时图 6( b) 显示，与没有夹杂物时相比，夹杂物的存在 · 649 ·