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《工程與試驗雜志》2014年第四期

1超聲波在圓柱桿中的導波與尾隨信號

尾隨信號的產生設一均勻振動的超生縱波從實心圓柱桿的一端射入（入射角為α）。進入該圓柱桿中的縱波L1，在圓柱桿的邊界處發生波型轉換，一部分繼續以縱波L1的形式傳播，另一部分則轉換為橫波S1（其反射角為β）。橫波S1在傳播到圓柱桿另一邊界時，會再次發生波型的轉換［6］，得到橫波S2、縱波L2，如此不停地轉換，直至從桿的另一端射出（如圖1所示）。超聲波在有限長桿中經多次波型轉換，最后，有限長桿另一端的縱波探頭接收到的回波是不同的。在圓柱桿中，這些波的傳播模式有所差別，傳播路徑有所不同。因此，超聲信號到達接收端的時間就有所差異，從而形成一連串尾隨脈沖。由于尾隨信號產生于固／氣界面的模態轉換，因此，尾隨信號的能量總和與主脈沖回波信號能量的比值，在一定程度上可以反映超聲波在緩沖桿中衰減的程度。為了減少該比值，可以采用更換材料介質的方法。

2利用

Matlab仿真超聲波在鋁、PEEK中的回波情況在超聲回波中，常常伴有尾隨脈沖信號，這些尾隨脈沖的間隔由桿的直徑和聲速決定［8］。現通過仿真，研究超聲波在鋁、PEEK介質中的回波情況。仿真研究采用5MHz的縱波探頭，其發射的脈沖信號為正弦高斯脈沖，振幅為1V，脈沖寬度為2Ls。在鋁桿中，縱、橫聲波的速度分別為6300m／s、3100m／s，在PEEK桿中，縱、橫聲波的速度分別為2550m／s、1150m／s，脈沖信號由緩沖桿右端面入射。

2.1Matlab試驗仿真用Matlab進行仿真，相同長度、直徑下，鋁桿和PEEK桿中超聲回波的仿真結果如圖2－圖5所示。

2.2結果分析從圖2－圖5可以看出，在相同長度、直徑下，超聲波經圓柱緩沖桿端面的反射回波中，PEEK桿中尾隨脈沖信號的幅值明顯低于鋁桿中的尾隨脈沖信號，尾隨回波信號的間隔也相對較寬。事實上，相對于金屬緩沖桿來說，非金屬緩沖桿的衰減較大，使得尾隨回波信號的能量減小。由于非金屬材料的聲速小，在直徑相同時，尾隨回波信號的間隔相對較寬。試驗結果與實際情況比較吻合。

3結論

使用超聲緩沖桿作為高溫介質檢測時，在滿足低聲衰減、耐高溫等的要求下，使用非金屬材料作緩沖桿可以得到較高信噪比和幅值的超聲回波信號。另外，低聲速、低聲阻抗等特點，使非金屬緩沖桿在超聲檢測時比金屬緩沖桿更有優勢。本文的試驗結果也為工作于惡劣環境、還要保證高信噪比的超聲緩沖桿的設計提供了參考。

作者：張勇 顧強 劉時華 單位：中北大學機電工程學院