加楔塊超聲相控陣的聚焦特性測(cè)試

劉曉睿，強(qiáng)天鵬，鄔冠華

（1.蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南京 210003；3.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

1 相控陣聚焦原理

超聲相控陣區(qū)別于常規(guī)超聲的兩個(gè)重要特性是聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦。所謂“聲束聚焦”是指由于各個(gè)晶片距離焦點(diǎn)的聲程不同，通過(guò)改變晶片間的延時(shí)時(shí)間，讓距離焦點(diǎn)遠(yuǎn)的晶片先發(fā)射信號(hào)，而距離焦點(diǎn)近的晶片后發(fā)射信號(hào)，從而使各個(gè)晶片發(fā)射的信號(hào)同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)，并在一個(gè)小區(qū)域內(nèi) 形成一個(gè)高強(qiáng)度聲場(chǎng)。假設(shè)晶片間的距離為p，聚焦深度為F，介質(zhì)中的聲速為c，則各個(gè)晶片的延時(shí)時(shí)間為：

式中n為晶片序號(hào)；t0是為了防止出現(xiàn)一個(gè)負(fù)的延時(shí)時(shí)間而設(shè)置的時(shí)間常數(shù)。

2 安裝楔塊條件下相控陣聚焦能力測(cè)試

2.1 測(cè)試裝置

試驗(yàn)使用的儀器是OLYMPUS公司的OmniScan MX 32：128便攜式相控陣檢測(cè)儀，利用TomoView軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀。采用的探頭是5L64A2，共有64個(gè)晶片，晶片間的距離（pitch）為0.6mm。采用的試塊是 ASTM E2491—2008［1］附錄中的圖A1.1所示的試塊，試塊中橫孔為φ2mm×25mm，相鄰孔深度和水平間距均為5mm。此項(xiàng)試驗(yàn)中采用特定角度編碼器B掃，安裝的楔塊是SA2－N55S，折射角度為55°，激發(fā)晶片數(shù)量是8個(gè)、16個(gè)和32個(gè)，設(shè)置的聚焦深度為：10，50，100，150，200mm。

試驗(yàn)條件基于ASTM E2491—2008的附錄1，測(cè)試相控陣的偏轉(zhuǎn)和聚焦能力，在掃查上使用帶編碼器線掃。試塊及掃查示意見(jiàn)圖1。

2.2 近場(chǎng)區(qū)計(jì)算結(jié)果

利用公式：

式中Neff——近場(chǎng)長(zhǎng)度；

k矩形——近場(chǎng)長(zhǎng)度修正系數(shù)；

L——探頭長(zhǎng)度；

β——聲束折射角；

α——聲束入射角；

L斜楔——楔塊中聲程；

v試件——試件聲速；

v斜楔——楔塊聲速。

計(jì)算得到不同晶片數(shù)和不同折射角的探頭的近場(chǎng)區(qū)見(jiàn)表1。

圖1 相控陣聚焦能力的測(cè)試

表1 帶有楔塊的相控陣探頭在工件中的近場(chǎng)區(qū) mm

此次試驗(yàn)激發(fā)的起始晶片都是探頭的第一個(gè)晶片，從表1的數(shù)據(jù)可以看出，由于激發(fā)孔徑的近場(chǎng)區(qū)是一定的，斜探頭加裝楔塊后，楔塊中聲程占據(jù)了一部分近場(chǎng)區(qū)。在激發(fā)8個(gè)晶片時(shí)，近場(chǎng)區(qū)都在楔塊中，激發(fā)16個(gè)晶片時(shí)，近場(chǎng)區(qū)也基本在楔塊中，工件中的近場(chǎng)區(qū)范圍非常小。激發(fā)32個(gè)晶片時(shí)，工件中有一定的近場(chǎng)區(qū)，其值隨著掃查角度的增大而減小。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中利用6dB法測(cè)量焦點(diǎn)尺寸，當(dāng)波幅太低且無(wú)法用6dB法測(cè)量時(shí)，結(jié)果用“不能分辨”注釋。圖2～4、表2給出了加裝楔塊后的聚焦能力測(cè)試結(jié)果，此處省略了聚焦深度為150mm的數(shù)據(jù)。

2.4 分析

通過(guò)以上表格中的數(shù)據(jù)可以看出，不管是激發(fā)8個(gè)、16個(gè)還是32個(gè)晶片，同聚焦深度下，角度45°時(shí)聚焦焦點(diǎn)最小，聚焦聲束最均勻，聚焦效果最好，其余依次是35°，60°和70°。

圖3 激發(fā)16個(gè)晶片不同聚焦深度不同偏轉(zhuǎn)角度的聚焦能力

在8個(gè)晶片激發(fā)狀態(tài)下，不同角度相同聚焦深度設(shè)置下，聚焦效果基本上相同；在16個(gè)晶片激發(fā)狀態(tài)下，只有聚焦深度在10mm時(shí)焦點(diǎn)才小于2倍孔徑，聚焦深度50，100，200mm下聚焦聲束基本相同，且焦點(diǎn)大小都超過(guò)2倍孔徑；在32個(gè)晶片激發(fā)狀態(tài)下，只有聚焦深度在10和50mm時(shí)部分角度的焦點(diǎn)小于2倍孔徑，聚焦深度100，200mm下聚焦焦點(diǎn)都超過(guò)2倍孔徑。

在8個(gè)晶片激發(fā)狀態(tài)下，所有的結(jié)果都不能在所設(shè)定的位置聚焦，深度越小焦點(diǎn)越小，深度越大焦點(diǎn)越大，焦點(diǎn)大小都超過(guò)2倍孔徑；在16個(gè)晶片激發(fā)狀態(tài)下，所有的結(jié)果都不能在所設(shè)定的位置聚焦，不同角度下最小焦點(diǎn)的實(shí)際深度只能達(dá)到15～30mm；在32個(gè)晶片激發(fā)狀態(tài)下，所有的結(jié)果實(shí)際最小焦點(diǎn)的聚焦深度都小于所設(shè)置的聚焦深度，相同的聚焦深度不同角度設(shè)置下，角度越小，最小焦點(diǎn)的實(shí)際聚焦深度越大。

另外，在16個(gè)晶片激發(fā)狀態(tài)下，聚焦深度超過(guò)50mm時(shí)，改變聚焦深度對(duì)聚焦聲束改變不明顯，在32個(gè)晶片激發(fā)狀態(tài)下，聚焦深度超過(guò)100mm時(shí)，改變聚焦深度對(duì)聚焦聲束改變也不明顯。

圖4 激發(fā)32個(gè)晶片不同聚焦深度不同偏轉(zhuǎn)角度的聚焦能力

表2 加楔塊激發(fā)不同晶片數(shù)的相控陣聚焦的焦點(diǎn)尺寸1） mm

續(xù)表2 mm

3 結(jié)論

（1）楔塊對(duì)聚焦能力的影響主要是聲束角度和聲程（延遲），因此不同的楔塊可以改變探頭的角度覆蓋范圍和實(shí)際焦點(diǎn)深度，相比無(wú)楔塊的設(shè)置，加裝斜楔塊進(jìn)行橫波檢測(cè)時(shí)，大部分近場(chǎng)區(qū)都在楔塊內(nèi)，工件中近場(chǎng)區(qū)很小，致使工件中聚焦能力變差，聚焦范圍變小。在相同激發(fā)晶片數(shù)的情況下，角度越小，在工件中的近場(chǎng)區(qū)就越大。在激發(fā)晶片數(shù)為8和16時(shí)，隨著角度的增大，聚焦能力變?nèi)?。在激發(fā)16和32個(gè)晶片時(shí)，除非聚焦深度過(guò)大，一般小角度有較好的聚焦能力。

（2）激發(fā)晶片數(shù)量越多，聚焦能力越強(qiáng)，能獲得的焦點(diǎn)尺寸會(huì)越小，實(shí)際焦點(diǎn)深度會(huì)越大。

（3）焦點(diǎn)尺寸隨聚焦深度的增加而增大。隨著激發(fā)晶片數(shù)量的增加，工件中的聚焦能力變強(qiáng)，聚焦范圍變大，但是在激發(fā)晶片數(shù)量過(guò)大（激發(fā)32個(gè)晶片）時(shí)，由于晶片孔徑的原因，導(dǎo)致深度較淺的孔連在一起，無(wú)法分辨。

（4）同樣激發(fā)晶片數(shù)量的情況下，實(shí)際焦點(diǎn)尺寸與楔塊的角度以及聲程有關(guān)，同聲程時(shí)設(shè)置角度越接近楔塊角度，實(shí)際焦點(diǎn)越??；同角度情況下，聲程越小，實(shí)際焦點(diǎn)越??；二者當(dāng)中，聲程對(duì)焦點(diǎn)尺寸的影響大于設(shè)置角度的影響。

（5）設(shè)置角度越接近楔塊的主聲束角度，聲束越均勻，分辨率更好。

［1］ASTM E 2491—2008 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems［S］.