超聲相控陣系統(tǒng)的聚焦特性研究

孫忠波，強天鵬

（1.天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津 300384；2.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210003）

近些年隨著計算機技術的發(fā)展，超聲TOFD及相控陣設備在國內(nèi)外都得到了較積極的推廣。由計算機控制的超聲系統(tǒng)不僅應具有常規(guī)數(shù)字超聲設備的一些普遍性能，如水平線性、垂直線性、橫縱向分辨力、動態(tài)范圍等，還應具有其獨特的性能優(yōu)勢。這些獨特的性能在傳統(tǒng)的性能測試標準中并未涉及，因此需進行深入探討。

美國材料試驗學會（ASTM）已發(fā)布的ASTM E2491：2008［1］《超聲相控陣檢測系統(tǒng)性能評價導則》為當前針對相控陣系統(tǒng)性能測試最為先進的試驗導則，該導則已被ASME增補引用為SE－2491。該導則對相控陣儀器的性能檢驗分成七部分，分別為：① 聲束擴散的測定。② 聲束偏轉(zhuǎn)極限的測試。③ 相控陣晶片有效性的測試。④ 相控陣聚焦能力的評價。⑤ 相控陣參數(shù)控制及數(shù)據(jù)顯示的評價。⑥ 對相控陣楔塊衰減以及時間延遲的補償?shù)脑u價。⑦相控陣儀器線性的評價。該導則目的在于給相控陣性能測試提供指導，并未對具體的試驗參數(shù)進行規(guī)定，對于驗收評判需由具體標準進行規(guī)定。為研究超聲相控陣系統(tǒng)的聚焦特性及偏轉(zhuǎn)特性，文章參照了ASTM E2491：2008標準的測試方法進行試驗設計。

1 測試方法及試驗條件

1.1 試驗條件

試驗使用Olympus公司的OmniScan MX 32：128便攜式相控陣檢測儀，利用TomoView軟件進行數(shù)據(jù)判讀。選用焊縫檢測較常用的探頭及楔塊，采用的探頭是5L64A2，共有64個晶片，晶片間的距離為0.6mm；楔塊是SA2－N55S，鋼中自然折射角度為55°。

測試用的試塊為參考ASTM E2491—2008標準自行設計的斜排孔試塊（圖1）。

圖1 斜排孔試塊

1.2 試驗方法

在加裝或不加裝楔塊的情況下，對儀器調(diào)整相應的參數(shù)組合，將相控陣探頭置于圖1試塊上，使晶片長度方向與長橫孔平行，設置適當?shù)穆暢谭秶{(diào)節(jié)儀器進入基于編碼器（或基于線掃描）的B掃狀態(tài)，沿圖2所示方向移動探頭進行B掃描成像。當加裝楔塊時，試驗加入了偏轉(zhuǎn)角度的變化，測試時探頭朝向斜排孔一側(cè)，以免聲束方向與斜排孔朝向因夾角過小而影響測試。

圖2 斜排孔試塊掃查示意圖

用離線分析軟件調(diào)出存儲的圖像，用－6dB法測量不同深度孔回波的孔徑大小并記錄（如圖3）。當加裝橫波斜楔塊時，軟件能夠測得橫向擴散長度L′，而實際聲束擴散應垂直于聲束方向，因此，實際擴散長度L應為：

圖3 聲束擴散測量示意圖

式中L為沿聲束方向擴散長度；L′為軟件測量的水平方向擴散長度；β為工件中橫波折射角。

1.3 試驗內(nèi)容

（1）不加裝楔塊可偏轉(zhuǎn)方向聲束擴散及聚焦能力試驗設計 激發(fā)晶片數(shù)分別為4，8，16，32；聚焦深度分別為10，30，50，100，150，200mm。試驗時兩種參數(shù)交叉組合，表示方法為“激發(fā)晶片數(shù)－聚焦深度”。如4－50表示試驗參數(shù)為：激發(fā)晶片數(shù)為4，聚焦深度為50mm。

（2）加裝橫波斜楔塊可偏轉(zhuǎn)方向聲束擴散及聚焦能力試驗設計 激發(fā)晶片數(shù)、聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度的參數(shù)設置見表1。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 聚焦特性測試結(jié)果及分析

2.1.1 不加裝楔塊時

按1.3（1）進行試驗后，對各種參數(shù)下顯示的孔徑以－6dB的方式進行測量，對測量結(jié)果整理后可繪制得到曲線圖4。

從圖4看，曲線基本可分為兩種形態(tài)，一種形態(tài)為單調(diào)上升的“1”字形，一種為曲折的“V”字形。當激發(fā)晶片數(shù)量較少時（如試驗中激發(fā)晶片數(shù)量＜8個），測試結(jié)果為前者，表明在測試深度范圍內(nèi)聲束沒有實際焦點，成喇叭狀擴散，曲線形態(tài)不隨設置聚焦深度的改變而改變。激發(fā)晶片數(shù)量為8個時，變化不同的聚焦深度對測試結(jié)果圖像基本沒有影響，如圖5所示。當激發(fā)晶片數(shù)量較多時（如試驗中激發(fā)晶片數(shù)量＞16個），測試結(jié)果為后者，表明在測試深度范圍內(nèi)聲束有實際焦點，“V”字形的最低點即代表實際焦點位置。從圖4看，當激發(fā)晶片數(shù)量＞16個時，實際焦點深度隨設置焦點深度的增加而增加，但兩者有一定差距，該差距隨設置值增加而增加，如圖6。但當設置聚焦深度大于某一數(shù)值時，實際焦點深度不再增加，且該可聚焦深度的最大值隨激發(fā)晶片數(shù)量的增加而增加，例如，激發(fā)16晶片時設置聚焦深度為10，30，50，100，150mm 時，實際焦點深度為10，15，20，20，20mm；激發(fā)32晶片時設置聚焦深度為10，30，50，100，150，200mm 時，實際焦點深度為10，25，40，65，65，65mm。

表1 加裝橫波斜楔塊可偏轉(zhuǎn)方向聲束擴散及聚焦能力試驗設計

圖4 不加裝楔塊時聚焦特性測試結(jié)果

文獻［2］指出：相控陣激發(fā)孔徑的近場區(qū)長度決定了聲束能夠聚焦的最大深度，聲束在超過近場區(qū)長度的深度處無法聚焦。激發(fā)晶片數(shù)量從4，8，16，32逐漸增多時，孔徑隨之增大，則近場區(qū)增加，因此，可聚焦的深度范圍也隨之增加。

從圖4中還可以看出，相同的激發(fā)晶片數(shù)量基本成簇分布，表明相同的孔徑在曲線中有著基本相同的斜率，曲線的斜率代表著聲束截面尺寸隨深度變化的快慢程度?？梢?，不加裝楔塊的情況下，工件中聲束的擴散速率僅取決于激發(fā)孔徑大小，與設置的聚焦深度及實際焦點深度無關。由矩形波源半擴散角公式（式（2））可知，聲束擴散角度與工件中波長和可偏轉(zhuǎn)方向上孔徑大小相關，而該公式成立的前提是在遠場區(qū)。因此，從圖4中看，當激發(fā)晶片數(shù)量＞16個時，聲束在工件中有實際焦點，在焦點后的聲束擴散尤為貼切地符合上述規(guī)律：

式中φ0為可偏轉(zhuǎn)方向上的半擴散角；λ為工件中波長；b為可偏轉(zhuǎn)方向上孔徑尺寸的1／2。

2.1.2 加裝橫波斜楔塊時

依照表1進行試驗后，對各種參數(shù)下顯示的孔徑的L′以－6dB的方式進行測量，代入式（1），計算得到L，將結(jié)果整理后繪制得到圖7。

圖7中，曲線在橫坐標上的跨度代表著測試能夠?qū)⒖仔盘柗直娉龅纳疃确秶?，跨度越大表明測試圖像中能夠識別的深度范圍越大。對比圖7（a）～（d）可見，當激發(fā)晶片數(shù)量和聚焦深度設置相同時，偏轉(zhuǎn)角度越大，可識別的深度范圍越?。ㄈ鐖D8）。這是由于當偏轉(zhuǎn)角度增加時，聲束在楔塊中的聲程增加，也增加了聲束在楔塊中的擴散。聲束進入工件后，相同深度的擴散范圍增加，到達一定深度后大角度聲束的回波先于小角度聲束無法識別。

與不加楔塊的測試一樣，圖7曲線的斜率代表了聲束在工件中擴散速度的快慢，同樣表征著聲束在工件中的擴散角?？赏ㄟ^簡單計算得到不同激發(fā)晶片數(shù)量時，可偏轉(zhuǎn)方向上的聲束半擴散角，進而計算出不同角度時工件中的上下擴散角度，從而得到工件中的擴散角。以激發(fā)16晶片為例，偏轉(zhuǎn)角度分別為35°，45°，60°，70°時，計算得工作中的擴散角分別為8.2°，8.8°，10.7°，14.7°。

圖7 加裝斜楔塊激發(fā)不同晶片，不同偏轉(zhuǎn)角度及聚焦深度時聚焦特性測試結(jié)果

圖8 加裝橫波斜楔塊，激發(fā)16晶片，聚焦深度50mm，不同偏轉(zhuǎn)角度時的聚焦特性測試圖像

從計算結(jié)果可以看出，其余情況不變，當偏轉(zhuǎn)角度增加時，工件中的擴散角隨之增加，則圖7曲線的斜率將隨角度增加。

對比圖7（a）～（d）還可以看出，除激發(fā)32晶片外，其余情況聚焦深度設置幾乎對實際的聲場沒有任何影響。表2為計算得到加裝斜楔情況下，不同激發(fā)晶片數(shù)量及不同偏轉(zhuǎn)角度時，鋼中剩余的近場區(qū)（已轉(zhuǎn)換為深度）。從表中可以看出，大部分情況近場區(qū)在楔塊中，由前述近場區(qū)內(nèi)聚焦的原則，激發(fā)4，8，16個晶片時，在工件中不會產(chǎn)生真正的焦點，因此，聚焦設置不起作用，測試得到的曲線都成“1”字形。當激發(fā)32晶片時，偏轉(zhuǎn)角度為35°，45°，60°時工件中有較大范圍的近場區(qū)，因此，從圖7（d）中可見該幾條曲線成“V”字形，且隨聚焦深度的不同設置，實際焦點也隨之變化。

表2 加裝橫波斜楔塊時計算得工件中的近場區(qū)（深度）mm

3 結(jié)論

（1）加裝楔塊與不加裝楔塊情況下，聲束在工件中的聚焦特性主要由工件中的近場區(qū)長度決定，近場區(qū)外不能聚焦。

（2）同探頭相控陣聲束焦點外的聲束擴散速度取決于激發(fā)孔徑大小，與設置聚焦深度及實際焦點深度無關，激發(fā)孔徑大，計算得到的擴散角小，則聲束擴散速度慢，反之則相反。

［1］ASTM E 2491：2008 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased－Array Ultrasonic Testing Instrucments and Systems：Annexes A2［S］.

［2］Michael D C Moles.Phased Array Ultrasonic Technology［M］.Canada Quebec：R／D Tech Corp，2004：77－79.