相控陣超聲檢測(cè)橫向分辨力的影響因素

(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310020)

超聲檢測(cè)被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)、特種設(shè)備、核電、航空等領(lǐng)域。超聲檢測(cè)的分辨力越高，越容易獲得缺陷的細(xì)節(jié)特征，缺陷的定量和定性檢測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確。超聲檢測(cè)分辨力是由對(duì)兩個(gè)反射體提供可分離指示時(shí)兩者的最小距離來(lái)確定的,分為在聲波傳播方向上的縱向分辨力和垂直于傳播方向的橫向分辨力。常規(guī)的超聲檢測(cè)方法是超聲A掃描，超聲A掃描的檢測(cè)分辨力往往受到探頭以及儀器性能的制約。相控陣超聲檢測(cè)不同于常規(guī)的超聲A掃描，對(duì)于選定的儀器和探頭，可以通過(guò)孔徑以及焦距等參數(shù)的設(shè)置來(lái)優(yōu)化檢測(cè)分辨力。

筆者通過(guò)研究焦距和孔徑對(duì)相控陣超聲檢測(cè)橫向分辨力的影響規(guī)律，指出通過(guò)優(yōu)化相控陣超聲的檢測(cè)參數(shù)，可以獲得更高的橫向檢測(cè)分辨力，對(duì)相關(guān)檢測(cè)有一定的參考價(jià)值。

1 相控陣超聲檢測(cè)的基本理論

1.1 線陣換能器的幾何參數(shù)

線陣換能器的主要參數(shù)有陣元數(shù)量N，陣元間距d，陣元寬度a，陣元長(zhǎng)度b，其幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 線陣換能器的幾何參數(shù)

孔徑D=(N-1)×d+a，通常陣元間隙很小，則可認(rèn)為d=a，則近似表示為[1]

D=N×d

(1)

1.2 線陣換能器的聲場(chǎng)參數(shù)

相控陣超聲通過(guò)對(duì)不同陣元設(shè)置不同的延遲時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。線陣換能器的聲場(chǎng)參數(shù)示意如圖2所示。

圖2 線陣換能器的聲場(chǎng)參數(shù)示意

對(duì)于陣元數(shù)量為N、陣元間距為d、陣元寬度為a的線陣相控陣換能器，當(dāng)換能器孔徑D遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)λ時(shí)，近場(chǎng)長(zhǎng)度可表示為[2]

(2)

常將主聲束上焦點(diǎn)兩側(cè)相對(duì)于聚焦點(diǎn)處聲壓下降20%的主聲束長(zhǎng)度定義為聚焦深度Fe，焦距為F，在采用球面聚焦方式時(shí)，聚焦深度可表示為[3]

Fe=8.16λ(F/D)2

(3)

2F/D>1

(4)

對(duì)于線陣換能器，x?F的區(qū)域[3]

(5)

式中：e為聲壓降低6 dB的焦點(diǎn)直徑。

x≈F的區(qū)域

e=λx/D

(6)

x?F的區(qū)域

(7)

橫向分辨力Δd可表示為[4]

Δd=e/4

(8)

2 CIVA軟件仿真分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

在CIVA軟件中設(shè)置鋼制試塊長(zhǎng)450 mm，寬25 mm，高200 mm。試塊中有一系列直徑為2 mm 的橫通孔，相鄰橫通孔之間水平和垂直距離均為5 mm，試塊尺寸和缺陷的相對(duì)位置示意如圖3 所示，仿真時(shí)設(shè)定探頭中心頻率為5 MHz，陣元間距為0.6 mm，陣元寬度為10 mm，陣元總數(shù)為64。

圖3 試塊尺寸和缺陷的相對(duì)位置示意

設(shè)定探頭的運(yùn)動(dòng)方向與橫通孔的長(zhǎng)度方向垂直，進(jìn)行B掃描檢測(cè)，探頭相對(duì)試塊的運(yùn)動(dòng)方向示意如圖4所示。為了模擬的方便，將縱波聲束設(shè)置為垂直向下入射。

圖4 探頭相對(duì)試塊的運(yùn)動(dòng)方向示意

2.2 陣元數(shù)量和焦距對(duì)橫向分辨力的影響

圖5～7是陣元數(shù)量分別為8,32,64時(shí)，不同焦距的仿真結(jié)果。

圖5 陣元數(shù)為8時(shí)，不同焦距的仿真結(jié)果

圖6 陣元數(shù)為32時(shí)，不同焦距的仿真結(jié)果

圖7 陣元數(shù)為64時(shí)，不同焦距的仿真結(jié)果

3 檢測(cè)試驗(yàn)

使用64陣元的相控陣超聲探頭，陣元數(shù)量分別設(shè)置為8，32，64，對(duì)RB-2試塊上深度為30 mm的橫通孔進(jìn)行扇掃成像。為了表述的方便，檢測(cè)結(jié)果中對(duì)應(yīng)深度孔的扇掃圖像用箭頭指示。焦距為30 mm，不同陣元數(shù)目的扇掃結(jié)果如圖8所示，陣元數(shù)目為64，不同焦距的扇掃結(jié)果如圖9所示。

圖8 焦距為30 mm時(shí)，不同陣元數(shù)目的扇掃結(jié)果

圖9 陣元數(shù)目為64時(shí)，不同焦距的扇掃結(jié)果

4 分析與討論

從圖5可以看出，陣元數(shù)量為8，焦距大于10 mm時(shí)，橫向檢測(cè)分辨力基本不變；從圖6可以看出，陣元數(shù)量為32，焦距大于100 mm時(shí)，焦距的變化對(duì)橫向分辨力影響很小，焦距小于50 mm時(shí)，在焦點(diǎn)附近有明顯的聚焦效果，橫向檢測(cè)分辨力高；從圖7可以看出，陣元數(shù)量為64時(shí)，焦距在150 mm范圍內(nèi)均有聚焦效果。陣元數(shù)量為8，32，64時(shí)，根據(jù)式(2)計(jì)算得到的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度分別為4.88，78.1，312.4 mm，由于相控陣超聲只能在超聲探頭的近場(chǎng)區(qū)有效聚焦，故焦距超過(guò)了近場(chǎng)區(qū)就沒(méi)有聚焦效果。陣元數(shù)量多，孔徑大，探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度長(zhǎng)，在更大的焦距范圍內(nèi)都會(huì)有聚焦效果，聲束聚焦后，聲束寬度減小，從而提高了橫向檢測(cè)分辨力。

從圖5～7可以看出，焦距相同時(shí)，陣元數(shù)量越多，檢測(cè)結(jié)果中焦距處橫通孔的尺寸越小。根據(jù)式(6)，焦距處焦點(diǎn)直徑與孔徑的倒數(shù)成正比，陣元數(shù)量越多，孔徑越大，焦距處焦點(diǎn)直徑越小，因而橫向檢測(cè)分辨力越高。

焦距對(duì)橫向分辨力的影響稍微復(fù)雜，圖7中(陣元數(shù)為64，焦距為10 mm)深度為5 ，15 mm橫通孔的檢測(cè)圖像結(jié)果比圖5(陣元數(shù)為8，焦距為10 mm)、圖6(陣元數(shù)為32，焦距為10 mm)中的橫向分辨力更低，說(shuō)明相控陣超聲檢測(cè)時(shí)，并不是陣元數(shù)越多越好。根據(jù)式(3)，(5)，(7)，陣元數(shù)為8，焦距為10 mm時(shí)，計(jì)算得到的聚焦深度為41.8 mm，在深度為10，15 mm 處的聲束直徑為1.2 mm；陣元數(shù)為32，焦距為10 mm時(shí)，計(jì)算得到的聚焦深度為2.6 mm，在深度為10，15 mm處的聲束直徑為4.8 mm；陣元數(shù)為64，焦距為10 mm時(shí)，計(jì)算得到深度為10，15 mm處的聲束直徑為9.6 mm。隨著陣元數(shù)的增多，雖然焦點(diǎn)處聲束直徑小，橫向檢測(cè)分辨力高，但是聚焦深度會(huì)顯著減小;而稍微偏離焦點(diǎn)位置,聲束寬度會(huì)迅速增加，故如果焦距等設(shè)置不當(dāng)，可能橫向分辨力反而不如陣元數(shù)量少時(shí)的橫向分辨力高。

從圖8的扇掃結(jié)果可以看出，焦距設(shè)置在孔的深度附近時(shí)，陣元數(shù)越多，橫通孔圖像的尺寸越小，焦距處的聲束寬度越小，檢測(cè)分辨力越高。

從圖9可以看出,焦距設(shè)置為30 mm時(shí)的檢測(cè)分辨力最好，焦距設(shè)置為10 mm時(shí)的檢測(cè)分辨力最差。陣元數(shù)為64，焦距為10 mm時(shí)的橫向分辨力不及陣元數(shù)為8，焦距為30 mm時(shí)的橫向分辨力高，說(shuō)明了陣元數(shù)量越多，橫向檢測(cè)分辨力并不一定越高。

5 結(jié)論

通過(guò)理論分析、仿真分析、檢測(cè)試驗(yàn)說(shuō)明相控陣超聲檢測(cè)時(shí)，陣元數(shù)量以及焦距均會(huì)影響聲束寬度，從而影響橫向檢測(cè)分辨力。超聲相控陣探頭只能在近場(chǎng)區(qū)聚焦，陣元數(shù)越多，焦距越小，焦距處聲束寬度越小，而稍微偏離焦點(diǎn)范圍，聲束直徑會(huì)顯著增大，故陣元數(shù)量越多，橫向檢測(cè)分辨力不一定越高。要獲得好的檢測(cè)橫向分辨力，不應(yīng)當(dāng)單純?cè)黾雨囋獢?shù)，而應(yīng)當(dāng)選擇合適的陣元數(shù)和焦距，使得缺陷處聲束寬度盡可能小。