超聲波探頭極限掃查速度的分析

劉英和，張松明，張 海，郭萬(wàn)東

（天津市友聯(lián)螺旋鋼管有限公司，天津 301606）

1 問(wèn)題的提出

一些超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于探頭掃查速度的描述如下：“探頭的掃查速度不應(yīng)超過(guò)150.0mm／s。當(dāng)采用自動(dòng)報(bào)警裝置掃查時(shí)，不受此限”。標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于此條規(guī)定是否合理？筆者通過(guò)對(duì)數(shù)字式超聲波探傷儀報(bào)警響應(yīng)速度，探頭聲場(chǎng)分布，脈沖重復(fù)頻率等因素的分析，對(duì)探頭極限掃查速度進(jìn)行探討。

2 對(duì)超聲波探傷有關(guān)問(wèn)題的理解

2.1 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解

以JB／T 4730.3－2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)為例，該標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)手動(dòng)超聲波探傷編制的，采用自動(dòng)報(bào)警裝置是否可以理解為帶自動(dòng)報(bào)警的數(shù)字式或部分模擬式超聲波探傷儀。

2.2 對(duì)數(shù)字式超聲波探傷儀探傷速度的理解

數(shù)字式與模擬式超聲波探傷儀相比有以下幾點(diǎn)改進(jìn)：①減小了質(zhì)量與體積。②實(shí)現(xiàn)了打印與通信。③實(shí)現(xiàn)了原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。④實(shí)現(xiàn)了缺陷自動(dòng)定位與定量。⑤可存儲(chǔ)多種探頭的距離波幅曲線。

上述比較說(shuō)明數(shù)字式超聲波探傷儀的諸多優(yōu)點(diǎn)與探頭移動(dòng)速度無(wú)關(guān)。

2.3 對(duì)脈沖重復(fù)頻率與探頭掃查速度的相互關(guān)系的理解

2.3.1 脈沖重復(fù)頻率的概念

現(xiàn)代超聲波檢測(cè)技術(shù)使用的是脈沖反射法，即向被檢物體發(fā)射一個(gè)短脈沖超聲波，再接收它，如此往復(fù)。單位時(shí)間（秒）里，探傷儀驅(qū)動(dòng)探頭發(fā)射超聲波的次數(shù)就是脈沖重復(fù)頻率。

2.3.2 脈沖重復(fù)頻率對(duì)超聲波探傷儀的影響

（1）脈沖重復(fù)頻率太低

早期的模擬式超聲波探傷儀器，示波管顯示屏的亮度需要有一定的掃描信號(hào)來(lái)維持，因此脈沖重復(fù)頻率顯得相對(duì)重要，因?yàn)槊}沖重復(fù)頻率過(guò)低會(huì)造成顯示屏亮度暗淡。對(duì)于現(xiàn)代數(shù)字式超聲波探傷儀普遍使用的液晶、場(chǎng)致發(fā)光顯示器，因其發(fā)光原理與傳統(tǒng)的CRT 顯示器不一樣，是恒定發(fā)光，因此亮度不再依賴脈沖重復(fù)頻率。

以液晶顯示器為例，其主要參數(shù)之一的“刷新頻率”是表示屏幕圖像每秒鐘重繪的次數(shù)，一般情況下每秒30幅左右或更快速度的運(yùn)動(dòng)圖像會(huì)被人眼認(rèn)為是連續(xù)的（電影每秒鐘重繪24次），所以人眼其實(shí)只需要30Hz以上的刷新頻率，那么脈沖重復(fù)頻率就只與探頭掃查速度有關(guān)。

探頭在移動(dòng)過(guò)程中超聲信號(hào)是間斷發(fā)射的，如果移動(dòng)的速度過(guò)快，而脈沖重復(fù)頻率太低，可能會(huì)造成探頭“劃過(guò)”某處缺陷時(shí)超聲波還沒(méi)有“輻射”到該缺陷而造成漏檢。

（2）脈沖重復(fù)頻率太高

參考圖1，同步脈沖（即脈沖重復(fù)頻率）的頻率決定了發(fā)射電路在單位時(shí)間內(nèi)施加到超聲探頭上的發(fā)射脈沖次數(shù)。發(fā)射電路被同步脈沖觸發(fā)而產(chǎn)生超聲波的電脈沖，其機(jī)理是利用電容器（探頭中的壓電晶體）的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)重復(fù)脈沖頻率太高時(shí)，電容器充放電的時(shí)間間隔將會(huì)顯著縮短，使電容器尚未充電到額定電壓值時(shí)就開(kāi)始放電，從而導(dǎo)致發(fā)射功率下降。為了保證足夠的檢測(cè)靈敏度，超聲波探傷儀發(fā)射脈沖幅度多在400～500V 之間。

圖1 發(fā)射電路觸發(fā)探頭示意圖

脈沖重復(fù)頻率太高時(shí)還會(huì)出現(xiàn)所謂的“游動(dòng)波”，這種游動(dòng)波酷似缺陷的反射回波信號(hào)。其特點(diǎn)是從熒光屏水平刻度（掃描基線）的始波位置出現(xiàn)，緩慢地向底波方向移動(dòng)，直至越過(guò)第一次底波之后，從始波位置起又重新出現(xiàn)并向底波方向游動(dòng)。在不同條件下其移動(dòng)速度不同，有時(shí)極為緩慢，給識(shí)別真正的缺陷信號(hào)帶來(lái)困難，當(dāng)把脈沖重復(fù)頻率降低后，這種游動(dòng)波的現(xiàn)象就會(huì)消失。

發(fā)射電路中的發(fā)射管屬于大功率電子元件，在脈沖重復(fù)頻率（同步脈沖）的作用下，將不斷地處在導(dǎo)通、截止的工作狀態(tài)。其工作過(guò)程中自身會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，長(zhǎng)此以往地工作在高溫狀態(tài)下將影響其使用壽命。同時(shí)發(fā)射管頻繁的導(dǎo)通、截止工作狀態(tài)是要消耗電能的，因此脈沖重復(fù)頻率設(shè)置過(guò)高也會(huì)縮短便攜超聲波探傷儀電池的使用時(shí)間。

（3）發(fā)射功率大其發(fā)射電壓就高，還涉及到探頭中壓電晶體的承受能力。如果電壓太高會(huì)導(dǎo)致壓電晶體發(fā)熱，加速老化，甚至被擊穿。此外發(fā)射功率大其脈沖寬度也大，會(huì)影響檢測(cè)時(shí)的分辨力。在分辨力要求高，特別是近表面分辨力要求高的情況下，則不宜使用過(guò)高的發(fā)射功率。

綜上所述，為了保證得到較高的檢測(cè)靈敏度與良好的分辨力，同時(shí)兼顧探頭中壓電晶體的使用壽命，避免漏檢與游動(dòng)波等現(xiàn)象的出現(xiàn)。原則規(guī)定在設(shè)置的極限掃查速度下，缺陷被超聲波有效聲束“輻射”到的次數(shù)不得低于2次。如探頭的極限掃查速度設(shè)置為150mm／s，探頭有效接收尺寸（探頭移動(dòng)方向）10 mm，則脈沖重復(fù)頻率為1（一次輻射）＋150mm／10mm（二次輻射）＝16Hz。

實(shí)際上，考慮到探測(cè)靈敏度的要求，聲束覆蓋區(qū)之間還必須有一定的交叉覆蓋，假定交叉覆蓋二分之一，也就是說(shuō)脈沖重復(fù)頻率應(yīng)達(dá)到32 Hz。這與顯示器所需的刷新頻率30Hz基本一致。這對(duì)于常見(jiàn)厚度工件（6～200mm）的手工檢測(cè)，超聲波探傷儀上脈沖重復(fù)頻率設(shè)置為32Hz是比較合理的。

3 數(shù)字超聲波探傷儀報(bào)警響應(yīng)速度的試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

按照J(rèn)B／T 4730.3－2005標(biāo)準(zhǔn)，使用2.5P13×13K2探頭與CSK－ⅢA 試塊制作圖2所示距離波幅曲線，曲線不帶補(bǔ)償。

以試塊上2 0.0mm深φ1mm×6mm孔作為模擬缺陷，移動(dòng)探頭找到該孔反射回波最高點(diǎn)，反射回波幅度超過(guò)圖2所示的判廢線，此時(shí)儀器發(fā)出報(bào)警聲響。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

3.2.1 發(fā)出報(bào)警聲響的條件

在相同條件下（如使用同一種探頭），數(shù)字式超聲波探傷儀的報(bào)警響應(yīng)速度遠(yuǎn)不如模擬式超聲波探傷儀，模擬式超聲波探傷儀是實(shí)時(shí)工作，而數(shù)字式探傷儀則多了數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)處理等電路，因此報(bào)警響應(yīng)速度要慢一些。

數(shù)字式探傷儀發(fā)現(xiàn)缺陷后，缺陷反射回波幅度達(dá)到或超過(guò)圖2所示三條曲線任意一條時(shí)儀器都將發(fā)出不同報(bào)警聲響，現(xiàn)以報(bào)警最低條件即反射回波幅度達(dá)到評(píng)定線高度進(jìn)行分析。

3.2.2 影響報(bào)警響應(yīng)速度的因素

（1）試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)φ1mm×6mm 孔反射回波幅度達(dá)到最高點(diǎn)后探頭側(cè)面與試塊側(cè)面如果出現(xiàn)偏斜，且偏斜角度在2°以內(nèi)時(shí)，反射回波幅度將明顯低于評(píng)定線，此時(shí)即使發(fā)現(xiàn)缺陷儀器也不會(huì)報(bào)警。探傷時(shí)如果以150.0mm／s的速度移動(dòng)探頭，探頭跑偏使主聲束與缺陷形成不了100%垂直的現(xiàn)象是客觀存在的，也是不可避免的。

（2）試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)φ1mm×6mm 孔反射回波幅度達(dá)到最高點(diǎn)后，向反射孔方向移動(dòng)探頭使該孔反射回波幅度達(dá)到評(píng)定線高度（儀器處在報(bào)警臨界狀態(tài)）即圖2的A 回波，此時(shí)入射點(diǎn)向反射孔方向移動(dòng)了4mm。將入射點(diǎn)移回到該孔反射回波幅度達(dá)到最高點(diǎn)的位置，再向遠(yuǎn)離反射孔方向移動(dòng)探頭使該孔反射回波幅度再次達(dá)到評(píng)定線高度（儀器處在報(bào)警臨界狀態(tài)）見(jiàn)圖2的反射回波B，此時(shí)入射點(diǎn)移動(dòng)了6mm，入射點(diǎn)左、右移動(dòng)使反射回波分別達(dá)到評(píng)定線高度時(shí)，入射點(diǎn)有效移動(dòng)范圍是10mm。

3.2.3 入射點(diǎn)左、右移動(dòng)距離不相等的原因分析

參考圖3，超聲波進(jìn)入工件后要產(chǎn)生折射，折射角度β與上半擴(kuò)散角θ上和下半擴(kuò)散角θ下有關(guān)，且θ上大于θ下，即上半擴(kuò)散角形成的聲場(chǎng)范圍要大于下半擴(kuò)散角形成的聲場(chǎng)范圍。

圖3 橫波折射角度β、上半擴(kuò)散角θ上、下半擴(kuò)散角θ下對(duì)應(yīng)關(guān)系

入射點(diǎn)向遠(yuǎn)離反射孔方向移動(dòng)時(shí)，φ1 mm×6mm孔處在上半擴(kuò)散角形成的聲場(chǎng)范圍之內(nèi)，向靠近反射孔方向移動(dòng)時(shí)，該孔處在下半擴(kuò)散角形成的聲場(chǎng)范圍之內(nèi)，這就是入射點(diǎn)左、右移動(dòng)距離不相等的原因。

3.2.4 有效報(bào)警時(shí)間分析

上文中談到能接收到缺陷信號(hào)并發(fā)出報(bào)警聲響的聲場(chǎng)有效范圍是10mm，且當(dāng)探頭以150.0mm／s的掃查速度通過(guò)10 mm 的有效接收范圍時(shí)，φ1mm×6mm 孔能被超聲波有效聲束“輻射”到2次。當(dāng)探頭以300.0mm／s的掃查速度通過(guò)10mm的有效接收范圍時(shí)，該孔僅能被超聲波有效聲束“輻射”到1次，在相對(duì)較高的探頭移動(dòng)速度下如果探頭運(yùn)行軌跡出現(xiàn)跑偏的現(xiàn)象，很顯然漏檢的可能性是不可避免的。

4 結(jié)論

探頭極限掃查速度的設(shè)定應(yīng)綜合考慮脈沖重復(fù)頻率與檢測(cè)靈敏度、分辨力、游動(dòng)波的相互關(guān)系，也應(yīng)同時(shí)兼顧脈沖重復(fù)頻率對(duì)液晶顯示器、探頭、發(fā)射管使用壽命的影響。

因此將探頭極限掃查速度設(shè)置在150.0mm／s以內(nèi)是合理的。