孔徑和焦距對(duì)相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果的影響

戈 浩 趙 立

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310020）

超聲作為一種常用的無(wú)損檢測(cè)方法，被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)、特種設(shè)備等領(lǐng)域。超聲檢測(cè)總是期望有更高的檢測(cè)分辨力，因?yàn)榉直媪υ礁撸饺菀撰@得缺陷的細(xì)節(jié)特征，缺陷定量和定性越準(zhǔn)確。

超聲檢測(cè)分辨力，是以能夠?qū)蓚€(gè)反射體提供可分離指示時(shí)兩者最小距離來(lái)確定[1]。超聲檢測(cè)分辨力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)方法實(shí)際上是超聲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，很難改變。相控陣超聲不同于超聲A掃描，對(duì)于選定的儀器和探頭，通過(guò)參數(shù)孔徑以及焦距的設(shè)置，檢測(cè)分辨力其實(shí)是可以優(yōu)化的。

本文通過(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)應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

1 CIVA軟件仿真分析

1.1 參數(shù)設(shè)置

在軟件中設(shè)置鋼制試塊長(zhǎng)450mm、寬25mm、高200mm。試塊中有一系列直徑2mm的橫通孔，相鄰橫通孔之間水平和垂直距離均為5mm，如圖1所示，仿真時(shí)設(shè)定探頭中心頻率為5MHz，陣元間距為0.6mm，陣元寬度10mm，陣元總數(shù)為64。

圖1 試塊的尺寸和缺陷的相對(duì)位置

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)，如圖2所示。為了模擬的方便，模擬縱波聲束垂直向下入射。

圖2 探頭相對(duì)試塊的運(yùn)動(dòng)方向

1.2 陣元數(shù)量和焦距對(duì)橫向分辨力的影響

為了描述的簡(jiǎn)便，定義M-N表示陣元數(shù)量為M，焦距為Nmm的模擬結(jié)果。圖3～圖4分別是陣元數(shù)量分別為8、64時(shí)，不同焦距的檢測(cè)結(jié)果。

圖3 陣元數(shù)為8時(shí)，不同焦距的檢測(cè)結(jié)果

圖4 陣元數(shù)為64時(shí)，不同焦距的檢測(cè)結(jié)果

2 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陣元、32陣元、64陣元，對(duì)RB-2試塊上深度30mm的橫通孔進(jìn)行扇掃成像。為了表述的方便，用M-N表示探頭晶陣元數(shù)量為M、焦距為Nmm時(shí)的檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果中對(duì)應(yīng)深度孔的扇掃圖像用箭頭指示，如圖5、圖6所示。

圖5 焦距為30mm，不同陣元數(shù)目的扇掃結(jié)果

圖6 陣元數(shù)目為64，不同焦距的扇掃結(jié)果

3 分析與討論

從圖3中可以看出，陣元數(shù)量為8，焦距大于10mm時(shí)，焦距增大，檢測(cè)結(jié)果基本不變。

從圖4中可以看出，陣元數(shù)量為64時(shí)，焦距小于100mm時(shí)，在焦點(diǎn)附近都有比較好的聚焦效果，焦距大于100mm時(shí)，焦距變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響很小。

根據(jù)CIVA軟件模擬的結(jié)果，焦距超過(guò)某個(gè)值時(shí)，焦距增大，檢測(cè)結(jié)果變化不大，主要是由于相控陣超聲只能在超聲探頭的近場(chǎng)區(qū)聚焦，焦距超過(guò)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，會(huì)減小聲束寬度提高檢測(cè)橫向分辨力；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，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4中（陣元數(shù)量為64、焦距為10mm）深度5mm、15mm橫通孔檢測(cè)圖像結(jié)果比圖3（陣元數(shù)量為8、焦距為10mm）差，說(shuō)明相控陣超聲檢測(cè)時(shí)，并不是陣元數(shù)量越多越好，如果焦距等設(shè)置不當(dāng)，可能檢測(cè)效果反而不如陣元數(shù)量少的檢測(cè)效果。這是由于陣元數(shù)量越多，焦距越小，焦點(diǎn)附近聲束越不均勻，稍微偏離焦點(diǎn)位置，聲束寬度迅速增加，導(dǎo)致橫向分辨力變差。

從圖5的扇掃結(jié)果可以看到：焦距設(shè)置在孔深度附近時(shí)，陣元數(shù)量越多，焦距處的聲束寬度越小，檢測(cè)分辨力越高。

根據(jù)圖6，利用64陣元的相控陣探頭對(duì)30mm深孔，進(jìn)行扇掃成像，焦距分別設(shè)置為10mm、30mm、70mm，可以看到焦距設(shè)置為30mm時(shí)的檢測(cè)分辨力最好，焦距設(shè)置為10mm時(shí)的檢測(cè)分辨力最差。陣元數(shù)量為64、焦距為10mm的檢測(cè)效果不及陣元數(shù)量為8，焦距為30mm的檢測(cè)效果，說(shuō)明了陣元數(shù)量越多，橫向檢測(cè)分辨力并不是一定越高。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)量，而應(yīng)當(dāng)選擇合適的陣元數(shù)量和焦距，使得缺陷處聲束寬度盡可能小。

4 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，進(jìn)而影響橫向分辨力。陣元數(shù)量越多，焦距處聲束寬度越小，橫向分辨力越高；陣元數(shù)量越多，橫向檢測(cè)分辨力并不一定越高，這主要受焦距的影響。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)量，而應(yīng)當(dāng)選擇合適的陣元數(shù)量和焦距，使得缺陷處聲束寬度盡可能小。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 12604．1—2005 無(wú)損檢測(cè) 術(shù)語(yǔ) 超聲檢測(cè)[S]．