超聲換能器聲場(chǎng)的激光可視化研究

郭佩文，史亦韋，盧超，梁菁，王曉

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

0 引言

超聲檢測(cè)是國(guó)內(nèi)外無損檢測(cè)技術(shù)中使用頻率最高、應(yīng)用最為廣泛且發(fā)展較快的一種技術(shù)方法[1]。超聲換能器的聲場(chǎng)分布情況直接影響檢測(cè)結(jié)果，為了更好地了解超聲換能器的聲場(chǎng)分布，對(duì)超聲換能器聲場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可視化研究至關(guān)重要。

聲場(chǎng)指的是充滿聲波的空間，或在介質(zhì)中聲振動(dòng)所波及的質(zhì)點(diǎn)占據(jù)的范圍。通常采用聲場(chǎng)中各質(zhì)點(diǎn)的聲壓、聲強(qiáng)、聲阻抗、位移或速度等物理量對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行描述[2]。本文主要通過質(zhì)點(diǎn)的微小振動(dòng)位移來表征聲場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲換能器產(chǎn)生的超聲場(chǎng)的可視化。

目前，對(duì)于超聲場(chǎng)的可視化主要有以下手段：第一，基于波動(dòng)方程，建立超聲波聲場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行模擬仿真成像，這種方法理論性強(qiáng)，并非實(shí)測(cè)結(jié)果[3]；第二，利用水聽器測(cè)量超聲波在水中的三維聲壓分布，可對(duì)三維聲場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)和精確成像。但它必須盡可能是寬帶、線性和無方向性的，且測(cè)量結(jié)果受水聽器特性的影響較大[4]；第三，通過測(cè)量鋁箔因超聲作用而產(chǎn)生的變形情況，實(shí)現(xiàn)超聲場(chǎng)的二維定量表征及成像。這種方法能形成聲場(chǎng)圖像信息，但不能形成隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)圖像，同時(shí)所測(cè)聲場(chǎng)必須達(dá)到使鋁箔變形的強(qiáng)度[5]；第四，采用紋影成像法實(shí)時(shí)獲得換能器的全部聲場(chǎng)分布，它是基于超聲波產(chǎn)生的密度梯度使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，利用紋影法配合高速照相機(jī)使液體中的瞬態(tài)聲場(chǎng)可視化。但是對(duì)于低頻換能器，需要的紋影儀器必須具備高靈敏度，儀器要求較高[6]。此外，還有球靶法和基于光彈性原理的動(dòng)態(tài)光彈數(shù)字化成像法，但都分別局限于液體介質(zhì)和透明介質(zhì)中[7-8]。

由于運(yùn)用光學(xué)方法對(duì)聲場(chǎng)和聲源極少存在干擾，又能利用光波短波長(zhǎng)這一特性對(duì)聲場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行高精度絕對(duì)測(cè)量而深受人們關(guān)注[9-10]。本文立足于超聲換能器聲場(chǎng)的激光可視化研究，搭建了超聲換能器聲場(chǎng)激光可視化平臺(tái)，利用激光散斑干涉測(cè)振技術(shù)對(duì)試樣表面質(zhì)點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的微小振動(dòng)位移進(jìn)行探測(cè)，通過區(qū)域掃查，得到一定范圍內(nèi)全部質(zhì)點(diǎn)在一段時(shí)間中的振動(dòng)情況，以此表征超聲換能器產(chǎn)生的超聲聲場(chǎng)。分別從聲場(chǎng)隨時(shí)間變化，聲場(chǎng)隨厚度變化，聲場(chǎng)隨超聲換能器晶片直徑變化等三個(gè)方面，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，最后將實(shí)測(cè)聲場(chǎng)擴(kuò)散特征與理論分析的聲場(chǎng)擴(kuò)散特征進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

根據(jù)超聲聲場(chǎng)理論，超聲換能器近場(chǎng)區(qū)的聲壓分布不均勻，聲場(chǎng)軸線上的聲壓出現(xiàn)極大值和極小值的交替變化，其變化過程和相關(guān)性質(zhì)較為復(fù)雜，缺少一定的規(guī)律性，且在實(shí)際檢測(cè)過程中一般避免在近場(chǎng)區(qū)進(jìn)行操作，因此全部試驗(yàn)所使用的試樣的厚度都大于換能器聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度。

試驗(yàn)采用實(shí)際檢測(cè)中最為常用的V110和V109兩種型號(hào)的超聲換能器，其中心頻率均為5 MHz，晶片直徑分別為0.635 cm和1.27 cm。由兩種超聲換能器的參數(shù)可知，V109換能器的晶片直徑大，產(chǎn)生的振動(dòng)能量高，同時(shí)，換能器晶片直徑大，半擴(kuò)散角減小，聲束指向性好，使得振動(dòng)能量更為集中，而V110換能器的特點(diǎn)則與之相反。

根據(jù)已知的鋁合金試樣中的聲速、換能器的晶片直徑和換能器的頻率得到波源直徑Ds和波長(zhǎng)λ，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算公式為

(1)

求出試驗(yàn)用的V109換能器和V110換能器的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N分別為32 mm和8 mm。因此，取一個(gè)長(zhǎng)244 mm、寬80 mm、高90 mm的長(zhǎng)方體鋁合金厚板，且沿長(zhǎng)度方向?yàn)槠滠堉品较颉４怪庇谲堉品较驅(qū)⒑癜宸指畛珊穸葹?2，50，65.5，96 mm的四個(gè)試樣并將其表面磨光，如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)搭建的超聲換能器聲場(chǎng)激光可視化平臺(tái)如圖2所示。該試驗(yàn)平臺(tái)由計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器(泛美5800)、超聲換能器、激光接收器和干涉儀搭建組成。

圖1 鋁合金試樣示意圖

圖2 激光可視化平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)利用以激光干涉原理為基礎(chǔ)的激光散斑干涉測(cè)振技術(shù)，對(duì)試樣表面質(zhì)點(diǎn)的微小振動(dòng)位移進(jìn)行探測(cè)。激光散斑干涉是指被測(cè)物體表面的散射光產(chǎn)生的散斑與另一參考光相干涉，當(dāng)被測(cè)試樣的表面發(fā)生微小振動(dòng)時(shí)，散斑與參考光之間的光程差發(fā)生變化，輸出的干涉條紋也會(huì)隨之移動(dòng)[11-14]。通過對(duì)輸出的干涉條紋進(jìn)行分析處理，就可以得到試樣表面質(zhì)點(diǎn)的微小振動(dòng)位移信號(hào)[15-18]。試驗(yàn)中采用的激光散斑接收器的輸出信號(hào)電壓與所測(cè)表面質(zhì)點(diǎn)的位移滿足關(guān)系式

V=F·s

(2)

式中：V為輸出電壓；s為質(zhì)點(diǎn)的離面位移；F為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

試驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)激光焦距，使F保持在100 V/μm左右。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體工作流程如下。

在信號(hào)發(fā)生器給超聲換能器一個(gè)激勵(lì)信號(hào)的同時(shí)，給通道1(CH1)一個(gè)同步信號(hào)，使計(jì)算機(jī)開始計(jì)時(shí)并準(zhǔn)備接收由通道0(CH0)傳來的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器和干涉儀的同步。當(dāng)激光照射在試樣背面某一位置時(shí)，超聲換能器發(fā)射的超聲波穿透試樣，試樣背面激光照射位置產(chǎn)生的表面微小振動(dòng)位移被激光接收器接收，并通過干涉儀形成電信號(hào)，通過CH0傳給計(jì)算機(jī)，最終形成A掃圖形，以此表征某一點(diǎn)的振動(dòng)位移隨時(shí)間的變化情況，如圖3所示。

圖3 某一點(diǎn)的A掃圖

再通過二維掃查(掃查面積50×50 mm)得到各點(diǎn)的A掃圖。采用全波采集記錄下各點(diǎn)的A掃描波形，將所有被掃查點(diǎn)在某一時(shí)刻的振動(dòng)幅值進(jìn)行成像，得到某一時(shí)刻表面振動(dòng)位移的C掃圖，如圖4所示。對(duì)比不同時(shí)刻表面振動(dòng)位移C掃圖，可以反應(yīng)聲場(chǎng)的擴(kuò)散情況。

圖4 某一時(shí)刻的C掃圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲換能器聲場(chǎng)隨時(shí)間變化的激光可視化

不同時(shí)刻下，V110換能器在70 mm厚度試樣背面產(chǎn)生的表面振動(dòng)位移如圖5所示。

圖5 隨時(shí)間變化的超聲換能器聲場(chǎng)C掃圖

由圖5可見，當(dāng)超聲波剛剛傳遞到試樣表面時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)主要集中在軸線附近，隨時(shí)間增加，振動(dòng)逐漸從軸線向外傳遞，且沿各方向的傳遞速度一致，因此形成的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)等高線呈現(xiàn)圓形。這一現(xiàn)象還可說明超聲傳播路徑上材料無明顯各向異性。

另一方面，從圖5還可以看到，各質(zhì)點(diǎn)先遠(yuǎn)離表面，然后發(fā)生回彈，產(chǎn)生向著表面內(nèi)部的位移，此后不再有明顯的遠(yuǎn)離表面的位移，這是由于超聲換能器激勵(lì)的超聲脈沖寬度窄，脈沖之后的振動(dòng)得到了有效的阻尼，已被雜波覆蓋。

2.2 超聲換能器聲場(chǎng)隨試樣厚度變化的激光可視化

采用V109換能器，在厚度不同的四個(gè)試樣中，分別取中心位置振幅最高時(shí)刻的各質(zhì)點(diǎn)振幅并繪制成三維圖，如圖6所示。

圖6 不同厚度試樣在振動(dòng)峰值時(shí)刻的振動(dòng)三維圖

從圖6中可以看到，不同試樣的表面振幅的分布均呈現(xiàn)出較為規(guī)則的圓錐形，軸線位置振幅最大。理論上，換能器遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中心軸線上的聲壓最高，偏離中心軸線聲壓逐漸降低，且同一橫截面上聲壓的分布完全對(duì)稱[19-20]。又因?yàn)槁晥?chǎng)的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振幅成正比關(guān)系，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

各試樣中振幅峰值與厚度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 厚度-峰值直角坐標(biāo)圖

由圖7可見，隨著鋁合金試樣厚度的增加，振幅峰值依次遞減。這是由于位于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)聲場(chǎng)的聲壓隨距離的增加而單調(diào)減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

根據(jù)聲束擴(kuò)散理論，試樣厚度Z與聲束直徑D的關(guān)系式為

(3)

式中：DS為波源直徑；λ為波長(zhǎng)。

各試樣中心位置振幅最高時(shí)刻的聲場(chǎng)C掃圖如圖8所示。

圖8 不同厚度試樣在振動(dòng)峰值時(shí)刻的聲場(chǎng)C掃圖

由圖8可測(cè)得各試樣中聲束直徑，根據(jù)聲場(chǎng)擴(kuò)散理論計(jì)算的各試樣中的理論聲束直徑與實(shí)測(cè)值對(duì)比如表1所示

表1 聲束直徑理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比 mm

由表1可見，實(shí)測(cè)聲束直徑與理論計(jì)算的聲束直徑保持基本一致。

2.3 超聲換能器聲場(chǎng)隨換能器晶片直徑變化的激光可視化

在70 mm厚鋁合金試樣上，V109換能器和V110換能器中心位置振幅最高時(shí)各質(zhì)點(diǎn)振幅如圖9所示。

可以看到，不同晶片直徑超聲換能器在同一試樣上產(chǎn)生的振動(dòng)存在明顯差異。V109換能器產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移約為V110產(chǎn)生的位移的4倍，振動(dòng)所影響的面積也遠(yuǎn)大于后者。這是因?yàn)?，V109的晶片直徑大，產(chǎn)生的振動(dòng)能量高，同時(shí)，換能器晶片直徑大，半擴(kuò)散角減小，聲束指向性好，使得振動(dòng)能量更為集中。

圖9 不同晶片直徑下超聲換能器聲場(chǎng)的最高峰值時(shí)刻3D圖

這一結(jié)果說明利用該方法可以實(shí)現(xiàn)超聲換能器聲場(chǎng)的有效檢測(cè)。

3 結(jié)論

在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)超聲換能器聲場(chǎng)呈軸對(duì)稱分布，微小振動(dòng)位移的最大值位于中心軸線上，聲場(chǎng)的能量主要集中在軸線附近，隨著時(shí)間的變化，超聲換能器聲場(chǎng)的微小振動(dòng)位移逐漸從中心軸線向外傳遞。利用搭建的激光可視化平臺(tái)，能夠形象直觀的檢測(cè)到超聲換能器聲場(chǎng)隨時(shí)間變化這一動(dòng)態(tài)過程。

超聲換能器聲場(chǎng)強(qiáng)度隨傳播距離增加而減小，聲軸線上的微小振動(dòng)位移量相應(yīng)地隨試樣厚度增加而減小，利用搭建的激光可視化平臺(tái)，能夠直觀的反映出這一變化趨勢(shì)。通過聲束直徑的實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比，證實(shí)了利用此激光可視化方法對(duì)超聲換能器聲場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

超聲換能器晶片直徑越大，超聲換能器聲場(chǎng)軸線上的微小振動(dòng)位移越大，整個(gè)超聲換能器聲場(chǎng)也就越強(qiáng)。利用激光可視化平臺(tái)，能夠反映上述規(guī)律，驗(yàn)證了該方法的有效性。

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