國內(nèi)外超聲探頭性能測試標(biāo)準(zhǔn)的比較與分析

， ， ， ，，奚力

(上海材料研究所，上海 200437)

超聲探頭主要通過壓電效應(yīng)來完成電、聲轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)聲波的發(fā)射和接收，是超聲檢測系統(tǒng)的重要組件。超聲探頭有多種分類方法，如根據(jù)聲束在被檢材料中的入射方向分為直探頭和斜探頭，根據(jù)聲束形狀分為平探頭[1]和聚焦探頭，根據(jù)耦合方式分為接觸式探頭和液浸式探頭等[2]。

超聲探頭性能測試是超聲檢測系統(tǒng)性能測試的主要內(nèi)容之一，其結(jié)果會直接影響到檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。超聲探頭性能參數(shù)分為使用特性參數(shù)和聲學(xué)性能參數(shù)[3]。使用特性參數(shù)主要有脈沖寬度、中心頻率、相對帶寬、相對脈沖回波靈敏度、阻抗與斜探頭入射點等。聲學(xué)性能是不同類型超聲探頭在被檢材料中輻射聲場的表征。平探頭使用特性參數(shù)主要有近場長度、聲束直徑和擴散角等；聚焦探頭參數(shù)主要有焦點、焦距和場深等。

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范

國內(nèi)外現(xiàn)行超聲探頭性能測試標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范有：ISO 12715:2014(E)Non-destructiveTesting-UltrasonicTesting-ReferenceBlocksandTestProceduresfortheCharacterizationofContactProbeSoundBeams,ISO 10375:1997(E)Non-destructiveTesting-UltrasonicInspection-CharacterizationofSearchUnitandSoundField, EN 12668-2:2010Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicExaminationEquipment-Part2:Probes, ASTM E 1065(08):2014StandardGuideforEvaluatingCharacteristicsofUltrasonicSearchUnits, GB/T 18694-2002《無損檢測 超聲檢測 探頭及其聲場的表征》,GB/T 18852-2002《無損檢測 超聲檢測 測量接觸式探頭聲束特性的參考試塊和方法》,GB/T 27664.2-2011《無損檢測 超聲檢測設(shè)備的性能與檢驗 第2部分：探頭》，JJF 1294-2011《超聲探傷儀換能器校準(zhǔn)規(guī)范》和JJF 1650-2017《超聲探傷儀換能器聲場特性校準(zhǔn)規(guī)范》。

目前,國內(nèi)外現(xiàn)行的超聲探頭性能測試標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范眾多，但每個標(biāo)準(zhǔn)覆蓋的探頭類型，測試參數(shù)及方法各不相同。以測試斜探頭入射點為例，ISO 10375:1997(E)利用IIW試塊的R100 mm圓弧面的最大反射回波校準(zhǔn)斜探頭入射點；EN 12668-2:2010利用斜探頭校驗試塊的四分之一圓弧的最大反射回波校準(zhǔn)斜探頭入射點，見圖1。ISO 12715:2014(E)針對的是直接接觸式探頭聲學(xué)性能的測試，ISO 10375:1997(E)針對的是液浸式探頭聲學(xué)性能的測試。表1為國內(nèi)外超聲探頭標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范的測試參數(shù)匯總和比較。

表1 國內(nèi)外超聲探頭性能測試標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范的測試參數(shù)匯總和比較

注： GB/T 18694-2002等同采用ISO 10375:1997(E)； GB/T 27664.2-2011修改采用EN 12668-2:2010。

圖1 斜探頭入射點校準(zhǔn)試塊

2 使用特性測試參數(shù)

2.1 脈沖寬度

脈沖寬度，在GB/T 18694-2002標(biāo)準(zhǔn)中又稱為脈沖持續(xù)時間TPD。其是根據(jù)反射體第一個波峰起點到最后一個波峰的時間間隔來確定的，通常以ns為單位。不同的是：JB/T 12466-2015和JJF 1294-2011中是指在最大脈沖峰值幅度兩側(cè)10%(即-20 dB)處第一個波峰起點至最后一個波峰終點間的時間間隔，而GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)中是指在最大脈沖峰值幅度兩側(cè)20%(即-14 dB)處的時間間隔。

2.2 中心頻率和相對帶寬

中心頻率和相對帶寬是以頻率響應(yīng)為基礎(chǔ)，對回波信號進行頻譜分析，測出回波頻譜下降6 dB時的高低端截止頻率fu和f1后計算得出的。ISO 10375:1997(E) 和JJF 1294-2011中的中心頻率f0和相對帶寬Δfrel由式(1)和式(2)得出。EN 12668-2:2010和GB/T 27664.2:2011中的中心頻率f0由式(3)得出，相對帶寬Δfrel由式(2)得出。

(1)

(2)

(3)

式中：f0為中心頻率；Δfrel為相對帶寬；fu，f1分別為回波下降6 dB時的高低端截止頻率。

2.3 相對脈沖靈敏度

相對脈沖靈敏度是度量探頭在脈沖回波模式下相應(yīng)介質(zhì)中電聲轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。用示波器測出探頭上輸入的電壓峰-峰值Vin和反射波放大前的電壓峰-峰值Vout，根據(jù)式(4)可以計算出相對脈沖回波靈敏度Sr。ASTM E 1065(08):2014規(guī)定Vin和Vout均在探頭制造商所標(biāo)示的標(biāo)稱頻率下測試，ISO 10375:1997(E)規(guī)定在探頭中心頻率下測試。

(4)

2.4 斜探頭入射點和折射角

斜探頭入射點和折射角是與斜探頭相關(guān)的固定屬性。斜探頭入射點一般是根據(jù)斜探頭在相應(yīng)試塊的R100 mm圓弧面上的最大反射回波來確定的，但不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用不同的試塊。GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)是以IIW試塊上R100 mm圓弧面上的反射回波來確定的，而JJF 1294-2011是用斜探頭校準(zhǔn)試塊的R100 mm扇形圓柱面上的反射回波來確定的，但原理類似。同理，斜探頭折射角度也是根據(jù)這兩種試塊上的橫孔反射回波來確定的。在JJF1294-2011標(biāo)準(zhǔn)中，斜探頭折射角稱為斜探頭聲束角度。

2.5 阻抗

探頭的電特性用輸入阻抗來描述，按照GB/T 18694標(biāo)準(zhǔn)的要求或者用阻抗分析儀進行測量。探頭的阻抗分析是利用阻抗分析儀在專用DB-R試塊上進行的。測試結(jié)果需要有探頭諧振點和反諧振點的阻抗和相角值。圖2為阻抗測試布置圖。

圖2 阻抗測試布置示意

3 聲學(xué)性能測試參數(shù)

超聲探頭的聲學(xué)性能，也稱聲場特性。超聲探頭的聲學(xué)性能包含近場長度、擴散角、遠場區(qū)、偏向角、聚焦探頭的焦距、焦區(qū)長度和焦區(qū)寬度等。與使用特性相比，聲學(xué)性能的測試更為復(fù)雜。ISO 10375:1997(E)標(biāo)準(zhǔn)用液浸法測試頻率為0.5 MHz～15 MHz的直探頭、斜探頭的聲學(xué)性能；ISO 12715:2014(E)標(biāo)準(zhǔn)用接觸法測試頻率為1 MHz～15 MHz的直探頭、斜探頭、聚焦探頭和雙晶探頭的聲學(xué)性能；ASTM E1065(08):2014用水聽器法測試頻率范圍為0.5 MHz～15 MHz的平探頭和聚焦探頭的聲學(xué)性能。

3.1 液浸法

ISO 10375:1997(E)中，平探頭測試的自由聲場特性參數(shù)有近場區(qū)和擴散角；聚焦探頭的聲學(xué)性能參數(shù)通過聲壓分布圖來表示，表征聚焦探頭聲壓分布的參數(shù)有：焦點、焦距和場深。

(1) 近場長度

近場長度可根據(jù)公式(5)計算得出[4]。需要指出的是，ISO 10375:1997(E)中規(guī)定：對于脈沖較寬，靈敏度較高的窄帶探頭應(yīng)按中心頻率f0的波長來計算近場長度N0；對于脈沖寬度較小、深度分辨力好、靈敏度較低的寬帶探頭的近場長度N0存在一個范圍，應(yīng)按照高低端截止頻率fu和f1的波長來分開計算。

(5)

式中：λ為波長；D為晶片直徑。

(2) 擴散角

在探頭的遠場區(qū)，聲束直徑與聲束軸線的距離成正比增大，因而常用擴散角來表示聲束的發(fā)散程度。ISO 10375:1997(E)中對于圓晶片平探頭的擴散角可用式(6)來計算。不同形狀晶片的擴散角的表達式也不同，圓晶片同方晶片類似，可用式(7)來計算，而對于矩形晶片的擴散角，則應(yīng)該根據(jù)其兩側(cè)邊長l1，l2來分開計算，如式(8)所示。

(6)

(7)

(8)

(3) 液浸聚焦聲壓分布

ISO 10375:1997(E)中采用脈沖回波來測試探頭聲場。在探頭上施加脈沖信號，探頭置于水中并對準(zhǔn)浸在水中的鋼球，然后進行測試，測試時回波測量的一個重要參數(shù)是聲軸上的聲壓分布。探頭聲學(xué)性能的液浸法測試裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 探頭聲學(xué)性能的液浸法測試裝置結(jié)構(gòu)框圖

探頭聲壓性能的測量是指使探頭保持在同一軸向距離上移動，從而獲取聲束橫截面分布圖的操作。在每一個探頭移動的位置，記錄球靶反射的峰值幅度，便可得到給定距離處的截面上各點相對于軸線上的聲壓相對值的聲束橫截面分布圖，沿著聲束軸向繪制不同軸向距離處的峰值幅度曲線。圖4為液浸聚焦探頭聲束軸線上的聲壓分布示意。

如圖4所示，表征聚焦探頭聲壓分布的參數(shù)有：焦點、焦距和場深(焦柱長度)。焦點是指聲壓最大幅度處的位置，焦距是探頭表面至焦點的距離，場深(焦柱長度)是探頭從焦點處來回移動至幅度降為峰值幅度50%(-6 dB)時兩點間的距離，這些表征參數(shù)可以通過液浸法試驗獲得。

圖4 液浸聚焦探頭聲束軸線上的聲壓分布示意

3.2 接觸法

ISO 12715：2014(E)標(biāo)準(zhǔn)中主要是用接觸法測試探頭聲學(xué)性能的。其用半圓階梯試塊(HS試塊)和橫孔試塊(SDH試塊)測試探頭在固體內(nèi)的聲學(xué)性能。探頭在固體中的聲學(xué)性能用聲束輪廓和幅度分布圖來表示。圖5為接觸式探頭聲場特性的測試試塊尺寸示意，圖5(b)中的SDH表示對應(yīng)的橫孔，如SDH2表示第二個橫孔。

圖5 接觸式探頭聲場特性的測試試塊尺寸

圖6 直探頭的聲束輪廓和幅度分布

直探頭和聚焦直探頭的聲學(xué)性能測試均在SDH試塊上進行。圖6為直探頭的聲束輪廓和幅度分布。如圖6所示，在接觸式直探頭的聲束輪廓和幅度分布曲線中，可用近場區(qū)和遠場區(qū)來表征直探頭聲學(xué)性能，近場聲壓比較復(fù)雜，遠場聲壓隨距離的增大而減小。類似，接觸式聚焦直探頭的聲束輪廓和幅度分布曲線可用來表征聚焦直探頭的聲學(xué)性能。通過分布曲線可獲得焦距、焦柱長度和焦區(qū)寬度等參數(shù)，最大峰值處是焦點，焦距是焦點至檢測面的距離，焦柱長度是聲軸方向上焦點前后的兩個-6 dB點的距離，焦區(qū)寬度是垂直平面內(nèi)兩個-6 dB點的距離。直探頭的表征參數(shù)可以通過在試塊上測試做出圖6來獲得。

直探頭與斜探頭產(chǎn)生的都是縱波。斜探頭是以一定的角度入射到材料中的，產(chǎn)生折射縱波、折射橫波，或同時產(chǎn)生這兩種折射波。因為折射至材料內(nèi)部波形的區(qū)別，斜探頭的聲場特性測試分為縱截面輪廓和幅度分布以及橫截面輪廓和聲軸上的幅度分布。縱截面輪廓聲場特性在SDH試塊上測試，橫截面輪廓聲場特性適合在HS試塊上測試。聚焦斜探頭測試類似于普通斜探頭。

表征聚焦斜探頭聲束的參數(shù)有：縱截面焦距，縱截面焦柱長度和縱截面焦區(qū)寬度。

3.3 水聽器法

ASTM E1065(08):2014標(biāo)準(zhǔn)中通過水聽器法及其他方法測試探頭聲場特性參數(shù)。以水聽器法為例，平探頭聲學(xué)性能的測試參數(shù)有近場長度、聲束直徑和聲束擴散角；聚焦探頭聲學(xué)性能的測試參數(shù)有焦距、聲束直徑、聲束擴散角和場深等。水聽器法的測試裝置框圖如圖7所示，主要儀器設(shè)備有信號發(fā)生器、水聽器、數(shù)字示波器以及滿足自由度調(diào)節(jié)的水槽等。

圖7 探頭聲場特性的水聽器法測試裝置框圖

(1) 聲束直徑

聲束直徑的測試是通過自由度調(diào)節(jié)機構(gòu)帶動水聽器對探頭的輻射聲場進行垂直于聲軸方向的橫向剖面掃描，從而得到聲壓場的二維圖來實現(xiàn)的。然后，在二維圖中找到聲壓場最大點，在最大點范圍內(nèi)找出幅度比最大點位置下降3 dB或6 dB的數(shù)據(jù)點的封閉曲線，通過數(shù)據(jù)擬合得到規(guī)則的圓，該圓的直徑便是聲束直徑。

(2) 近場長度

近場長度的測試是通過自由度調(diào)節(jié)機制帶動水聽器對探頭的輻射聲場進行沿聲軸方向的縱向剖面掃描，得到沿聲軸方向的聲壓場分布數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行分析得到的。

(3) 聲束擴散角

聲束擴散角可通過探頭在聲軸上聲壓分布圖計算得到：在遠場區(qū)選擇位置A和C，如圖8所示[圖中d為晶片尺寸；θ為聲束擴散角；φ為半擴散角；zA，zC分別為聲軸上A、C兩點距換能器表面的距離(zC>zA)；W為zC處-3 dB聲束直徑比zA位置處-3 dB聲束直徑增加值的一半]，通過計算得到A和C處-3 dB的聲束直徑。

圖8 聲束擴散角計算示意

考慮A，C點間的距離，利用式(9)可以得到聲束擴散角

(9)

(4) 聚焦探頭焦距和場深

聚焦探頭的聲學(xué)性能參數(shù)除了以上的聲束直徑和聲束擴散角，還需用焦距和場深(焦柱長度)表征。通過測試沿聲軸方向的聲壓場數(shù)據(jù)，得到聲軸上聲壓場的分布，可獲得焦距和場深(焦柱長度)。圖9為聚焦探頭聲軸上聲壓分布及近場長度的測量示意。

圖9 聚焦探頭聲軸上聲壓分布及近場長度的測量示意

4 結(jié)語

(1) 探頭性能的測試可以用使用特性和聲學(xué)性能來表示，檢測人員應(yīng)根據(jù)檢測使用的需求，購買和選擇滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的探頭。

(2) 超聲探頭性能直接影響超聲檢測系統(tǒng)的最后檢測結(jié)果，好的探頭在使用特性和聲學(xué)性能方面均有優(yōu)異的表現(xiàn)，對檢測結(jié)果有積極影響。同時，超聲探頭在檢測過程中又屬易耗品，容易出現(xiàn)磨損等物理損傷，影響聲學(xué)性能，導(dǎo)致檢測結(jié)果產(chǎn)生偏差。