線聚焦探頭的聲反射特性和檢測應(yīng)用的研究

段建剛，熊 瑛

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件、葉片等零件常用中小直徑棒材（φ8～φ58）進(jìn)行加工制造，棒材的缺陷檢測成為保證結(jié)構(gòu)件、葉片等零件加工和使用質(zhì)量的主要手段[1-3]；小直徑棒材為曲界面入射，目前國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司多采用水浸線聚焦超聲檢測方法對小直徑棒材進(jìn)行缺陷檢測，而棒材直徑>φ58 時(shí)接近平界面入射，可采用點(diǎn)聚焦超聲檢測方法，棒材直徑<φ8 時(shí)縱波檢測區(qū)域太小適宜采用其他檢測方法[4]。線聚焦探頭是針對小直徑棒材曲界面入射的一種特殊應(yīng)用，點(diǎn)聚焦探頭是用于平界面入射的工件檢測，點(diǎn)聚焦探頭入射到棒材曲界面圓周方向的聲束進(jìn)入棒材后會(huì)迅速發(fā)散，導(dǎo)致聲束指向性變差，檢測靈敏度和信噪比均低于線聚焦探頭。超聲波從聲透鏡經(jīng)歷折射后進(jìn)入水介質(zhì)[5]，然后入射到水-金屬圓柱界面進(jìn)入棒材，期間聲束發(fā)生了多次變化[6-7]，探頭選擇和使用不當(dāng)會(huì)造成檢測靈敏度和信噪比降低，特別是檢測鈦合金棒材時(shí)容易引起雜波升高造成誤判。目前，有關(guān)點(diǎn)聚焦探頭在平面工件的檢測研究[8-9]，可參考進(jìn)行平面工件水浸超聲聚焦檢測時(shí)探頭的選擇和使用；有關(guān)點(diǎn)聚焦探頭在球體工件上的檢測研究[10]，可參考進(jìn)行球體工件水浸超聲聚焦檢測時(shí)探頭的選擇和使用；但未開展線聚焦探頭在圓柱體工件（棒材）的相關(guān)研究，因此開展線聚焦探頭在圓柱體工件中的研究對中小直徑棒材水浸超聲檢測時(shí)探頭的選擇和使用具有重要意義。

針對上述問題，本研究對線聚焦探頭聲場不同區(qū)域的聲束反射特性和棒材中聲束指向性等影響檢測靈敏度和信噪比的因素展開研究。

線聚焦探頭聲反射特性測量方法的確定

線聚焦探頭的聲反射特性與x、y和z3 個(gè)方向有關(guān)，綜合考慮測量反射體足夠小和直度的情況下選擇φ1.5mm 鋼棒作為測量反射體，以焦距F處y和z兩個(gè)方向的聲反射特性測量進(jìn)行測量方法示意，如圖1所示，其中晶片長度L、寬度d，聲透鏡為圓柱面，可分別測量聲束的（-2dB）寬度、（-3dB）寬度和（-6dB）寬度；由于（-6dB）寬度測量時(shí)反射波幅降低50%，試驗(yàn)可操作性更強(qiáng)，測量結(jié)果更準(zhǔn)確，故測量時(shí)選擇（-6dB）寬度。

圖1 測量示意圖Fig.1 Sketch map of measurement

x與y方向是線聚焦探頭聚焦特性的主要方向，決定棒材中聲能的分布情況，進(jìn)而影響檢測靈敏度，而z方向決定探頭在棒材軸線上的螺距設(shè)置，如圖2所示（其中S為螺距），故研究線聚焦探頭檢測靈敏度應(yīng)對探頭x與y方向的聲反射特性進(jìn)行測量。

圖2 線聚焦探頭z 方向?qū)Π舨臋z查的影響Fig.2 Effect of z-direction of line focusing probe on bar inspection

通過測量線聚焦探頭聚焦特性主方向x與y方向的聲反射特性，可得出水距變化時(shí)探頭聚焦聲束中心方向上的聲能變化情況和聚焦聲束分布情況，測量方法如圖3所示，在水中采用1.5mm 小直徑鋼棒測量x與y方向的聲反射特性，測量時(shí)應(yīng)保證線聚焦探頭z方向與小直徑棒材軸線平行，以位置A為例，應(yīng)先測量探頭聚焦聲束中心OF方向（x方向）位置A處的反射波幅，再分別測量位置A對應(yīng)的A（y+-6dB）與A（y--6dB）的寬度（y方向），完成測量后沿聚焦聲束中心OF方向移動(dòng)到位置B進(jìn)行測量，改變水距從盲區(qū)外可測量的第1 位置測起，測過焦距F后直至x方向的波幅降至與第1 位置的波幅相等。

不同焦距線聚焦探頭的聲反射特性測量

選擇焦距分別為25mm、35mm、45mm 和50mm 的線聚焦探頭，用棒材工裝固定φ1.5 鋼棒，φ1.5 鋼棒軸線沿自動(dòng)檢測時(shí)棒材前進(jìn)的方向（z方向），線聚焦探頭的頻率為10MHz，測量試驗(yàn)中儀器參數(shù)固定。以焦距為25mm 的探頭為例給出焦距F處的測量結(jié)果，聚焦聲束中心OF方向（x方向）的測量狀態(tài)和對應(yīng)的儀器測量波形界面如圖4所示；焦距F處y方向的測量狀態(tài)和對應(yīng)的儀器測量波形界面如圖5所示。

圖4 x 方向的測量狀態(tài)和對應(yīng)的測量波形Fig.4 Measurement status and measurement waveform of x direction

圖5 y 方向的測量狀態(tài)和對應(yīng)的測量波形Fig.5 Measurement status and measurement waveform of y direction

按照上述方法完成焦距分別為25mm、35mm、45mm 和50mm 的線聚焦探頭的聲反射特性測量，得出探頭聲束中心反射波幅隨探頭與反射體距離（水距）的變化（圖6）和形成不同焦距線聚焦探頭在水中的聲束變化（圖7），結(jié)合圖6 和7 可以確定焦距25mm 探頭的聚焦區(qū)為23～29mm；焦距35mm 探頭的聚焦區(qū)為32～38mm；焦距45mm 探頭的聚焦區(qū)為40～49mm；焦距50mm 探頭的聚焦區(qū)為45～54mm。得出焦距25mm、35mm、45mm 和50mm 探頭分別對應(yīng)的近場區(qū)、線性區(qū)1 和線性區(qū)2，如圖8所示。

通過對圖6～8 進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

（1）從圖6 可以看出線聚焦探頭近場區(qū)附近聲束中心能量較弱，從圖7 和8 可以看出線聚焦探頭近場區(qū)附近聲束寬，與帶有曲率的棒材耦合后聲束易發(fā)散，會(huì)導(dǎo)致棒材中傳播的聲束指向性變差。

圖6 波幅隨水距的變化Fig.6 Variation of wave amplitude with water distance

圖7 聲束變化Fig.7 Variation of sound beam

（2）線性區(qū)1 的特點(diǎn)是隨水距增加，對應(yīng)的聲束中心能量逐漸變大直至焦距處，對應(yīng)的聲束寬度逐漸變小，聲束指向性逐漸變好；線性區(qū)2的特點(diǎn)是隨水距增加，對應(yīng)的聲束中心能量從焦距處逐漸變小直至與探頭初始水距處相等，對應(yīng)的聲束寬度逐漸變大，聲束指向性逐漸變差。

（3）線聚焦探頭聚焦區(qū)長度有限，其中焦距25mm 的探頭為6mm；焦距35mm 的探頭為6mm；焦距45mm 的探頭為9mm；焦距50mm 的探頭為9mm。探頭聚焦區(qū)位于線性區(qū)1 和線性區(qū)2 之內(nèi)，當(dāng)水距滿足棒材一次底波位于二次界面波之前時(shí)，探頭聚焦區(qū)以外的線性區(qū)1 和線性區(qū)2 會(huì)影響棒材直徑方向上的聲束能量分布，棒材直徑方向的檢測區(qū)域不宜超過線性區(qū)2。

（4）根據(jù)界面波盲區(qū)大小、底面縱向分辨率、自動(dòng)檢測閘門隨動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，GE 標(biāo)準(zhǔn)中φ8 ～φ50 棒材的檢測區(qū)域?yàn)橹睆椒较?mm ～D-3mm，如圖9所示，當(dāng)探頭水距滿足棒材一次底波位于二次界面波之前時(shí)，水距x不小于0.25D，棒材直徑方向D- 3mm 處不超過線性區(qū)2 時(shí)，結(jié)合圖8 可以得出，焦距25mm 探頭的可檢測棒材直徑范圍為φ8 ～φ36；焦距35mm 探頭的可檢測棒材直徑范圍為φ8 ～φ42；焦距45mm 探頭的可檢測棒材直徑范圍為φ8 ～φ55；焦距50mm 探頭的可檢測棒材直徑范圍為φ8 ～φ58。

圖8 不同焦距對應(yīng)的近場區(qū)、線性區(qū)1 和線性區(qū)2Fig.8 Near field region,linear region 1 and linear region 2 corresponding to different focal

圖9 棒材檢測區(qū)域示意圖Fig.9 Sketch map of bar detection area

棒材檢測靈敏度的確定

線聚焦探頭檢測棒材時(shí)，檢測區(qū)域?yàn)榘舨闹睆椒较?mm～D-3mm，對比樣件如圖10所示，包含埋深為3mm、0.5、D-3mm 的平底孔，檢測時(shí)應(yīng)以其中靈敏度最低的平底孔用于檢測靈敏度的確定。

圖10 對比樣件示意圖Fig.10 Sketch map of contrast sample

不同的水距會(huì)帶來聲束在棒材中的變化，導(dǎo)致探頭線性區(qū)1 和線性區(qū)2 在棒材中的分布情況出現(xiàn)差異，這種差異引起了棒材直徑方向上靈敏度分布的差異，其中探頭線性區(qū)1中靠近探頭近場區(qū)遠(yuǎn)離聚焦區(qū)的區(qū)域和探頭線性區(qū)2 中遠(yuǎn)離探頭聚焦區(qū)的區(qū)域靈敏度較低，以焦距45mm的探頭為例說明，如圖11所示。

圖11 焦距45mm 探頭聲束中心波幅變化Fig.11 Variation of center wave amplitude of focal 45mm probe

以棒材直徑方向上0.5D處的最高靈敏度對應(yīng)的水距作為基準(zhǔn)水距，基準(zhǔn)水距變大變小會(huì)帶來聲束變化（圖12），據(jù)此采用焦距為45mm 的線聚焦探頭對φ47GH4169 棒材樣件進(jìn)行試驗(yàn)，樣件上帶有埋深3mm、23.5mm、44mm 的φ1.2mm 平底孔，按照基準(zhǔn)水距（19mm）、基準(zhǔn)水距變大（22mm）、基準(zhǔn)水距變?。?6mm）3種情況對樣件上平底孔進(jìn)行檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，據(jù)此得出3 種情況下棒材檢測區(qū)域中的靈敏度分布及對應(yīng)探頭的聲束中心波幅變化情況如圖14所示。

圖12 水距變化時(shí)棒材中的聲束變化Fig.12 Variation of sound beam in bar during water distance change

圖13 樣件平底孔檢測試驗(yàn)Fig.13 Test of sample flat bottom hole

從圖14 可以得出棒材檢測區(qū)域中的靈敏度分布與棒材檢測區(qū)域處在探頭線性區(qū)1 和線性區(qū)2 的位置有關(guān)，基準(zhǔn)水距、基準(zhǔn)水距變大、基準(zhǔn)水距變小3 種情況下均為棒材檢測區(qū)域上埋深為D-3mm 的平底孔靈敏度最低，故應(yīng)以埋深為D-3mm 的平底孔確定棒材檢測靈敏度，檢測時(shí)應(yīng)找到埋深為D-3mm 的平底孔的最高反射波幅。

圖14 靈敏度分布及對應(yīng)探頭的聲束中心波幅變化Fig.14 Sensitivity distribution and amplitude change of sound beam center corresponding to probe

聲波往復(fù)透射率和聲束指向性的表征

線聚焦探頭檢測棒材時(shí)的界面分為3 個(gè)，其中包括探頭環(huán)氧樹脂與水形成的界面（界面1）、水與棒材前表面形成的界面（界面2）和棒材后表面與水形成的界面（界面3），一定聲壓P0的超聲波從壓電晶片傳出后需要經(jīng)過兩個(gè)界面后進(jìn)入棒材中，如圖15所示，其中Pt為從壓電晶片直接傳入環(huán)氧樹脂中的超聲波，Pr為Pt在環(huán)氧樹脂與水形成的界面上的反射波，Pt1為Pt在環(huán)氧樹脂與水形成的界面上的透射波，Pr1為Pt1在水與棒材前表面形成的界面上的反射波，Pt2為Pt1在水與棒材前表面形成的界面上的透射波，Pr2為Pt2在棒材后表面與水形成的界面上的反射波。界面2 處的聲波往復(fù)透射率和棒材中透射波Pt2的聲束指向性決定著棒材檢測區(qū)域的靈敏度分布，而通過改變界面1 與界面2 的距離（水距），會(huì)改變界面2 處的聲波往復(fù)透射率和棒材中透射波Pt2的聲束指向性，而界面3 處的反射波Pr2可表征界面2處的聲波往復(fù)透射率和棒材中透射波Pt2的聲束指向性，對應(yīng)超聲檢測儀器界面的波形如圖16所示，儀器反射波Pr2波幅越大，界面2 處的聲波往復(fù)透射率越高，棒材中透射波Pt2的聲束指向性越好，靠近界面3處的檢測靈敏度越高，對應(yīng)的可找到埋深為D-3mm 的平底孔的最高反射波幅。

圖15 超聲波傳播示意圖Fig.15 Sketch map of ultrasonic propagation

圖16 儀器界面波形Fig.16 Waveform of instrument interface

選擇焦距為25mm、35mm、45mm和50mm 的線聚焦探頭對φ18TC4棒材進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中固定探頭激勵(lì)電壓400V、阻尼50Ohm、增益32dB，固定棒材與水的界面，改變水距記錄Pr1和Pr2的反射波幅，得出焦距為25mm、35mm、45mm 和50mm，探頭水距變化時(shí)Pr1和Pr2的變化規(guī)律如圖17所示，其中Ⅰ區(qū)為近場區(qū)附近對應(yīng)的水距范圍，Ⅱ區(qū)為聲波往復(fù)透射率高和聲束指向性好時(shí)對應(yīng)的水距范圍。

從圖17 可以得出焦距25mm、35mm、45mm 和50mm 的探頭近場區(qū)附近對應(yīng)的水距范圍分別為

圖17 不同焦距探頭Pr1 和Pr2 的變化規(guī)律Fig.17 Variation of Pr1 and Pr2 of different focal length probes

6～10mm、6～13mm、6～17mm、6～18mm，聲波往復(fù)透射率和聲束指向性好時(shí)對應(yīng)的水距范圍分別為12～17mm、

21～25mm、28～35mm、34～40mm，對φ18TC4 棒材上埋深為15mm 的φ1.2 平底孔在聲波往復(fù)透射率高和聲束指向性好時(shí)對應(yīng)的水距范圍進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中固定探頭激勵(lì)電壓400V、阻尼50Ohm、增益63dB，找到各個(gè)水距對應(yīng)的平底孔最大反射波幅，給出焦距25mm 的探頭試驗(yàn)結(jié)果（圖18），其余焦距35mm、45mm 和50mm 的探頭試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results

圖18 焦距25mm 的探頭試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 Test results of probe with focal length of 25mm

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，探頭焦距落在棒材軸線并不是最優(yōu)的聲波往復(fù)透射率和聲束指向性上，但接近最優(yōu)的聲波往復(fù)透射率和聲束指向性，因此得出用于確定棒材檢測靈敏度平底孔的最高反射波幅對應(yīng)水距的方法為：應(yīng)先使探頭焦距落在棒材中心，再微調(diào)水距找到埋深為D-3mm的平底孔的最高反射波幅。

線聚焦探頭可檢測棒材直徑范圍的驗(yàn)證

按照埋深為D-3mm 的平底孔的最高反射波幅的確定方法，根據(jù)焦距25mm、35mm、45mm 和50mm的探頭分別對應(yīng)的可檢測棒材直徑范圍φ8 ～φ36、φ8～φ42、φ8～φ55、φ8～φ58，對φ8、φ12、φ25、φ35、φ40、φ46 和φ54 TC4 棒材樣件進(jìn)行檢測試驗(yàn)，得出試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）以φ40 TC4 棒材為例，焦距25mm、35mm、45mm 和50mm 的檢測靈敏度依次為：78dB、63dB、64dB 和65dB，由于φ40 超出了焦距25mm探頭的可檢測直徑范圍φ8～φ36，如圖19所示，導(dǎo)致檢測靈敏度偏低，檢測區(qū)域整體雜波水平升高，局部出現(xiàn)雜波誤報(bào)。

圖19 φ40 TC4Fig.19 φ40 TC4

（2）以φ46 TC4 棒材為例，焦距25mm、35mm、45mm 和50mm 的檢測靈敏度依次為：80.5dB、73dB、64dB和65dB，由于φ46 超出了焦距25mm探頭的可檢測直徑范圍φ8 ～φ36、焦距35mm 探頭的可檢測棒材直徑范圍為φ8 ～φ42，如圖20所示，導(dǎo)致檢測靈敏度偏低，檢測區(qū)域整體雜波水平升高，局部出現(xiàn)雜波誤報(bào)。

圖20 φ46 TC4Fig.20 φ46 TC4

（3）以φ54TC4 棒材為例，焦距25mm、35mm、45mm、50mm 的檢測靈敏度依次為：84dB、81dB、66.5 dB 和66.5dB，由于φ54 超出了焦距25mm 探頭的可檢測直徑范圍φ8 ～φ36、焦距35mm 探頭的可檢測棒材直徑范圍為φ8 ～φ42，如圖21所示，導(dǎo)致檢測靈敏度偏低，檢測區(qū)域整體雜波水平升高，局部出現(xiàn)雜波誤報(bào)。

圖21 φ54 TC4Fig.21 φ54 TC4

結(jié)論

（1）探頭的檢測報(bào)告僅給出焦距的試驗(yàn)測量結(jié)果，工業(yè)應(yīng)用中工廠無法根據(jù)實(shí)際需要檢測的棒材直徑范圍進(jìn)行探頭的選擇，本研究給出的線聚焦探頭的聲反射特性測量和表征方法，既可確定不同焦距線聚焦探頭的可檢測棒材直徑范圍，規(guī)范現(xiàn)場應(yīng)用，也可根據(jù)需要檢測的棒材直徑范圍采購合適的探頭，降低生產(chǎn)成本。

（2）通過對不同焦距線聚焦探頭在棒材中聲束指向性的測量，得出探頭最高檢測靈敏度對應(yīng)的水距應(yīng)使埋深為D-3mm 的平底孔反射波幅為最高，對應(yīng)水距的調(diào)節(jié)方法為：應(yīng)先使探頭焦距落在棒材中心，再微調(diào)水距找到埋深為D-3mm 的平底孔的最高反射波幅。水距的調(diào)節(jié)在線聚焦探頭檢測棒材的工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要，本文給出的水距調(diào)節(jié)方法具有呈現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)論、操作快速（兼顧效率）和現(xiàn)場防錯(cuò)的作用，探頭焦距落在棒材中心并不是最優(yōu)的聲波往復(fù)透射率和聲束指向性，但是接近最優(yōu)的聲波往復(fù)透射率和聲束指向性，這樣操作人員容易快速地完成調(diào)節(jié)，現(xiàn)場形成簡單快速一致的使用方法，即使忘記微調(diào)也不至于給檢測結(jié)果帶來大的影響，既提高了生產(chǎn)效率也保證了檢測質(zhì)量一致性。