不同激活孔徑和聚焦深度對(duì)相控陣超聲橫波檢測(cè)靈敏度的影響

宋雙官，于長(zhǎng)樂(lè)，李 琪，廖兵兵，田 利，楊娟莉

(1.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司，上海 201518;2.陜西恩埃姆檢測(cè)技術(shù)有限公司，西安 710075)

相控陣超聲系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整陣列中不同晶片的激發(fā)時(shí)間延遲，來(lái)控制聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。其對(duì)偏轉(zhuǎn)的控制是通過(guò)控制激發(fā)晶片組的位置或調(diào)節(jié)組內(nèi)激發(fā)晶片的延遲時(shí)間進(jìn)行的，通過(guò)控制偏轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)線(xiàn)掃，扇掃等不同的掃查方式；對(duì)聚焦的控制主要是通過(guò)調(diào)整組內(nèi)激發(fā)晶片的延遲時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。超聲波的焦點(diǎn)并非一個(gè)點(diǎn)，而是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)都擁有較高的能量，這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為聚焦區(qū)。因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域在聲束擴(kuò)散方向上較窄，而在超聲波傳播方向上較長(zhǎng)，接近圓柱形，所以聚焦區(qū)也被稱(chēng)為焦柱。焦柱結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中ZB為焦柱起點(diǎn)；FZ為聚焦區(qū)；ZE為焦柱終點(diǎn)；D為晶片直徑。有研究表明，焦距越接近近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，該區(qū)域聲場(chǎng)能量越均勻，其聚焦效果越差。

圖1 焦柱結(jié)構(gòu)示意

在實(shí)際工作中，先根據(jù)待檢測(cè)之后工件的情況和可能產(chǎn)生的缺陷確定檢測(cè)方法，再選擇合適的探頭并設(shè)置正確的焦點(diǎn)是制定檢測(cè)工藝的重要環(huán)節(jié)。因此，選擇的激活孔徑和焦點(diǎn)位置是否能保證檢測(cè)系統(tǒng)在所關(guān)注的區(qū)域內(nèi)擁有足夠的靈敏度，是重要的步驟。

現(xiàn)在的相控陣超聲設(shè)備都具有TCG(時(shí)間校正增益)補(bǔ)償功能，可將不同深度的靈敏度補(bǔ)償一致，但是一方面補(bǔ)償?shù)目傇鲆媸怯邢薜?；另一方面在靈敏度較低的區(qū)域進(jìn)行增益補(bǔ)償，提高缺陷信號(hào)波幅的同時(shí)也會(huì)提高噪聲信號(hào)波幅，并不能改善信噪比。因此為了優(yōu)化檢測(cè)工藝，提高缺陷檢出率，還是應(yīng)該對(duì)整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的靈敏度情況有所了解。因此筆者通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了不同激活孔徑和聚焦深度下，不同深度橫通孔在55°橫波下的檢測(cè)靈敏度，探究這些因素對(duì)相控陣超聲橫波檢測(cè)靈敏度的影響。

1 研究背景

相控陣超聲檢測(cè)時(shí)聚焦深度及激活孔徑對(duì)檢測(cè)靈敏度影響的相關(guān)研究更多集中在縱波方面。不同偏轉(zhuǎn)角度下的聲場(chǎng)分布如圖2所示，相控陣超聲縱波檢測(cè)不同偏轉(zhuǎn)角度下聲壓與聲程的關(guān)系如圖3所示[1]。

圖2 不同偏轉(zhuǎn)角度下的聲場(chǎng)分布

圖3 相控陣縱波檢測(cè)中不同偏轉(zhuǎn)角度下聲壓與聲程的關(guān)系

也有學(xué)者研究了相控陣超聲橫波檢測(cè)中聲束聚焦對(duì)檢測(cè)的影響。圖4所示為5L64-A12探頭在使用SA12-N55S楔塊時(shí)，45°折射橫波在不同深度聚焦時(shí)的靈敏度仿真結(jié)果[2]。但該研究主要集中在定位和測(cè)量缺陷尺寸方面，并未對(duì)不同孔徑和聚焦深度下檢測(cè)的絕對(duì)靈敏度進(jìn)行比較，因此筆者在這個(gè)方面進(jìn)行了嘗試。

圖4 相控陣超聲橫波檢測(cè)靈敏度仿真結(jié)果

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

(1) 主機(jī)：奧林巴斯OmniScan X3 32128PR型。

(2) 使用了如下兩個(gè)A32探頭：① 型號(hào)為5L64-A32，頻率為5 MHz，64晶片，晶片中心距為0.5 mm，次軸方向長(zhǎng)度為10 mm；② 型號(hào)為5L32-A32，頻率為5 MHz，32晶片，晶片中心距為1 mm，次軸方向長(zhǎng)度為10 mm。

(3) 楔塊：SA32-N55S楔塊。

(4) 試塊：CSK-IIA-3試塊，目標(biāo)反射體為不同深度的φ2 mm×60 mm長(zhǎng)橫孔。

(5) 耦合劑：機(jī)油用于楔塊與工件的耦合，凡士林用于探頭和楔塊的耦合。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

采用8,16,32 mm等3種激活孔徑進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

試驗(yàn)分為3組，第一組試驗(yàn)分別采用8 mm×1 mm和16 mm×0.5 mm激活設(shè)置，激活孔徑均為8 mm；第二組試驗(yàn)分別采用16 mm×1 mm和32 mm×0.5 mm激活設(shè)置，激活孔徑均為16 mm；第三組試驗(yàn)采用32 mm×1 mm激活設(shè)置，激活孔徑為32 mm。

為了避免不同孔徑尺寸的聲束在楔塊內(nèi)傳播的聲程變化，所有組的激活孔徑均以探頭中心為中心對(duì)稱(chēng)分布，如8 mm×1 mm的激活孔徑是激發(fā)5L32-A32探頭的1320號(hào)晶片，16 mm×0.5 mm的激活孔徑是激發(fā)5L64-A32探頭的2540號(hào)晶片。

通常的橫波檢測(cè)是有角度范圍的扇形掃查，不同角度的聚焦效果、靈敏度等也有差異，不便于直接比較。試驗(yàn)使用的是自然折射角為55°橫波的楔塊，因此測(cè)量的是無(wú)需電子偏轉(zhuǎn)的55°橫波下的靈敏度。同時(shí)為了避免不同楔塊磨損程度不同等因素帶來(lái)的靈敏度差異，兩個(gè)探頭使用了同一個(gè)楔塊。

第一組激活孔徑尺寸較小，分別聚焦在10，20，40 mm深處，檢測(cè)1，20，40，60，90 mm深的目標(biāo)反射體。

后兩組激活孔徑尺寸較大，分別聚焦在20，40，60，90，130，180 mm深處，檢測(cè)10，20，40，60，90，130，180 mm深處的目標(biāo)反射體。

將每個(gè)目標(biāo)反射體回波調(diào)整至滿(mǎn)屏高度的80%，記錄增益并以此作為檢測(cè)靈敏度。每個(gè)點(diǎn)測(cè)試3次，求其平均值作為該點(diǎn)的靈敏度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 近場(chǎng)區(qū)計(jì)算

盡管筆者在設(shè)置聚焦深度時(shí)并未考慮近場(chǎng)區(qū)的問(wèn)題，但近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度對(duì)分析實(shí)際測(cè)定的數(shù)據(jù)仍有很大意義，因此首先進(jìn)行了近場(chǎng)長(zhǎng)度及深度計(jì)算。在不使用電子偏轉(zhuǎn)條件下，可使用常規(guī)超聲橫波斜探頭對(duì)第二介質(zhì)中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算[3]，如式(1)

(1)

L1需要根據(jù)楔塊參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樵囼?yàn)中所有激發(fā)方式均相對(duì)探頭中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，所以只需要計(jì)算探頭中心處距聲束入射點(diǎn)的距離L1，其計(jì)算公式為

(2)

式中：H1為楔塊上第一晶片高度；A為探頭的總激活孔徑。

DN=·cosβ

(3)

經(jīng)計(jì)算，3組不同激活孔徑下鋼中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度及深度如表1所示。

表1 3組不同激活孔徑下鋼中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度及深度 mm

3.2 相同激活孔徑下聚焦深度對(duì)靈敏度的影響

圖5為第一組8 mm激活孔徑下，檢測(cè)靈敏度與聚焦深度的關(guān)系；圖6為第二組16 mm激活孔徑下，檢測(cè)靈敏度與聚焦深度的關(guān)系；圖7為第三組32 mm激活孔徑下，檢測(cè)靈敏度與聚焦深度的關(guān)系。圖57中點(diǎn)的高度越高，代表該點(diǎn)達(dá)到80%高度時(shí)所需增益越大，檢測(cè)靈敏度越低。

圖5 8 mm激活孔徑下檢測(cè)靈敏度與聚焦深度的關(guān)系

圖6 16 mm激活孔徑下檢測(cè)靈敏度與聚焦深度的關(guān)系

圖7 32 mm激活孔徑下檢測(cè)靈敏度與聚焦深度的關(guān)系

第一組試驗(yàn)中5L32探頭在不同聚焦深度設(shè)置下的靈敏度曲線(xiàn)幾乎完全重合，5L64探頭也是如此，同時(shí)兩幅圖中曲線(xiàn)形狀幾乎完全相同，只是圖5(b)的數(shù)據(jù)比圖5(a)的數(shù)據(jù)整體高了大約10 dB。曲線(xiàn)幾乎重合是因?yàn)楫?dāng)激活孔徑只有8 mm時(shí)，理論上鋼中55°的近場(chǎng)區(qū)深度只有8.7 mm，聚焦深度無(wú)論設(shè)置為10，20 mm還是40 mm，聲束均為非聚焦?fàn)顟B(tài)，其聲場(chǎng)實(shí)際上是相同的，所以曲線(xiàn)形狀相同。兩組曲線(xiàn)高度有差異是由于在相同激活孔徑下，晶片數(shù)多的探頭，晶片間隙更多，實(shí)際的晶片面積占比更小，造成激發(fā)能量下降，產(chǎn)生了靈敏度的差異。

第二組試驗(yàn)中，圖6(a)，(b)兩幅圖的情況與第一組試驗(yàn)相似，同聚焦深度的曲線(xiàn)在圖6(a)中比圖6(b)中低大約10 dB，即相同激活孔徑下晶片數(shù)越多，檢測(cè)靈敏度越低。

由于該組既有近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聚焦也有近場(chǎng)區(qū)外聚焦，故可以對(duì)比聚焦對(duì)靈敏度帶來(lái)的影響。以圖6(a)為例，當(dāng)聚焦點(diǎn)在20 mm深處時(shí)，孔深10 mm處的增益比20 mm處的更低，意味著其靈敏度比20 mm處更高。造成這種現(xiàn)象的一種可能原因是近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聲束能量較為均勻，聚焦帶來(lái)的靈敏度增加并不明顯，同時(shí)由于10 mm處聲程近，衰減小，因而波幅反而高于焦點(diǎn)處的。除了聚焦20 mm外，其他所有聚焦深度中均是20 mm孔深處?kù)`敏度最高。其原因如表1所示，激活孔徑為16 mm時(shí)，近場(chǎng)區(qū)終點(diǎn)深度為24.7 mm，意味著未聚焦的聲束在深24.7 mm處聲壓達(dá)到最大值，因此當(dāng)聚焦設(shè)置在近場(chǎng)區(qū)之外時(shí)，深度為20 mm的孔附近靈敏度最高。

另一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，聚焦在20 mm的聲束在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的靈敏度明顯低于其他聲束，而且曲線(xiàn)傾斜程度更大。也就是說(shuō)，當(dāng)聚焦在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)時(shí)，焦點(diǎn)附近可以獲得更高的靈敏度，但是在越過(guò)焦點(diǎn)之后，聲束的能量降低得也更快。

第三組只有激活孔徑為32 mm×1 mm的一組數(shù)據(jù)，可以看到，由于激活孔徑增大，該組的聚焦效果更加明顯，當(dāng)聚焦深度為20 mm時(shí)，孔深20 mm處的檢測(cè)靈敏度較同曲線(xiàn)其他孔深及不同聚焦深度的20 mm孔深處的檢測(cè)靈敏度都有了10 dB以上的顯著提升，同時(shí)可以看出，聚焦40 mm深處時(shí)，孔深40 mm處的檢測(cè)靈敏度也顯著優(yōu)于同曲線(xiàn)的其他孔及其他聚焦深度的40 mm孔深處的靈敏度。

該組近場(chǎng)區(qū)深度為56.9 mm，因而聚焦在60 mm以上的聲束在60 mm以外區(qū)域曲線(xiàn)逐漸重合，而聚焦在20，40，60 mm處的曲線(xiàn)在越過(guò)各自焦點(diǎn)后，其靈敏度也快速下降。與圖6的情況類(lèi)似，當(dāng)聚焦在近場(chǎng)區(qū)以?xún)?nèi)時(shí)，聲束在越過(guò)焦點(diǎn)之后快速衰減，焦距越小越過(guò)焦點(diǎn)后的靈敏度越差。

值得注意的是，如圖7所示，當(dāng)聲束處于未聚焦?fàn)顟B(tài)時(shí)，其靈敏度在整個(gè)深度范圍內(nèi)更均勻，意味著在檢測(cè)大厚度工件時(shí)，將聲束設(shè)置為未聚焦?fàn)顟B(tài)時(shí)可以在更大范圍內(nèi)得到較為均勻的靈敏度。

然而，當(dāng)聚焦深度為90，130,180 mm時(shí)，按照理論計(jì)算結(jié)果，其聚焦深度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)近場(chǎng)區(qū)深度，聲束應(yīng)該都是非聚焦?fàn)顟B(tài)，這3條曲線(xiàn)應(yīng)該是完全重合的，但3條曲線(xiàn)在差異最大的地方(60 mm深度處)，增益相差了4.7 dB，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了檢測(cè)數(shù)據(jù)的誤差范圍，但該現(xiàn)象尚未找到有效的解釋。

通過(guò)對(duì)這3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1) 觀察近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聲場(chǎng)的能量變化,發(fā)現(xiàn)同常規(guī)超聲一樣，實(shí)測(cè)的相控陣聲場(chǎng)并沒(méi)有多個(gè)能量極大值，而是只有一個(gè)極大值或沒(méi)有極大值。出現(xiàn)極大值分為兩種情況:當(dāng)聚焦在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)時(shí)，能量極大值位于焦點(diǎn)附近;當(dāng)聚焦在近場(chǎng)區(qū)外時(shí)，能量極大值位于近場(chǎng)區(qū)附近。也可能由于焦距接近近場(chǎng)區(qū)，整個(gè)焦距范圍內(nèi)聲束能量較為均勻，聚焦帶來(lái)的焦點(diǎn)處能量增加并不明顯，同時(shí)衰減的影響超過(guò)聚焦的影響，使整個(gè)聲束能量呈現(xiàn)單調(diào)遞減的狀態(tài)，如圖7聚焦180 mm曲線(xiàn)及圖6(a)，(b)的聚焦20 mm曲線(xiàn)。

(2) 焦點(diǎn)設(shè)置在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)時(shí)可以有效聚焦，獲得焦點(diǎn)附近的更高靈敏度，但是在越過(guò)焦點(diǎn)之后靈敏度下降速度快于非聚焦?fàn)顟B(tài)下的；焦點(diǎn)設(shè)置在近場(chǎng)區(qū)外時(shí)，聲束為非聚焦?fàn)顟B(tài)，整個(gè)深度范圍內(nèi)靈敏度與焦點(diǎn)設(shè)置的具體位置無(wú)關(guān)。

(3) 從靈敏度角度來(lái)看，聚焦可以提高焦點(diǎn)附近靈敏度，非聚焦聲束的整個(gè)聲場(chǎng)靈敏度較為均勻。

3.3 特定檢測(cè)深度時(shí)激活孔徑及聚焦深度對(duì)靈敏度的影響

實(shí)際工作中還有一種情況，在有明確的關(guān)注深度范圍或已知缺陷的大概埋深時(shí)，為了得到較高檢測(cè)靈敏度，需要選擇合適的激活孔徑和聚焦深度。針對(duì)這種情況，筆者繪制了特定深度時(shí)，激活孔徑和聚焦深度與靈敏度的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖8所示。

圖8 特定深度時(shí)，激活孔徑和聚焦深度與靈敏度的關(guān)系

通過(guò)對(duì)這幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論。

(1) 在激活孔徑尺寸相同的情況下，不同晶片數(shù)的探頭聲場(chǎng)變化趨勢(shì)相同，而晶片數(shù)更少的探頭由于晶片間隙更小，有效晶片面積占比更大，所以靈敏度更高。

(2) 在單個(gè)晶片尺寸相同的情況下，在聲程較長(zhǎng)的區(qū)域，更大的激活孔徑聚焦效果更好，焦點(diǎn)處?kù)`敏度更高，但是在聲程較短的區(qū)域，該結(jié)論不一定成立。

實(shí)際工作中除了靈敏度之外，還應(yīng)關(guān)注其信噪比。相控陣超聲檢測(cè)中的噪聲主要來(lái)自3個(gè)方面：① 儀器電噪聲；② 材料內(nèi)部晶粒噪聲；③ 由柵瓣旁瓣引起的噪聲。其中電噪聲會(huì)隨著增益的增大而增大，晶粒噪聲與缺陷信號(hào)同步起落，柵瓣旁瓣引起的噪聲較為復(fù)雜，其與單個(gè)晶片寬度與波長(zhǎng)的比值有關(guān)，也與偏轉(zhuǎn)角度和焦距有關(guān)。因此，在不考慮柵瓣旁瓣問(wèn)題的情況下，可以認(rèn)為較高的檢測(cè)靈敏度降低了檢測(cè)所需增益，對(duì)信噪比有一定優(yōu)化作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)定3組激活孔徑和不同聚焦深度下，一系列不同深度橫通孔在55°橫波下的檢測(cè)靈敏度，得到以下結(jié)果，聚焦會(huì)提高焦點(diǎn)處的靈敏度，且大多數(shù)情況下有效晶片面積占比越大靈敏度越高，但越過(guò)焦點(diǎn)之后，相比未聚焦?fàn)顟B(tài)，靈敏度會(huì)下降得更快。因此在實(shí)際工作中，針對(duì)不同的檢測(cè)區(qū)域，應(yīng)根據(jù)不同探頭的聲場(chǎng)能量分布選擇合適的檢測(cè)工藝，以得到更優(yōu)化的檢測(cè)效果。