近場(chǎng)對(duì)相控陣超聲TCG校準(zhǔn)的影響

喬江偉，李 健，劉春杰，李寶超，黃 旭

(1.北京思派特檢測(cè)技術(shù)咨詢有限公司，北京 100176；2.河北中躍檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，廊坊 065000；3.廊坊市新思維科技有限公司，廊坊 065000)

相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)技術(shù)因具有靈活控制檢測(cè)聲束、無輻射污染、檢測(cè)可靠高效、受人為因素影響較小、檢測(cè)結(jié)果圖像化且可保存等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(cè)中。在焊接接頭的相控陣超聲檢測(cè)應(yīng)用中，目前有兩種驗(yàn)收方法，第一種主要依據(jù)缺陷的波幅及測(cè)量長度進(jìn)行驗(yàn)收，如標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.15-2021 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第15部分 相控陣超聲檢測(cè)》 和ISO 19285-2017 《焊縫的無損檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè) 驗(yàn)收等級(jí)》 中均介紹了基于波幅及長度的驗(yàn)收方法；另一種是依據(jù)斷裂力學(xué)基于缺陷長度及高度的驗(yàn)收方法，如ASME標(biāo)準(zhǔn)就采用了此類驗(yàn)收方法。在相控陣超聲檢測(cè)中，考慮到其基本原理與常規(guī)超聲檢測(cè)相同，依據(jù)波幅的測(cè)高方式受到波束角度、缺陷走向、缺陷反射面積等因素的影響，因此多選取依據(jù)缺陷波幅及長度的驗(yàn)收方法。

對(duì)于基于缺陷波幅和長度的驗(yàn)收方法，無論采用-6 dB測(cè)長還是選用絕對(duì)靈敏度測(cè)長方法，缺陷的波幅本身直接決定著驗(yàn)收結(jié)果，為缺陷長度測(cè)量的唯一依據(jù)。由此可見，靈敏度的準(zhǔn)確性直接決定了驗(yàn)收結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在所有相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，均要求或推薦使用TCG(時(shí)間校正增益)校準(zhǔn)，將所有波束在不同深度的反射體回波校準(zhǔn)到同一波幅高度位置，從而保證檢測(cè)覆蓋的不同區(qū)域具有相同的檢測(cè)靈敏度。

文章基于幾何聲學(xué)的方法，計(jì)算了不同探頭、參數(shù)設(shè)置及偏轉(zhuǎn)角度下的近場(chǎng)深度，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了超聲近場(chǎng)、聚焦深度等因素對(duì)于TCG校準(zhǔn)的影響，為焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)時(shí)探頭與楔塊的選擇以及參數(shù)設(shè)置提供參考。

1 相控陣超聲檢測(cè)TCG校準(zhǔn)

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，受聲束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收等因素影響，會(huì)出現(xiàn)能量逐漸衰減的現(xiàn)象。對(duì)于相同形狀、大小的反射體，其深度不同時(shí)，得到的超聲反射回波能量也不同。為有效評(píng)估反射回波與參考反射體當(dāng)量的關(guān)系，在超聲檢測(cè)中通常繪制距離波幅曲線(DAC)來描述相同反射體在不同深度反射回波能量衰減的趨勢(shì)，進(jìn)而依據(jù)不同深度缺陷反射回波與DAC曲線的相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)確定最終的評(píng)定結(jié)論。

在相控陣超聲檢測(cè)中，無論是線掃描還是扇掃描，最終都會(huì)通過二維彩圖的方式顯示被波束覆蓋的區(qū)域，從而識(shí)別出檢測(cè)區(qū)域內(nèi)不同位置的缺陷回波信號(hào)，也可通過顏色判斷反射回波的高度，但前提是檢測(cè)范圍內(nèi)的靈敏度一致；另一方面，相控陣超聲檢測(cè)通常會(huì)連接編碼器，通過一次單線掃查的方式采集存儲(chǔ)每個(gè)位置的數(shù)據(jù)，因此無法像常規(guī)超聲一樣在檢測(cè)過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)儀器的增益值，這就要求其檢測(cè)范圍內(nèi)所有深度處的初始靈敏度不宜過低，以免較深位置的反射回波過低，無法分析評(píng)定數(shù)據(jù)。鑒于此，在相控陣超聲檢測(cè)中，通常會(huì)使用TCG校準(zhǔn)替代DAC曲線進(jìn)行靈敏度的調(diào)節(jié)設(shè)置。

TCG是一種超聲波信號(hào)處理中常用的增益控制的方式，可使不同深度下相同反射體的超聲回波得到不同的放大倍數(shù)，從而得到相同的靈敏度。TCG曲線可以通過理論計(jì)算或者采集不同深度上的相同反射體的回波信號(hào)來繪制。目前，工業(yè)領(lǐng)域的相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備基本都是利用采集實(shí)際回波信號(hào)的方式進(jìn)行TCG校準(zhǔn)補(bǔ)償，校準(zhǔn)后覆蓋深度范圍內(nèi)的靈敏度一致。DAC和TCG校準(zhǔn)結(jié)果示例如圖1所示，DAC校準(zhǔn)曲線描繪了相同反射體在不同深度位置處回波高度；TCG校準(zhǔn)將相同反射體在不同深度位置處的回波波幅調(diào)整為同一高度水平(圖中橫坐標(biāo)為深度，縱坐標(biāo)為波幅,FSH為滿屏幕高度)。

圖1 DAC與TCG校準(zhǔn)示意

2 相控陣超聲檢測(cè)的近場(chǎng)計(jì)算

近場(chǎng)是指波源附近，由于波的干涉出現(xiàn)的一系列聲壓出現(xiàn)極大值和極小值的區(qū)域，又稱菲涅爾區(qū)。由于近場(chǎng)區(qū)存在聲壓極大值和極小值的點(diǎn)，故常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)，通常使用遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)(大于近場(chǎng)長度的聲場(chǎng)區(qū)域)進(jìn)行缺陷檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)原理同樣遵循超聲基本原理，只是相控陣超聲通過在不同晶片上施加激勵(lì)延遲，控制每個(gè)晶片激發(fā)的時(shí)間，從而通過聲波的相互干涉疊加實(shí)現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。在焊接接頭的相控陣檢測(cè)中，通常將相控陣探頭安裝在帶有固定傾斜角度的楔塊上，其輻射聲場(chǎng)至楔塊中，并在楔塊-工件界面上發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生橫波進(jìn)入待檢工件中[1]。為了能夠計(jì)算得到相控陣超聲斜入射波束在工件中的聲場(chǎng)長度，首先需要計(jì)算晶片組的激活孔徑，PAUT探頭偏轉(zhuǎn)波束的有效孔徑如圖2所示，相同晶片組在產(chǎn)生不同角度的波束時(shí)，其有效的激活孔徑也不相同，有效孔徑Aeff可表示為

圖2 PAUT探頭偏轉(zhuǎn)波束的有效孔徑示意

(1)

通過有效孔徑能夠計(jì)算出探頭在楔塊中輻射聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)長度，再減去聲波在楔塊中傳播的等效距離后，即可得到相控陣超聲及楔塊組合系統(tǒng)輻射偏轉(zhuǎn)波束時(shí)，在待檢工件中的近場(chǎng)長度N，即

(2)

式中：f為探頭頻率；A為晶片組激活孔徑；ct為工件中的聲速；α為楔塊物理角度；θi為工件中折射角對(duì)應(yīng)的入射角度；θt為工件中的折射角度；Li為聲波沿聲軸線在楔塊中的傳播距離[2-3]。

相比近場(chǎng)長度，焊接接頭檢測(cè)中常用的是檢測(cè)深度，近場(chǎng)深度Ndepth可表示為

Ndepth=N·cosθt

(3)

扇形掃描是焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)最為常用的一種掃描方式，其通過在一組晶片上施加不同的聚焦法則，得到不同角度的超聲波束。對(duì)于一個(gè)特定的相控陣超聲探頭，在設(shè)置檢測(cè)工藝時(shí)，當(dāng)使用的晶片組、激活晶片數(shù)量、楔塊型號(hào)、波束角度發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)應(yīng)的近場(chǎng)也會(huì)隨之變化。

筆者選擇兩組相控陣超聲設(shè)置進(jìn)行近場(chǎng)計(jì)算，探頭及楔塊參數(shù)設(shè)置如表1所示。根據(jù)設(shè)備中給定的探頭及楔塊參數(shù)，通過試驗(yàn)單獨(dú)激發(fā)第一晶片確定波束出射位置，從而確認(rèn)第一晶片高度值，最終確定晶片在楔塊中的相對(duì)位置，進(jìn)而計(jì)算得到兩組設(shè)置中不同角度波束楔塊中的傳播距離Li，不同折射角度波束在楔塊中的傳播距離如表2所示。

表1 探頭及楔塊參數(shù)設(shè)置

表2 不同折射角度波束在楔塊中的傳播距離 mm

為了便于后面的試驗(yàn)，對(duì)楔塊及工件的聲速進(jìn)行了測(cè)定，楔塊中縱波聲速ci=2 330 m·s-1，工件中的橫波聲速ct=3 231 m·s-1。根據(jù)測(cè)定的聲速及表1，2中對(duì)應(yīng)的參數(shù)，利用式(2)，(3)計(jì)算得到設(shè)置A和設(shè)置B中不同折射角度波束的近場(chǎng)深度(見表3)。

通過對(duì)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雖然兩組設(shè)置中不同角度波束在楔塊中的傳播距離較為接近，但設(shè)置B采用的是頻率更大的7.5 MHz探頭，且其晶片中心距為1.0 mm，與設(shè)置A相比，其激活孔徑更大，近場(chǎng)深度也更大。不同折射角度波束在工件中的近場(chǎng)深度如表3所示，可見65°和70°對(duì)應(yīng)的設(shè)置A的近場(chǎng)深度出現(xiàn)了負(fù)值，說明兩條波束的近場(chǎng)均在楔塊內(nèi)部。

表3 不同折射角度波束在工件中的近場(chǎng)深度 mm

3 TCG校準(zhǔn)試驗(yàn)

為能有效地對(duì)比以上兩項(xiàng)設(shè)置的近場(chǎng)深度對(duì)TCG校準(zhǔn)的影響，設(shè)檢測(cè)工件厚度為20 mm，焊縫一側(cè)PAUT扇形掃描覆蓋如圖3所示，可見扇形掃描中最小的角度40°通過一次底面反射能夠覆蓋探頭同側(cè)熱影響區(qū)的位置，40°～60°波束范圍通過一次底面反射覆蓋了表面以下大部分焊縫及熱影響區(qū)，轉(zhuǎn)換成超聲傳播的實(shí)際深度，二次波有效檢測(cè)深度為20～40 mm；扇形掃描中61°～70°大角度波束利用直射法檢測(cè)焊縫根部及以上區(qū)域，一次波的有效檢測(cè)深度為0～20 mm。結(jié)合表3可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置A中各個(gè)角度的有效檢測(cè)深度均在近場(chǎng)以外；而在設(shè)置B中，除70°波束的有效檢測(cè)深度在近場(chǎng)附近，其余角度范圍的有效檢測(cè)深度均在近場(chǎng)以內(nèi)。

圖3 20 mm厚焊縫一側(cè)PAUT扇形掃描覆蓋示意

按照20 mm工件厚度，二次波檢測(cè)應(yīng)能覆蓋2倍板厚即40 mm深的位置，按照檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求TCG校準(zhǔn)深度應(yīng)不少于40 mm。TCG是一種補(bǔ)償曲線，實(shí)際操作過程中一般至少添加3個(gè)點(diǎn)保證曲線的平滑，且在NB/T 47013.15 標(biāo)準(zhǔn)中有明確的TCG校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量要求，要求校準(zhǔn)所使用的參考反射體一般不少于3個(gè)不同深度點(diǎn)，因此，在滿足40 mm深校準(zhǔn)范圍的條件下，分別選擇2種TCG校準(zhǔn)點(diǎn)添加方案，第一種校準(zhǔn)點(diǎn)(深度，下同)選擇為10，30，40 mm，TCG校準(zhǔn)完成后測(cè)量未校準(zhǔn)的20 mm橫通孔的波幅；第二種校準(zhǔn)點(diǎn)選擇為10，20，40 mm，TCG校準(zhǔn)完成后測(cè)量未校準(zhǔn)的30 mm橫通孔的波幅。

此外，考慮到相控陣超聲有聚焦設(shè)置，而焦點(diǎn)的設(shè)置對(duì)超聲波束聲場(chǎng)能量分布存在影響，因此對(duì)比試驗(yàn)時(shí)加入聚焦與非聚焦的對(duì)比。聚焦設(shè)置時(shí)將焦點(diǎn)設(shè)置在最大探測(cè)深度40 mm處；非聚焦設(shè)置時(shí)將焦點(diǎn)設(shè)置在深度500 mm處(儀器無法選擇不聚焦，因此將聚焦深度設(shè)置在足夠遠(yuǎn)處)。為了避免存在損壞晶片以及其他設(shè)置參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，分別對(duì)兩個(gè)相控陣探頭進(jìn)行了晶片檢查，逐個(gè)激活晶片確認(rèn)2組設(shè)置所用探頭無損壞晶片，兩組設(shè)置的電壓均為80 V，脈沖寬度均設(shè)置為1000/2f(f為探頭標(biāo)稱頻率)，均以探頭主頻設(shè)置帶通濾波及平滑濾波。

3.1 聚焦深度40 mm的TCG校準(zhǔn)結(jié)果(設(shè)置A)

按照既定的試驗(yàn)內(nèi)容，將設(shè)置A對(duì)應(yīng)的相控陣探頭連接到PAUT主機(jī)上，按照表1內(nèi)容安裝對(duì)應(yīng)的楔塊，并在軟件中輸入相應(yīng)的設(shè)置參數(shù)，設(shè)置聚焦深度為40 mm，激勵(lì)電壓為80 V，脈沖寬度為100 ns，5 MHz帶通濾波及平滑濾波。

使用RB-3試塊上的深度為10，30，40 mm的φ3 mm橫通孔添加3個(gè)TCG點(diǎn)，將所有角度在3個(gè)點(diǎn)的波幅均校準(zhǔn)至滿屏高度的80%±5%，校準(zhǔn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 設(shè)置A中聚焦深度40 mm的TCG校準(zhǔn)結(jié)果

TCG校準(zhǔn)完成后，將探頭移至非TCG校準(zhǔn)點(diǎn)的20 mm深橫通孔上方，前后移動(dòng)探頭找到每個(gè)角度在橫通孔處的最高反射回波(見表4)。

表4 非校準(zhǔn)點(diǎn)20 mm深橫通孔不同角度的回波波幅

3.2 其他試驗(yàn)結(jié)果

考慮到試驗(yàn)過程相似，不對(duì)其他試驗(yàn)過程進(jìn)行贅述，參考3.1節(jié)，分別完成其他試驗(yàn)內(nèi)容。為使數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果更加直觀，將試驗(yàn)1至8得到的全部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)記錄在表5中，并通過計(jì)算得到所有非TCG校準(zhǔn)點(diǎn)波幅與校準(zhǔn)目標(biāo)參考水平80%波幅的dB差，一同記錄在表5中。

表5 TCG校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)2：設(shè)置A，聚焦深度40 mm，校準(zhǔn)點(diǎn)為10，20，40 mm，記錄非校準(zhǔn)點(diǎn)30 mm波幅。

試驗(yàn)3：設(shè)置A，聚焦深度500 mm，校準(zhǔn)點(diǎn)為10，30，40 mm，記錄非校準(zhǔn)點(diǎn)20 mm波幅。

試驗(yàn)4：設(shè)置A，聚焦深度500 mm，校準(zhǔn)點(diǎn)為10，20，40 mm，記錄非校準(zhǔn)點(diǎn)30 mm波幅。

試驗(yàn)5：設(shè)置B，聚焦深度40 mm，校準(zhǔn)點(diǎn)為10，30，40 mm，記錄非校準(zhǔn)點(diǎn)20 mm波幅。

試驗(yàn)6：設(shè)置B，聚焦深度40 mm，校準(zhǔn)點(diǎn)為10，20，40 mm，記錄非校準(zhǔn)點(diǎn)30 mm波幅。

試驗(yàn)7：設(shè)置B，聚焦深度500 mm，校準(zhǔn)點(diǎn)為10，30，40 mm，記錄非校準(zhǔn)點(diǎn)20 mm的波幅。

試驗(yàn)8：設(shè)置B，聚焦深度500 mm，校準(zhǔn)點(diǎn)為10，20，40 mm，記錄非校準(zhǔn)點(diǎn)30 mm的波幅。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，結(jié)果如下。

(1) 設(shè)置A所有檢測(cè)角度的有效檢測(cè)深度(假設(shè)工件厚度為20 mm)均在近場(chǎng)外，當(dāng)聚焦深度設(shè)置在500 mm時(shí)(試驗(yàn)3和4)，在非校準(zhǔn)點(diǎn)處得到的回波波幅與參考波幅80%的dB差最大值分別為2.3 dB和2.9 dB，聲壓變化較為規(guī)律；當(dāng)聚焦深度設(shè)置為40 mm時(shí)(試驗(yàn)1和2)，在非校準(zhǔn)點(diǎn)處得到的回波波幅與參考波幅80%的dB差最大值分別為3.2 dB和4.3 dB，顯然聚焦點(diǎn)設(shè)置在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)或附近時(shí)，檢測(cè)區(qū)域內(nèi)聲場(chǎng)能量分布發(fā)生變化，與試驗(yàn)3和4相比，試驗(yàn)1和2在非校準(zhǔn)點(diǎn)的靈敏度補(bǔ)償精確度有所下降。

(2) 設(shè)置B中所有檢測(cè)角度的有效檢測(cè)深度(假設(shè)工件厚度為20 mm)在近場(chǎng)以內(nèi)或近場(chǎng)附近(70°)，當(dāng)聚焦深度設(shè)置在40 mm時(shí)(試驗(yàn)5和6)，在非校準(zhǔn)點(diǎn)處得到的回波波幅與參考波幅80%的dB差最大值分別為4.5 dB和7.4 dB；當(dāng)聚焦深度設(shè)置在500 mm時(shí)(試驗(yàn)7和8)，在非校準(zhǔn)點(diǎn)處得到的回波波幅與參考波幅80%的dB差最大值分別為4.9 dB和5.6 dB。分析數(shù)據(jù)說明盡管相控陣超聲能夠通過延遲控制每個(gè)晶片波束的干涉疊加，但近場(chǎng)內(nèi)聲壓分布不均會(huì)導(dǎo)致波束能量變化較大，此時(shí)無論焦點(diǎn)設(shè)置在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)還是非聚焦模式，制作的TCG曲線均無法對(duì)非校準(zhǔn)點(diǎn)深度進(jìn)行有效增益補(bǔ)償，檢測(cè)靈敏度差異較大。

(3) 不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于靈敏度變化的要求如表6所示，兩份國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求靈敏度變化不大于3 dB時(shí)，無需采取措施或僅使用軟件進(jìn)行糾正；ISO標(biāo)準(zhǔn)中要求靈敏度變化不大于4 dB時(shí)，無需采取措施，可用軟件糾正。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)靈敏度變化的要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中僅設(shè)置A聚焦深度在500 mm時(shí)的數(shù)據(jù)(試驗(yàn)3和試驗(yàn)4)滿足標(biāo)準(zhǔn)的核查要求。以國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的±3 dB為參考線，可以更加直觀地看到不同設(shè)置或操作方法導(dǎo)致各個(gè)角度TCG校準(zhǔn)補(bǔ)償準(zhǔn)確度的差異。試驗(yàn)波幅與參考波幅80%的dB差值曲線如圖5所示。

表6 不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)靈敏度變化的要求

圖5 試驗(yàn)波幅與參考波幅80%的dB差值曲線

5 結(jié)論

通過計(jì)算2種典型相控陣探頭的近場(chǎng)區(qū)長度，并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比了不同設(shè)置和操作方式下的TCG校準(zhǔn)在非校準(zhǔn)點(diǎn)位置的靈敏度核查結(jié)果，驗(yàn)證了近場(chǎng)區(qū)和聚焦設(shè)置均會(huì)影響相控陣超聲檢測(cè)聲束能量的分布，由于近場(chǎng)內(nèi)存在極值變化，衰減的非線性會(huì)直接影響TCG校準(zhǔn)補(bǔ)償?shù)木_度和有效性。

目前，無論是PAUT設(shè)備還是波束模擬軟件均沒有說明當(dāng)前設(shè)置下的近場(chǎng)，且檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中也沒有對(duì)TCG添加點(diǎn)深度間隔的要求，實(shí)際檢測(cè)中通常僅對(duì)TCG校準(zhǔn)點(diǎn)的靈敏度進(jìn)行核查，因此極易忽略TCG曲線在非校準(zhǔn)點(diǎn)深度的補(bǔ)償有效性。分析試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相控陣超聲工藝制定時(shí)，了解并計(jì)算選用設(shè)置下的近場(chǎng)深度是十分必要的。當(dāng)檢測(cè)區(qū)域在近場(chǎng)以外，而聚焦深度設(shè)置在檢測(cè)區(qū)域附近時(shí)，會(huì)造成檢測(cè)區(qū)域內(nèi)聲場(chǎng)能量分布的變化，添加TCG點(diǎn)的深度間隔不應(yīng)過大；當(dāng)檢測(cè)區(qū)域在近場(chǎng)以內(nèi)時(shí)，不應(yīng)局限于3個(gè)TCG點(diǎn)的最少添加要求，應(yīng)結(jié)合檢測(cè)厚度控制TCG校準(zhǔn)點(diǎn)的間隔，確保TCG校準(zhǔn)曲線能夠有效補(bǔ)償?shù)綑z測(cè)區(qū)域的各個(gè)深度，保證相控陣超聲檢測(cè)靈敏度的一致性。