基于靈活相控陣換能器的復(fù)雜幾何形狀零件超聲波檢測

劉 野 左繼澤 余雄飛 梅 涵 車宏鑫

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

法國壓水反應(yīng)堆的一次冷卻系統(tǒng)和二次冷卻系統(tǒng)由多種復(fù)雜幾何形狀的部件焊接而成，包括彎頭、粗焊縫和噴嘴[1]。在使用傳統(tǒng)超聲波接觸換能器檢查這類組件的過程中會受很多因素的限制。首先，由于存在凹陷或不規(guī)則的表面，因此能觀察到十分不匹配的接觸，從而導(dǎo)致靈敏度發(fā)生變化，最終影響檢測結(jié)果。其次，由于換能器在位移過程中會發(fā)生定向障礙，因此無法完全控制通過復(fù)雜界面所傳輸?shù)墓馐较颍瑢?dǎo)致無法正確表征所檢測的缺陷。同時，某些組件（例如噴嘴）的不規(guī)則幾何形狀也會干擾換能器的位移，從而導(dǎo)致存在未被覆蓋的掃描區(qū)域[2-4]。

為了克服上述困難，該文采用相控陣接觸換能器的方式。首先，其輻射表面是靈活的，這樣就會盡可能使接觸變得合理，從而提高測試的靈敏度。其次，為了在檢測時提高缺陷表征的準(zhǔn)確性，必須在掃描過程中控制和保留透射光束的特性，特別是其實際的透射方向和焦深。為此，該文使用了一種優(yōu)化延遲定律的算法，該算法需要給出元件的實際位置，因此需要1 個與換能器相匹配的特定儀器來測量其輻射表面所發(fā)生的畸變。

1 超聲波領(lǐng)域的模擬

法國原子能委員會（CEA）研發(fā)了一種Champ-Sons 模型，該模型預(yù)測了任意傳感器在通過復(fù)雜界面（單片和相控陣，浸沒和楔形耦合）的傳輸場[5-6]。該模型在Civa 軟件中實現(xiàn)[7-8]，已經(jīng)在幾種水下檢查的表征中進(jìn)行了試驗驗證，并與其他相似或精確的模型進(jìn)行了比較。為了處理直接耦合的接觸傳感器，必須模擬聲源直接作用于固體表面所產(chǎn)生的位移。所選模型的原理是基于互易定理，即通過在有效輻射面上對該初始解進(jìn)行數(shù)值積分，就可以估計任意換能器所產(chǎn)生的位移場[9]。該模型在Champs-Sons 軟件中實現(xiàn)，可以模擬任意工件上的靈活相控陣換能器傳輸場，也可以考慮其輻射表面的畸變。

2 最優(yōu)延遲法則

相控陣的聚焦過程如下：計算幾何延遲定律，以確保在由深度和偏轉(zhuǎn)角所定義的幾何聚焦點處產(chǎn)生相長干涉。由試驗可知，在透射光束上測量的聲學(xué)聚焦特性與幾何特性之間存在顯著差異。這種在相控陣技術(shù)中的行為是由換能器的有限接觸長度造成的。為了進(jìn)一步理解并考慮這些影響，該文提出了一個簡化的幾何模型。

幾何焦點由焦深P和偏轉(zhuǎn)角α定義。對在均勻介質(zhì)中發(fā)出輻射的接觸換能器來說，相關(guān)的延遲定律是1 個以焦點為中心的球形圓弧（如圖1 所示）。從焦點觀察到的接觸器張角（也稱孔徑張角）是由來自換能器邊緣的射線進(jìn)行定義的。在第一個近似值中，可以認(rèn)為光束沿該接觸面的平分線聚焦。偏轉(zhuǎn)角α的光線與來自換能器中心的光線方向不同（它的方向用β來表示），β總是小于偏轉(zhuǎn)角α。根據(jù)這種幾何觀察提出了一種快速預(yù)測接觸式相控陣換能器傳輸波束聲焦特性的模型，它需要定義1 個等效的單片換能器，同時考慮延遲定律的應(yīng)用。它在入射平面中的輻射分布是1 個半圓，以焦點為中心，在孔徑張角中延伸。光束方向由等效換能器的對稱軸方向給出，通過計算沿該軸傳輸場的振幅分布來估計焦點位置。當(dāng)采用可以發(fā)射2.0 MHz 瞬間波、大小為48 mm×20 mm 的線性相控陣換能器進(jìn)行掃描時，該模型仍可以預(yù)估焦點的位置，這也是該模型的特點。50 mm 焦深在5 個偏轉(zhuǎn)角（0°、15°、30°、45°和60°）所計算的結(jié)果和參考焦點特性的比較如圖2 所示。該模型給出的結(jié)果與 Champ-Sons 獲得的焦點特征吻合。

圖1 聚焦過程的幾何圖形解釋

圖2 一般幾何模型和Champ-Sons 模擬聲焦特性的對比

在迭代過程中，該模型主要是對延遲規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到控制光束方向的目的。該方法主要是在目標(biāo)深度尋找焦點，以便孔徑張角的平分線方向能夠達(dá)到期望值。該算法足夠快，以至于可以應(yīng)用于真正的檢測工作中。

3 結(jié)果

該試驗在F.A.U.S.T.（聚焦自適應(yīng)超聲斷層掃描）系統(tǒng)上進(jìn)行。柔性換能器由 24 個硬質(zhì)基本超聲換能器（元件）組成，通過電纜和螺旋彈簧機(jī)械組裝。每個元件的設(shè)計使輻射面存在一定的彎曲面，局部曲率半徑為15 mm。使用中心頻率為2.25 MHz 的接觸探頭接收器測量傳輸場。

3.1 靜態(tài)模式下的測量

鋼塊的外形由3 個部分組成（1 個凹面部分、1 個曲率半徑為50 mm 的凸面部分和1 個曲率半徑為25 mm 的凹/凸面部分）。同時，在4 個不同位置上（分別距離參考平面 20 mm、30 mm、40 mm 和 50 mm）測量傳輸場。分別測量同一個位置在不同偏轉(zhuǎn)角度（0°、45°和60°）下的由幾何和優(yōu)化延遲規(guī)律所產(chǎn)生的場。將通過復(fù)雜界面獲得的測量結(jié)果與通過平面界面獲得的測量結(jié)果進(jìn)行比較，以判斷如何處理輻射表面畸變對透射光束的影響。圖3 顯示了在平面界面（圖3 左側(cè)）和最不利的凹/凸界面（圖3 右側(cè)）聚焦深度為40 mm、偏轉(zhuǎn)角度為45°的掃描結(jié)果（A 掃描、B 掃描和C 掃描），在回波動力學(xué)中可以觀察到柵瓣水平和焦寬（X、Y和Z分別表示三維空間中的平面水平方向、平面豎直方向和縱向深度），試驗結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好。在所有研究的剖面、深度以及偏轉(zhuǎn)角中，焦點區(qū)域的特征（位置、方向、寬度以及振幅）都得到了良好的預(yù)測。此外，與平面界面相比，盡管表面崎嶇的輻射面產(chǎn)生了顯著的畸變，但是透射焦束的畸變?nèi)匀皇强梢越邮艿?。焦寬最多增加?0%，但是靈敏度最多損失3 dB，柵瓣水平最多增加3 dB。在所有情況下，用簡化的幾何模型都能很好地預(yù)測實際的焦束方向，平均差異小于2°。

圖3 在平面界面（左）和凹凸界面（右）上的掃描對比

3.2 動態(tài)模式下的測量

為了評估連接的換能器在掃描不規(guī)則表面期間的聲學(xué)能力，在1 個局部曲率半徑為20 mm 且表面凹陷的試件上分別測量換能器在5 個位置上的透射場。每間隔10 mm測量1 次焦距、焦距振幅、光束方向和柵瓣水平，該文研究了2 個深度（30 mm 和 50 mm）以及2 個方向（45 °和 60°）上的傳輸場。當(dāng)深度為30 mm、方向為45°聚焦下所透射的場如圖4 所示（焦束振幅是指通過平面界面獲得的焦束振幅）。

圖4 5 個不同位置上45°方向所模擬的聲波場對比

每個位置傳輸?shù)木劢构馐匦耘c通過平面界面所獲得的光束特性非常接近。透射光束的方向沿?fù)Q能器位移幾乎恒定（最大變化小于2°），靈敏度的變化小于2 dB，焦距幾乎不變且沒有觀察到光柵瓣級顯著增加（小于2 dB）。這些結(jié)果表明，結(jié)合延遲律優(yōu)化算法的關(guān)節(jié)式換能器能夠校正幾何像差，發(fā)射具有可控和均勻特性的聚焦光束。

4 結(jié)語

該文使用了一種相控陣接觸換能器，可以優(yōu)化復(fù)雜幾何組件的檢測過程。它的輻射表面是靈活的，可以優(yōu)化換能器與復(fù)雜輪廓的接觸方式。該文還提出了一種算法來快速確定延遲定律，以確保對傳輸?shù)木劢构馐匦缘目刂?。仿真試驗結(jié)果驗證了仿真數(shù)據(jù)所預(yù)測的良好性能，采用延遲律優(yōu)化算法保證了在傳感器沿復(fù)雜幾何位移過程中傳輸均勻的可控光束。