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        超聲相控陣系統(tǒng)的聚焦特性研究

        2012-10-23 04:59:34孫忠波強(qiáng)天鵬
        無損檢測 2012年10期
        關(guān)鍵詞:斜楔聲束楔塊

        孫忠波,強(qiáng)天鵬

        (1.天津誠信達(dá)金屬檢測技術(shù)有限公司,天津 300384;2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,南京 210003)

        近些年隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,超聲TOFD及相控陣設(shè)備在國內(nèi)外都得到了較積極的推廣。由計算機(jī)控制的超聲系統(tǒng)不僅應(yīng)具有常規(guī)數(shù)字超聲設(shè)備的一些普遍性能,如水平線性、垂直線性、橫縱向分辨力、動態(tài)范圍等,還應(yīng)具有其獨(dú)特的性能優(yōu)勢。這些獨(dú)特的性能在傳統(tǒng)的性能測試標(biāo)準(zhǔn)中并未涉及,因此需進(jìn)行深入探討。

        美國材料試驗(yàn)學(xué)會(ASTM)已發(fā)布的ASTM E2491:2008[1]《超聲相控陣檢測系統(tǒng)性能評價導(dǎo)則》為當(dāng)前針對相控陣系統(tǒng)性能測試最為先進(jìn)的試驗(yàn)導(dǎo)則,該導(dǎo)則已被ASME增補(bǔ)引用為SE-2491。該導(dǎo)則對相控陣儀器的性能檢驗(yàn)分成七部分,分別為:① 聲束擴(kuò)散的測定。② 聲束偏轉(zhuǎn)極限的測試。③ 相控陣晶片有效性的測試。④ 相控陣聚焦能力的評價。⑤ 相控陣參數(shù)控制及數(shù)據(jù)顯示的評價。⑥ 對相控陣楔塊衰減以及時間延遲的補(bǔ)償?shù)脑u價。⑦相控陣儀器線性的評價。該導(dǎo)則目的在于給相控陣性能測試提供指導(dǎo),并未對具體的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行規(guī)定,對于驗(yàn)收評判需由具體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定。為研究超聲相控陣系統(tǒng)的聚焦特性及偏轉(zhuǎn)特性,文章參照了ASTM E2491:2008標(biāo)準(zhǔn)的測試方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計。

        1 測試方法及試驗(yàn)條件

        1.1 試驗(yàn)條件

        試驗(yàn)使用Olympus公司的OmniScan MX 32:128便攜式相控陣檢測儀,利用TomoView軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀。選用焊縫檢測較常用的探頭及楔塊,采用的探頭是5L64A2,共有64個晶片,晶片間的距離為0.6mm;楔塊是SA2-N55S,鋼中自然折射角度為55°。

        測試用的試塊為參考ASTM E2491—2008標(biāo)準(zhǔn)自行設(shè)計的斜排孔試塊(圖1)。

        圖1 斜排孔試塊

        1.2 試驗(yàn)方法

        在加裝或不加裝楔塊的情況下,對儀器調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)組合,將相控陣探頭置于圖1試塊上,使晶片長度方向與長橫孔平行,設(shè)置適當(dāng)?shù)穆暢谭秶?,調(diào)節(jié)儀器進(jìn)入基于編碼器(或基于線掃描)的B掃狀態(tài),沿圖2所示方向移動探頭進(jìn)行B掃描成像。當(dāng)加裝楔塊時,試驗(yàn)加入了偏轉(zhuǎn)角度的變化,測試時探頭朝向斜排孔一側(cè),以免聲束方向與斜排孔朝向因夾角過小而影響測試。

        圖2 斜排孔試塊掃查示意圖

        用離線分析軟件調(diào)出存儲的圖像,用-6dB法測量不同深度孔回波的孔徑大小并記錄(如圖3)。當(dāng)加裝橫波斜楔塊時,軟件能夠測得橫向擴(kuò)散長度L′,而實(shí)際聲束擴(kuò)散應(yīng)垂直于聲束方向,因此,實(shí)際擴(kuò)散長度L應(yīng)為:

        圖3 聲束擴(kuò)散測量示意圖

        式中L為沿聲束方向擴(kuò)散長度;L′為軟件測量的水平方向擴(kuò)散長度;β為工件中橫波折射角。

        1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

        (1)不加裝楔塊可偏轉(zhuǎn)方向聲束擴(kuò)散及聚焦能力試驗(yàn)設(shè)計 激發(fā)晶片數(shù)分別為4,8,16,32;聚焦深度分別為10,30,50,100,150,200mm。試驗(yàn)時兩種參數(shù)交叉組合,表示方法為“激發(fā)晶片數(shù)-聚焦深度”。如4-50表示試驗(yàn)參數(shù)為:激發(fā)晶片數(shù)為4,聚焦深度為50mm。

        (2)加裝橫波斜楔塊可偏轉(zhuǎn)方向聲束擴(kuò)散及聚焦能力試驗(yàn)設(shè)計 激發(fā)晶片數(shù)、聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度的參數(shù)設(shè)置見表1。

        2 測試結(jié)果及分析

        2.1 聚焦特性測試結(jié)果及分析

        2.1.1 不加裝楔塊時

        按1.3(1)進(jìn)行試驗(yàn)后,對各種參數(shù)下顯示的孔徑以-6dB的方式進(jìn)行測量,對測量結(jié)果整理后可繪制得到曲線圖4。

        從圖4看,曲線基本可分為兩種形態(tài),一種形態(tài)為單調(diào)上升的“1”字形,一種為曲折的“V”字形。當(dāng)激發(fā)晶片數(shù)量較少時(如試驗(yàn)中激發(fā)晶片數(shù)量<8個),測試結(jié)果為前者,表明在測試深度范圍內(nèi)聲束沒有實(shí)際焦點(diǎn),成喇叭狀擴(kuò)散,曲線形態(tài)不隨設(shè)置聚焦深度的改變而改變。激發(fā)晶片數(shù)量為8個時,變化不同的聚焦深度對測試結(jié)果圖像基本沒有影響,如圖5所示。當(dāng)激發(fā)晶片數(shù)量較多時(如試驗(yàn)中激發(fā)晶片數(shù)量>16個),測試結(jié)果為后者,表明在測試深度范圍內(nèi)聲束有實(shí)際焦點(diǎn),“V”字形的最低點(diǎn)即代表實(shí)際焦點(diǎn)位置。從圖4看,當(dāng)激發(fā)晶片數(shù)量>16個時,實(shí)際焦點(diǎn)深度隨設(shè)置焦點(diǎn)深度的增加而增加,但兩者有一定差距,該差距隨設(shè)置值增加而增加,如圖6。但當(dāng)設(shè)置聚焦深度大于某一數(shù)值時,實(shí)際焦點(diǎn)深度不再增加,且該可聚焦深度的最大值隨激發(fā)晶片數(shù)量的增加而增加,例如,激發(fā)16晶片時設(shè)置聚焦深度為10,30,50,100,150mm 時,實(shí)際焦點(diǎn)深度為10,15,20,20,20mm;激發(fā)32晶片時設(shè)置聚焦深度為10,30,50,100,150,200mm 時,實(shí)際焦點(diǎn)深度為10,25,40,65,65,65mm。

        表1 加裝橫波斜楔塊可偏轉(zhuǎn)方向聲束擴(kuò)散及聚焦能力試驗(yàn)設(shè)計

        圖4 不加裝楔塊時聚焦特性測試結(jié)果

        文獻(xiàn)[2]指出:相控陣激發(fā)孔徑的近場區(qū)長度決定了聲束能夠聚焦的最大深度,聲束在超過近場區(qū)長度的深度處無法聚焦。激發(fā)晶片數(shù)量從4,8,16,32逐漸增多時,孔徑隨之增大,則近場區(qū)增加,因此,可聚焦的深度范圍也隨之增加。

        從圖4中還可以看出,相同的激發(fā)晶片數(shù)量基本成簇分布,表明相同的孔徑在曲線中有著基本相同的斜率,曲線的斜率代表著聲束截面尺寸隨深度變化的快慢程度??梢姡患友b楔塊的情況下,工件中聲束的擴(kuò)散速率僅取決于激發(fā)孔徑大小,與設(shè)置的聚焦深度及實(shí)際焦點(diǎn)深度無關(guān)。由矩形波源半擴(kuò)散角公式(式(2))可知,聲束擴(kuò)散角度與工件中波長和可偏轉(zhuǎn)方向上孔徑大小相關(guān),而該公式成立的前提是在遠(yuǎn)場區(qū)。因此,從圖4中看,當(dāng)激發(fā)晶片數(shù)量>16個時,聲束在工件中有實(shí)際焦點(diǎn),在焦點(diǎn)后的聲束擴(kuò)散尤為貼切地符合上述規(guī)律:

        式中φ0為可偏轉(zhuǎn)方向上的半擴(kuò)散角;λ為工件中波長;b為可偏轉(zhuǎn)方向上孔徑尺寸的1/2。

        2.1.2 加裝橫波斜楔塊時

        依照表1進(jìn)行試驗(yàn)后,對各種參數(shù)下顯示的孔徑的L′以-6dB的方式進(jìn)行測量,代入式(1),計算得到L,將結(jié)果整理后繪制得到圖7。

        圖7中,曲線在橫坐標(biāo)上的跨度代表著測試能夠?qū)⒖仔盘柗直娉龅纳疃确秶?,跨度越大表明測試圖像中能夠識別的深度范圍越大。對比圖7(a)~(d)可見,當(dāng)激發(fā)晶片數(shù)量和聚焦深度設(shè)置相同時,偏轉(zhuǎn)角度越大,可識別的深度范圍越?。ㄈ鐖D8)。這是由于當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度增加時,聲束在楔塊中的聲程增加,也增加了聲束在楔塊中的擴(kuò)散。聲束進(jìn)入工件后,相同深度的擴(kuò)散范圍增加,到達(dá)一定深度后大角度聲束的回波先于小角度聲束無法識別。

        與不加楔塊的測試一樣,圖7曲線的斜率代表了聲束在工件中擴(kuò)散速度的快慢,同樣表征著聲束在工件中的擴(kuò)散角。可通過簡單計算得到不同激發(fā)晶片數(shù)量時,可偏轉(zhuǎn)方向上的聲束半擴(kuò)散角,進(jìn)而計算出不同角度時工件中的上下擴(kuò)散角度,從而得到工件中的擴(kuò)散角。以激發(fā)16晶片為例,偏轉(zhuǎn)角度分別為35°,45°,60°,70°時,計算得工作中的擴(kuò)散角分別為8.2°,8.8°,10.7°,14.7°。

        圖7 加裝斜楔塊激發(fā)不同晶片,不同偏轉(zhuǎn)角度及聚焦深度時聚焦特性測試結(jié)果

        圖8 加裝橫波斜楔塊,激發(fā)16晶片,聚焦深度50mm,不同偏轉(zhuǎn)角度時的聚焦特性測試圖像

        從計算結(jié)果可以看出,其余情況不變,當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度增加時,工件中的擴(kuò)散角隨之增加,則圖7曲線的斜率將隨角度增加。

        對比圖7(a)~(d)還可以看出,除激發(fā)32晶片外,其余情況聚焦深度設(shè)置幾乎對實(shí)際的聲場沒有任何影響。表2為計算得到加裝斜楔情況下,不同激發(fā)晶片數(shù)量及不同偏轉(zhuǎn)角度時,鋼中剩余的近場區(qū)(已轉(zhuǎn)換為深度)。從表中可以看出,大部分情況近場區(qū)在楔塊中,由前述近場區(qū)內(nèi)聚焦的原則,激發(fā)4,8,16個晶片時,在工件中不會產(chǎn)生真正的焦點(diǎn),因此,聚焦設(shè)置不起作用,測試得到的曲線都成“1”字形。當(dāng)激發(fā)32晶片時,偏轉(zhuǎn)角度為35°,45°,60°時工件中有較大范圍的近場區(qū),因此,從圖7(d)中可見該幾條曲線成“V”字形,且隨聚焦深度的不同設(shè)置,實(shí)際焦點(diǎn)也隨之變化。

        表2 加裝橫波斜楔塊時計算得工件中的近場區(qū)(深度)mm

        3 結(jié)論

        (1)加裝楔塊與不加裝楔塊情況下,聲束在工件中的聚焦特性主要由工件中的近場區(qū)長度決定,近場區(qū)外不能聚焦。

        (2)同探頭相控陣聲束焦點(diǎn)外的聲束擴(kuò)散速度取決于激發(fā)孔徑大小,與設(shè)置聚焦深度及實(shí)際焦點(diǎn)深度無關(guān),激發(fā)孔徑大,計算得到的擴(kuò)散角小,則聲束擴(kuò)散速度慢,反之則相反。

        [1]ASTM E 2491:2008 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-Array Ultrasonic Testing Instrucments and Systems:Annexes A2[S].

        [2]Michael D C Moles.Phased Array Ultrasonic Technology[M].Canada Quebec:R/D Tech Corp,2004:77-79.

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