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(1.河海大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州 213022；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，常州 213016；3.中國石油錦西石化公司機械廠，葫蘆島 125001;4.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013)

相控陣超聲檢測聲場近場區(qū)長度的理論

姜學平1，岳云飛2，莊鳳冬3,毛小虎2，鄭暉4，韓慶邦1

(1.河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州213022；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，常州213016；3.中國石油錦西石化公司機械廠，葫蘆島125001;4.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100013)

相控陣超聲檢測技術(shù)可靠高效、無輻射，可應(yīng)用于工業(yè)無損檢測中。對于均勻各向同性材料工件，尤其是焊縫的相控陣超聲檢測，可采用超聲斜入射脈沖橫波扇形掃描檢測的方法。探討相控陣超聲探頭輻射不同偏轉(zhuǎn)角度聲場的近場區(qū)長度問題，進行了理論計算和仿真分析，發(fā)現(xiàn)焊縫檢測中常用有機玻璃楔塊角度為36.2°時，偏轉(zhuǎn)角度越大，近場區(qū)長度越小。結(jié)果可為相控陣超聲檢測工藝設(shè)計和檢測設(shè)備校準提供參考。

相控陣超聲檢測；扇形掃描；近場區(qū)長度；聚焦聲波

伴隨著材料、微加工、計算機和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，相控陣超聲檢測技術(shù)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)無損檢測中，這是由于其具有檢測所用聲束靈活可控，檢測可靠、高效、受人為因素影響小、無輻射無污染、檢測結(jié)果直觀、可保存[1]的優(yōu)點。相關(guān)理論的逐漸完善[2-6]、檢測方法的不斷豐富[7-12]，以及國內(nèi)外相關(guān)標準、設(shè)備、軟件的逐步被認可、應(yīng)用[13-14]，特別是近兩年來該技術(shù)現(xiàn)場試驗的成功應(yīng)用，大大推動了相關(guān)行業(yè)標準形成的進程，進一步加快了該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

相控陣超聲檢測中，可以采用超聲斜入射脈沖橫波回波法，設(shè)置探頭位置和檢測所用聲束的扇形掃描角度范圍實現(xiàn)待測區(qū)域的全部檢測。其中，在聲場的近場范圍內(nèi)，聲波可以有效聚焦，所以常采用相控聚焦方法提高檢測精度；在遠場采用非聚焦聲場，減小聲束發(fā)散角，提高檢測橫向分辨力。因此需要研究相控陣超聲檢測中聲場的分布特性，以指導檢測方法與工藝的研究。強天鵬[15]等給出了近場區(qū)長度計算方法，并測量了近場區(qū)長度對聚焦法則的變化規(guī)律，但未考慮楔塊角度，且計算需要修正因子。孫芳[16]等將帶有楔塊的相控陣超聲檢測問題簡化為液-固界面上的聲傳播問題，推導了平面波入射液-固界面的聲透射系數(shù)。張迪等研究了薄板相控陣超聲檢測中Lamb波聲場的分布特性[17]。周正干等[18]研究了相控陣超聲檢測L形工件時的檢測聲場。姜學平等計算了不同入射角度下，聲波在楔塊-工件界面的透射系數(shù)，結(jié)合實際應(yīng)用給出扇形掃描折射角度范圍為38°～75°的建議值，推導了聲波在不同位置聚焦時各陣元相對延時的解析計算公式[19-20]。但目前對相控陣超聲檢測聲場近場區(qū)長度的計算研究相對較少，由于聲場只能在近場區(qū)聚焦，所以這個長度對檢測工藝設(shè)計中是否采用聚焦聲場檢測有較重要的參考作用。

文章基于幾何聲學的方法，通過計算相控陣超聲探頭輻射不同角度偏轉(zhuǎn)聲束的有效聲輻射口徑，推導偏轉(zhuǎn)聲束近場區(qū)長度與探頭的聲輻射口徑和楔塊相關(guān)參數(shù)的關(guān)系；采用半解析的數(shù)值計算方法仿真聲場，觀測近場區(qū)長度，仿真結(jié)果與理論推導計算結(jié)果吻合。

1 相控陣探頭楔塊偏轉(zhuǎn)聲場的近場區(qū)長度解析計算

一般情況下，均勻各向同性材料工件，特別是在焊縫的相控陣超聲檢測中，探頭輻射聲場至楔塊中，經(jīng)楔塊、楔塊-工件滑移界面，在界面上發(fā)生模式轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生橫波進入待檢工件中。

該部分的推導是基于幾何聲學假設(shè)進行的。聲束由聲線表示，各聲線獨立傳播，聲線會發(fā)生折射、反射、衍射和衰減等。這里只考慮聲波折射的情況。利用聲線追蹤法(幾何聲學法)可以近似計算聲場近場區(qū)長度，輔助檢測工藝設(shè)計。

圖1 線性相控陣探頭輻射偏轉(zhuǎn)聲場近場區(qū)長度計算示意

圖1為線性相控陣探頭輻射偏轉(zhuǎn)聲場近場區(qū)長度計算示意。如圖1所示，一維線性相控陣超聲換能器激活口徑(active aperture)為A0，楔塊傾斜角度為α，Li為聲波沿著聲軸線在楔塊中傳播的距離，楔塊中的縱波聲速為cw，工件中聲速為cs，聲頻率為f。假定某延時法則使聲束在工件中的折射角為θt，此時楔塊中等效的聲輻射口徑由原來的A0變?yōu)锳w，入射角為θi。這里，下標i表示入射波，t表示透射波。根據(jù)Snell定律，可得：

由幾何關(guān)系，得:

當折射角為θt時，將相控陣探頭通過楔塊向待檢測工件中輻射偏轉(zhuǎn)聲場類比為探頭向單一介質(zhì)中輻射聲場，類比探頭對應(yīng)的口徑為有效聲輻射口徑Aeff：

設(shè)待檢測工件中的聲波長為：

探頭向單一介質(zhì)中輻射聲場的近場區(qū)長度可以表示為[21]：

將式(2)，(3)和(4)代入式(5)中，減去聲波在楔塊中傳播的等效距離，即可得到相控陣探頭聯(lián)合斜楔塊組合系統(tǒng)輻射偏轉(zhuǎn)波時，在待檢測工件中的近場區(qū)長度為：

比起近場區(qū)長度，檢測中更常用的是檢測深度，所以計算近場區(qū)深度為：

由式(6)可見，相控陣偏轉(zhuǎn)聲場近場區(qū)長度與頻率、工件中的聲速、探頭聲輻射口徑、楔塊角度和偏轉(zhuǎn)角度有關(guān)。其他條件不變的情況下，探頭聲輻射口徑越大，近場區(qū)長度越大；工件中聲波λt越大，近場區(qū)長度越??；對于材料確定的工件的檢測，頻率越高，近場區(qū)長度越大，有效聚焦范圍越大，但實際檢測中頻率的確定，需要考慮材料引起的信噪比和聲衰減影響；而近場區(qū)長度隨偏轉(zhuǎn)角度的變化，從公式中不易看出，可通過計算進行討論。

設(shè)工件中的聲傳播速度ct=3 236 m·s-1，ci=2 330 m·s-1，Li=12.3 mm，A0=9.50 mm，α=36.2°，f=5.0 MHz，實際檢測中一般用負方波脈沖激勵換能器輻射聲波，將方波脈沖寬度乘以2后求倒數(shù)約定為檢測聲場頻率f，聲束偏轉(zhuǎn)35°～72°時近場區(qū)長度和偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線見圖2。

圖2 36°～72°偏轉(zhuǎn)下近場區(qū)長度/近場區(qū)深度和折射偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線

由圖2可見，一般的焊逢檢測中，折射角為36°～72°的情況下，當相控陣探頭和楔塊確定時，偏轉(zhuǎn)角度越大，近場區(qū)長度越小，聲場可以有效聚焦的范圍就越小。

2 相控陣探頭楔塊偏轉(zhuǎn)聲場的近場區(qū)長度仿真分析

聲場仿真采用鉛筆法的半解析計算。將聲輻射面上的各點視為點聲源，求解區(qū)域離散成點陣；在彈性介質(zhì)中，距點源足夠遠的計算點(即場點)處聲波近似為平面波，平面波的振幅隨著傳播距離的增加而不斷減??；從探頭各陣元發(fā)出的聲波經(jīng)過楔塊、楔塊-工件平面滑移接觸面后進入待檢測工件中，場點處的聲振幅即為各個點聲源在該點貢獻的疊加[22]；計算求解域中各點的聲壓，最后得到聲場分布。采用的工件的參數(shù)為：尺寸(長×寬×高),300 mm×200 mm×150 mm；橫波聲速，3 236 m·s-1；縱波聲速，5 916 m·s-1；密度，7.8 g·cm-3。由于工件材料各向同性，且在鋼中傳播距離較短，故忽略聲衰減。探頭的詳細參數(shù)為：矩形陣元間距，0.6 mm；陣元個數(shù)，16；單個陣元長度，10 mm；激活口徑，9.5 mm。楔塊的各方向尺寸示意見圖3。楔塊材料為有機玻璃，其詳細參數(shù)為：橫波聲速，1 136 m·s-1；縱波聲速，2 330 m·s-1；密度，1.18 g·cm-3；L1，9.72 mm；L2，13.30 mm；L3，23.0 mm；L4(即Li)，12.3 mm；入射角α，36.2°。計算參數(shù)為：偏轉(zhuǎn)角度，35°～75°(第一臨界角時，折射橫波的折射角度為33°，需要避免聲速的變化引起鋼中出現(xiàn)縱波)；計算橫波分布區(qū)域，80 mm×42 mm。計算折射角角度分別為45°、50°、55°和60°時的聲場，其中當折射角為55°時，各陣元沒有相對延時。仿真結(jié)果見圖3。

圖3 楔塊各方向尺寸示意

從圖4可見，工件中只有一種波傳播，這是由于在工件中聲波的入射角大于第一臨界角，工件中只有模式轉(zhuǎn)換橫波。提取圖4各分圖中聲軸上聲壓隨距離的變化曲線，取最遠的極大值到聲輻射面的距離為近場區(qū)長度，代入式(7)可求得近場區(qū)深度，并與式(6)和式(7)聯(lián)合的計算結(jié)果進行比較，見表1和圖5(相控陣超聲探頭5 MHz，16陣元，陣元間距0.6 mm，楔塊傾角36.2°，自然偏轉(zhuǎn)時楔塊中聲程12.3 mm)。

由表1和圖5可見，理論計算和仿真結(jié)果一致，所以可用式(6)和式(7)計算線性相控陣超聲探頭偏轉(zhuǎn)聲場的近場區(qū)長度和近場區(qū)深度，以便指導工藝設(shè)計。

圖4 不同折射角的聲場仿真結(jié)果

圖5 相控陣偏轉(zhuǎn)不同角度時近場區(qū)深度的理論計算和仿真結(jié)果對比

表1 不同偏轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的近場區(qū)長度和近場區(qū)深度

3 結(jié)論

采用有效聲輻射口徑和幾何聲學的方法，計算了相控陣探頭輻射偏轉(zhuǎn)聲場的近場區(qū)長度，研究了相控陣探頭輻射聲場的近場區(qū)深度隨偏轉(zhuǎn)角度變化的關(guān)系，理論計算與仿真結(jié)果吻合。結(jié)果發(fā)現(xiàn)探頭越大，偏轉(zhuǎn)角度越小，近場區(qū)長度越大，即可以采用聚焦聲束檢測的深度越大。

檢測時，可以通過計算近場區(qū)長度來判斷是否適合采用聚焦聲場；也可以估計近場區(qū)深度，以判斷現(xiàn)場偏轉(zhuǎn)非聚焦聲束檢測中校準設(shè)備時，DAC曲線的合理性。即當DAC曲線的最大峰值點在近場區(qū)深度附近時，則一般認為DAC曲線合理，可以進行后續(xù)工作。否則，DAC曲線不合理，不能檢測。

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TheoreticalStudyonNear-FieldLengthofAcousticFieldforPhasedArrayUltrasonicTesting

JIANGXueping1,YUEYunfei2,ZHUANGFengdong3,MAOXiaohu2,ZHENGHui4,HANQingbang1

(1.CollegeofIOTEngineering,HohaiUniversity,Changzhou213022，China;2.SpecialEquipmentSafetySupervisionInspectionInstituteofJiangsuProvince,Changzhou213016,China;3.PetroChinaJinxiPetrochemicalCompanyMachineryFactory,Huludao125001,China;4.ChinaSpecialEquipmentInspectionInstitute,Beijing100013,China)

Phased array ultrasonic testing method is of flexible, reliable, efficient and suitable for industrial nondestructive testing. Near-field length was investigated for phased array ultrasonic testing homogeneous isotropic work pieces using oblique incident pulse shear wave. The theoretical calculations of near-field length and the simulations of the acoustic field for various deflection angles in phased array ultrasound inspections were carried out. It is shown that the near-field length decrease with increasing deflection angles when using general plexi-glass wedge of inclination angle being 36.2°. The conclusions of this paper can provide some reference for designing the testing procedure.

phased array ultrasonic testing; sector scan; near-field length; focusing acoustic wave

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0033-04

2017-02-09

國家自然科學基金資助項目(11604076，11574072，11274092)；河海大學中央高?；鹳Y助項目(2015B04714)；江蘇省特檢院科技(科研)資助項目(KJ(Y)2016002)

姜學平(1983-)，男，講師，主要研究方向為超聲檢測

韓慶邦(1965-)，男，教授，主要研究方向為超聲檢測，HQB0092@163.com

10.11973/wsjc201710008