安兆亮 陳繼紅 陳文王 鄧崢 周子煒 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

小球法測量超聲水浸探頭聲場底座影響分析*

安兆亮 陳繼紅 陳文王 鄧崢 周子煒 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

使用平面、斜面、圓錐和無底座幾種類型的小球反射體，對平面超聲水浸探頭的遠近場分界點和聲束寬度參數(shù)進行了測量，分析了當(dāng)下主流測試標準中小球反射法測量時底座設(shè)定的發(fā)展趨勢和合理性。

小球反射法；超聲水浸探頭；底座；遠近場分界點；聲束寬度

0 引言

超聲水浸探頭的測量方法有小球反射法、水聽器法、輻射力法、光學(xué)檢測法等[1]幾種，小球反射法作為最接近實際測量狀況的測試方法，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，無需考慮水聽器等傳感器的配置，一直受到廣大技術(shù)人員的喜愛，應(yīng)用廣泛。小球通常由球狀靶、支桿和底座三部分構(gòu)成，底座作為穩(wěn)定部件[2]，必須有足夠大的體積，同時也成為反射體，對測量會造成影響。

1 測量裝置和選用的底座

裝置如圖 1所示。采用 ARS401超聲發(fā)射接收儀作為信號提供和接收裝置，電動掃描架的步進為0.1 mm。被測選用的平面超聲水浸探頭晶片直徑為6 mm，施加在其上的信號頻率為5 MHz。球靶直徑都為4 mm，支桿直徑1 mm，長度50 mm。實驗用水為經(jīng)加熱去氣處理的飲用水，實驗過程中水溫20 ℃。

小球底座選用以下幾種：

1）平面底座：水聲橡膠，圓盤直徑100 mm，厚10 m。

2）斜面底座[3]：傾斜角度40°，材質(zhì)水聲橡膠，底面方形100 mm×100 mm。

3）圓錐底座：水聲橡膠，半頂角40°，底面直徑100 mm。

4）無底座：球靶由另一機構(gòu)夾持懸與水槽中，見圖2。

2 遠近分界點的測量

調(diào)節(jié)被測超聲水浸探頭，使其沿中心軸（z軸）移動時始終對準測試水槽中的球靶，測量探頭和球靶間不同距離的回波幅度，標出回波最高時對應(yīng)的距離就是遠近場的分界點Lf0。

圖1 常規(guī)小球反射法測量超聲水浸探頭聲場特性示意圖[4]

圖2 無底座小球反射法測量超聲水浸探頭聲場特性示意圖[5]

具體的遠近場分界點位置見表1，可見四種類型的測量結(jié)果很接近，但后三種類型的的反射回波更為明顯，更容易找尋判斷分界點，這在圖3中可直觀地看到。

3 聲束寬度的測量

在遠近場的分界點Lf0所在剖面，移動超聲水浸探頭在其正負x，y四個方向掃查，測量球靶回波幅度最高的點（即Lf0）和回波幅度下降6 dB時的探頭移動距離Wx+，Wx-，Wy+，Wy-，可以得到探頭x方向和y方向的聲束寬度[6]。

表1 幾種類型小球反射法測量得到的超聲水浸探頭遠近場分界點

圖3 幾種類型小球反射法測量得到的超聲水浸探頭z軸距離-回波聲壓歸一化值曲線

表2 幾種類型小球反射法測量得到的超聲水浸探頭聲束寬度

可見平面底座和無底座的測量結(jié)果形狀比較一致，較為對稱，斜面和圓錐底座的測量結(jié)果出現(xiàn)不規(guī)程的畸變。斜面底座畸變應(yīng)為兩側(cè)高低不同反射不一致所致，圓錐底座畸變則是支桿與圓錐連接時難于保證其絕對正中，從而造成反射不對稱。

4 結(jié)語

綜上，底座對小球反射法測量超聲水浸探頭聲場特性有著較明顯的影響，較早的JB/T 10062-1999《超聲探傷用探頭性能測試方法》采用圓錐底座用于距離幅度測量，在GB/T 18694-2002《無損檢測超聲檢驗 探頭及其聲場的表征》中卻采用了平面底座的設(shè)定。說明平面底座雖然在找尋遠近場分界點時，回波對比相對較弱，但在焦平面測量時卻有著優(yōu)點，綜合考慮后取代了圓錐底座。在最新的 ASTM E 1065-2014《Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units（評估超聲波探測裝置特性的標準指南）》中采用了無底座的設(shè)定，這是一個更好的選擇，但也對測量的實施提出了更高的要求。

[1]韓波，梁菁，史亦韋，等.國內(nèi)外超聲波探頭測試與評價標準的比較與分析[J].無損檢測，2014，35（2）：71-74+80.

[2]馮若.超聲手冊[M].南京：南京大學(xué)出版社，1999.

[3]周世圓，徐圓飛，徐春廣，等.用于提高超聲液浸換能器聲場測量精度的反射座的制作方法.中國：ZL 200810172296.X[P].2009.3.18.

[4]全國無損檢測標準化技術(shù)委員會.GB/T 18694-2002無損檢測 超聲檢驗 探頭及其聲場的表征[S].北京：中國標準出版社，2002.

[5]汕頭超聲儀器研究所.JB/T 10062-1999 超聲探傷用探頭性能測試方法[S]. 北京：中國標準出版社，1999.

Effect of base on measurement results of acoustic field characteristics of ultrasonic immersion probe by ball target reflection method

An Zhaoliang，Chen Jihong，Chen Wenwang，Deng Zeng，Zhou Ziwei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing technology）

The base as large volume support, its shape have great influence on the measurement.In this paper, far and near field boundary points and beam width parameters of a planar ultrasonic immersion probe are measured,by using plane base、inclined base、conical base and no base. The development trend and rationality of regulation in the current mainstream testing standards are analyzed.

Ball target reflection method; ultrasonic immersion probe;base; far and near field boundary points; beam width

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2016QK115）