吳君豪 何雙起 羅 明 吳時(shí)紅 張 穎

0 引言

空氣耦合超聲檢測(cè)免除了傳統(tǒng)的液體耦合介質(zhì)，具有非接觸、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是超聲頻率低、檢測(cè)靈敏度低［1］?？諝怦詈铣曁筋^聲場(chǎng)存在一個(gè)“聲照區(qū)”，聲場(chǎng)的強(qiáng)度、聲束的寬度分別影響著穿透能力和橫向分辨率。了解探頭聲場(chǎng)分布，有助于提高檢測(cè)可靠性，亦可在仿真試驗(yàn)中利用測(cè)得的相關(guān)聲場(chǎng)特性，提高建模準(zhǔn)確性。V.KOMMAREDDY等對(duì)空氣耦合超聲聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，但缺少對(duì)聲場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的嚴(yán)格評(píng)價(jià)，也沒(méi)有深入分析聲場(chǎng)對(duì)檢測(cè)效果的影響［2］?？诐仍O(shè)計(jì)了一套空氣耦合超聲探頭的聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，但其可移植性較差［3］。本文提出的聲場(chǎng)測(cè)量方案可以運(yùn)用在任何二維空氣耦合掃查系統(tǒng)上，快速測(cè)量探頭的聲場(chǎng)特性?；谠摲桨福瑴y(cè)量了4種型號(hào)的空氣耦合超聲探頭聲場(chǎng)的指向性，數(shù)據(jù)結(jié)果豐富，并分析了其對(duì)缺陷檢測(cè)效果的影響。

1 測(cè)量方案

1.1 空氣耦合超聲探頭

待測(cè)的4種規(guī)格壓電型空氣耦合超聲探頭的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 探頭參數(shù)Tab.1 Probe parameters

1.2 測(cè)量系統(tǒng)搭建

空氣耦合超聲探頭聲場(chǎng)的測(cè)量借鑒了水聽(tīng)器測(cè)量超聲探頭聲場(chǎng)的方法，在接收探頭前安裝一個(gè)帶小孔的遮聲罩作為接收裝置，移動(dòng)得到空間每一點(diǎn)的聲壓，從而得到探頭的聲場(chǎng)指向性特性［4］。

聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)在平面二維空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)上改造得到。發(fā)射探頭固定在距離平臺(tái)一定高度位置且水平放置。接收探頭安裝在掃查架上且水平放置，能夠完成二維運(yùn)動(dòng)。將兩個(gè)探頭靠近，調(diào)整兩者高度和準(zhǔn)直度，保證發(fā)射探頭軸線處于接收探頭的運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)，如圖1（a）。遮聲罩良好的隔聲能力是準(zhǔn)確測(cè)量聲場(chǎng)的前提條件。用密度較大的金屬錸制作遮聲擋片，并利用套箍將其安裝在接收探頭前部，如圖1（b）。根據(jù)隔聲的基本規(guī)律［5］，當(dāng)聲波通過(guò)中間層，其隔聲量為：

式中，t1為聲波穿過(guò)薄板的聲強(qiáng)透射系數(shù)，k2為聲波在薄板中的波數(shù)，D為薄板厚度，R12、R21分別是薄板與空氣、空氣與薄板的聲阻抗之比。對(duì)比錸與普通不銹鋼的隔聲能力，見(jiàn)表 2，在空氣聲阻抗 409.7 N·s／m3，擋片厚度為1 mm的情況下，錸板隔聲量大于87 dB，且比不銹鋼高8 dB以上。另外，遮聲擋片中心透聲圓孔的直徑為0.8 mm，與被測(cè)探頭中心頻率對(duì)應(yīng)的最短波長(zhǎng)（約0.7 mm）相當(dāng)，較小的孔徑保證了聲場(chǎng)測(cè)量精度。

圖1 空氣耦合超聲探頭聲場(chǎng)測(cè)量方案Fig.1 Acoustic field measurement scheme for air－coupled ultrasonic probe

表2 不銹鋼和錸的隔聲能力對(duì)比Tab.2 Comparison of acoustic insulation ability between steel and rhenium

發(fā)射探頭的激勵(lì)脈沖周期數(shù)為3，掃查步進(jìn)間距為1 mm，掃查速度為100 mm／s，信號(hào)的采樣頻率為5 MHz。由于系統(tǒng)的采樣深度800 μs的限制，最遠(yuǎn)測(cè)量距離約為270 mm。

圖2 四種探頭的聲場(chǎng)分布Fig.2 Acoustic fields of four probes

2 結(jié)果及分析

四種探頭的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布情況見(jiàn)圖2。

對(duì)比 140、200 kHz平探頭聲場(chǎng)［圖 2（a）（b）］，可以發(fā)現(xiàn)，頻率較低的探頭聲束更寬、更發(fā)散，與理論相符。對(duì)比200 kHz平探頭和聚焦探頭聲場(chǎng)情況［（圖2（b）（c）］，可見(jiàn)平探頭的聲場(chǎng)整體上聲壓更高，對(duì)材料的穿透能力更好。聚焦探頭仍具有活塞聲源的特征，200、500 kHz聚焦探頭聲束存在旁瓣［圖 2（c） （d）］。

圖3 四種探頭核心部分的聲場(chǎng)分布Fig.3 Acoustic field in the center region of the four probes

為了觀察聲場(chǎng)中能量高的中心部位的情況，只將聲壓在－3～0 dB的部分顯示出來(lái)，得到的聲場(chǎng)分布如圖3所示，從該圖可以看到聲場(chǎng)核心區(qū)域的聲壓分布細(xì)節(jié)特征。

圖3表明，平探頭近場(chǎng)區(qū)聲壓存在極大極小值點(diǎn)，與理論相符，特別是200 kHz平探頭的近場(chǎng)區(qū)干涉效應(yīng)較明顯［圖3（b）］。因聚焦探頭壓電材料是球面狀的，所以因聲程差異造成的干涉效果較小，在近場(chǎng)區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯干涉效應(yīng)。500 kHz比200 kHz聚焦探頭的聲場(chǎng)聚焦效果好，聲束寬度更窄，表明其橫向分辨率優(yōu)于后者［圖 3（c）（d）］。

通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到四種探頭軸線上的聲壓分布（圖4），平探頭聲壓在近場(chǎng)存在波動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)定義，曲線上最后一個(gè)峰值所在位置為探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。

圖4 四種探頭軸線上的聲壓Fig.4 Acoustic pressure on the axes of the four probes

圖4 表明，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的聲衰減與探頭頻率有關(guān)，頻率越高聲壓衰減更快。500 kHz探頭遠(yuǎn)場(chǎng)軸線聲壓曲線上能看到球面波的衰減特性，即聲壓與距離成反比。圖4中四種探頭軸線上的近場(chǎng)聲壓的波動(dòng)反映了干涉效應(yīng)，140、200 kHz平探頭近場(chǎng)區(qū)的聲壓波動(dòng)明顯，而200、500 kHz聚焦探頭近場(chǎng)區(qū)的聲壓則較平穩(wěn)，與圖3的分析結(jié)果一致。

依據(jù)美國(guó)材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1065［6］對(duì)探頭的指向性參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，平探頭的評(píng)價(jià)參數(shù)包括近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、聲軸聲壓特性、聲束半擴(kuò)散角，聚焦探頭的評(píng)價(jià)參數(shù)包括焦區(qū)范圍、聲束聚焦角。表3中，平探頭的半擴(kuò)散角、近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的理論值是根據(jù)圓盤(pán)活塞聲源發(fā)射聲場(chǎng)指向性理論公式［7］計(jì)算得到的，聚焦探頭焦距的理論值指的是探頭的標(biāo)稱焦距。平探頭的半擴(kuò)散角、近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度比理論值小，特別是半擴(kuò)散角測(cè)量結(jié)果差異較大，說(shuō)明指向性理論僅可用于探頭聲場(chǎng)特性的粗略估計(jì)，仍需要測(cè)量才能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。聚焦探頭聲場(chǎng)存在一個(gè)焦區(qū)，在該范圍內(nèi)聲壓差異不大，標(biāo)稱焦距在該焦區(qū)范圍內(nèi)，說(shuō)明標(biāo)稱值是可靠的，在檢測(cè)中可以作為參考。

表3 空氣耦合超聲探頭聲場(chǎng)測(cè)量結(jié)果Tab.3 Acoustic field measurement results of air coupled ultrasonic probes

3 檢測(cè)結(jié)果與聲場(chǎng)的關(guān)系

超聲穿透法通過(guò)監(jiān)測(cè)穿透波信號(hào)幅度的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部分層缺陷的檢測(cè)，其檢測(cè)能力受到聲場(chǎng)特性（特別是聲束寬度）的影響［8］。

用真空熱壓罐法制作帶有分層缺陷的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料試樣。單層預(yù)浸料厚度為0.15 mm，總共鋪層20層，中間6層預(yù)浸料上切除5個(gè)的正方形區(qū)域（邊長(zhǎng)分別為 5、10、20、30、40 mm），用以模擬分層缺陷。固化成型之后得到帶有分層的試樣，如圖5（a）。結(jié)合聲場(chǎng)特性，對(duì)該試樣的穿透式空氣耦合超聲檢測(cè)效果進(jìn)行定性分析。

對(duì)比同頻率（200 kHz）聚焦探頭和平探頭的檢測(cè)結(jié)果（圖5），平探頭因?yàn)槁暿l(fā)散，缺陷邊緣模糊，易產(chǎn)生定量誤差。

對(duì)比試樣在200、500 kHz聚焦探頭下的檢測(cè)結(jié)果（圖6），后者能檢測(cè)到材料內(nèi)部紋理特征，因?yàn)楹笳邿o(wú)論是橫向分辨率（與聲束聚焦效果有關(guān)），還是縱向分辨率（與聲波頻率有關(guān)）都優(yōu)于前者。所以，在保證穿透能力的前提下，應(yīng)優(yōu)先使用高頻聚焦探頭。

圖5 試樣及200 kHz平探頭和聚焦探頭的檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Specimen and detection results of the 200 kHz focusing and flat probe

最后考察檢測(cè)距離的影響。圖7為試樣放置在距離200 kHz聚焦發(fā)射探頭10、30、70 mm下的檢測(cè)結(jié)果。30 mm下的檢測(cè)效果最好，支架鐵絲［直徑約1 mm，圖（b）上方的線條］依然清晰可見(jiàn)。70 mm下接收能量降低，圖像信噪比低，小缺陷（F1、F2、F3）不明顯，大缺陷（F4、F5）的邊緣模糊。所以，材料應(yīng)該放置在焦區(qū)內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。

圖7 檢測(cè)距離對(duì)結(jié)果的影響Fig.7 Effect of detection distance on the result

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)可以便捷、有效地測(cè)量空氣耦合超聲探頭聲場(chǎng)，分析聲場(chǎng)測(cè)量結(jié)果及其對(duì)檢測(cè)的影響有以下結(jié)論。

（1）空氣耦合超聲探頭的聲場(chǎng)特性與圓盤(pán)活塞聲源具有相似之處，如旁瓣、近場(chǎng)區(qū)的干涉效應(yīng)、軸線聲壓特性?？筛鶕?jù)ASTM E1065標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)探頭的聲場(chǎng)特性參數(shù)。根據(jù)圓盤(pán)活塞聲源理論推導(dǎo)得到的平探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度和半擴(kuò)散角，與實(shí)測(cè)值相比偏大。聚焦探頭的標(biāo)稱焦距在實(shí)測(cè)焦區(qū)范圍內(nèi)，實(shí)際檢測(cè)中，可以為確定檢測(cè)距離提供依據(jù)。

（2）不同型號(hào)空氣耦合超聲探頭的聲場(chǎng)特性存在較大差異。低頻率、平探頭的聲場(chǎng)能量高，穿透效果好，指向性較差，而高頻率、聚焦探頭聲場(chǎng)能量低，指向性好，檢測(cè)橫向分辨率高。在保證穿透能力的前提下，應(yīng)盡量選擇后者。

（3）根據(jù)探頭聲場(chǎng)分布情況，調(diào)整檢測(cè)距離，使被檢材料位于探頭的焦區(qū)內(nèi)，能夠提高檢測(cè)靈敏度。

參考文獻(xiàn)

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