郭佩文，史亦韋，盧超，梁菁，王曉

(1.南昌航空大學 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，江西 南昌 330063；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

0 引言

超聲檢測是國內(nèi)外無損檢測技術(shù)中使用頻率最高、應用最為廣泛且發(fā)展較快的一種技術(shù)方法[1]。超聲換能器的聲場分布情況直接影響檢測結(jié)果，為了更好地了解超聲換能器的聲場分布，對超聲換能器聲場進行探測進而實現(xiàn)可視化研究至關(guān)重要。

聲場指的是充滿聲波的空間，或在介質(zhì)中聲振動所波及的質(zhì)點占據(jù)的范圍。通常采用聲場中各質(zhì)點的聲壓、聲強、聲阻抗、位移或速度等物理量對聲場進行描述[2]。本文主要通過質(zhì)點的微小振動位移來表征聲場，進而實現(xiàn)對超聲換能器產(chǎn)生的超聲場的可視化。

目前，對于超聲場的可視化主要有以下手段：第一，基于波動方程，建立超聲波聲場的數(shù)學模型，并進行模擬仿真成像，這種方法理論性強，并非實測結(jié)果[3]；第二，利用水聽器測量超聲波在水中的三維聲壓分布，可對三維聲場進行實時和精確成像。但它必須盡可能是寬帶、線性和無方向性的，且測量結(jié)果受水聽器特性的影響較大[4]；第三，通過測量鋁箔因超聲作用而產(chǎn)生的變形情況，實現(xiàn)超聲場的二維定量表征及成像。這種方法能形成聲場圖像信息，但不能形成隨時間變化的動態(tài)圖像，同時所測聲場必須達到使鋁箔變形的強度[5]；第四，采用紋影成像法實時獲得換能器的全部聲場分布，它是基于超聲波產(chǎn)生的密度梯度使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，利用紋影法配合高速照相機使液體中的瞬態(tài)聲場可視化。但是對于低頻換能器，需要的紋影儀器必須具備高靈敏度，儀器要求較高[6]。此外，還有球靶法和基于光彈性原理的動態(tài)光彈數(shù)字化成像法，但都分別局限于液體介質(zhì)和透明介質(zhì)中[7-8]。

由于運用光學方法對聲場和聲源極少存在干擾，又能利用光波短波長這一特性對聲場參數(shù)進行高精度絕對測量而深受人們關(guān)注[9-10]。本文立足于超聲換能器聲場的激光可視化研究，搭建了超聲換能器聲場激光可視化平臺，利用激光散斑干涉測振技術(shù)對試樣表面質(zhì)點一段時間內(nèi)的微小振動位移進行探測，通過區(qū)域掃查，得到一定范圍內(nèi)全部質(zhì)點在一段時間中的振動情況，以此表征超聲換能器產(chǎn)生的超聲聲場。分別從聲場隨時間變化，聲場隨厚度變化，聲場隨超聲換能器晶片直徑變化等三個方面，對試驗結(jié)果進行了分析，最后將實測聲場擴散特征與理論分析的聲場擴散特征進行比較，以驗證該方法的準確性。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

根據(jù)超聲聲場理論，超聲換能器近場區(qū)的聲壓分布不均勻，聲場軸線上的聲壓出現(xiàn)極大值和極小值的交替變化，其變化過程和相關(guān)性質(zhì)較為復雜，缺少一定的規(guī)律性，且在實際檢測過程中一般避免在近場區(qū)進行操作，因此全部試驗所使用的試樣的厚度都大于換能器聲場近場區(qū)的長度。

試驗采用實際檢測中最為常用的V110和V109兩種型號的超聲換能器，其中心頻率均為5 MHz，晶片直徑分別為0.635 cm和1.27 cm。由兩種超聲換能器的參數(shù)可知，V109換能器的晶片直徑大，產(chǎn)生的振動能量高，同時，換能器晶片直徑大，半擴散角減小，聲束指向性好，使得振動能量更為集中，而V110換能器的特點則與之相反。

根據(jù)已知的鋁合金試樣中的聲速、換能器的晶片直徑和換能器的頻率得到波源直徑Ds和波長λ，近場區(qū)長度的計算公式為

(1)

求出試驗用的V109換能器和V110換能器的近場區(qū)長度N分別為32 mm和8 mm。因此，取一個長244 mm、寬80 mm、高90 mm的長方體鋁合金厚板，且沿長度方向為其軋制方向。垂直于軋制方向?qū)⒑癜宸指畛珊穸葹?2，50，65.5，96 mm的四個試樣并將其表面磨光，如圖1所示。

1.2 試驗方法

試驗搭建的超聲換能器聲場激光可視化平臺如圖2所示。該試驗平臺由計算機、信號發(fā)生器(泛美5800)、超聲換能器、激光接收器和干涉儀搭建組成。

圖1 鋁合金試樣示意圖

圖2 激光可視化平臺結(jié)構(gòu)圖

試驗利用以激光干涉原理為基礎(chǔ)的激光散斑干涉測振技術(shù)，對試樣表面質(zhì)點的微小振動位移進行探測。激光散斑干涉是指被測物體表面的散射光產(chǎn)生的散斑與另一參考光相干涉，當被測試樣的表面發(fā)生微小振動時，散斑與參考光之間的光程差發(fā)生變化，輸出的干涉條紋也會隨之移動[11-14]。通過對輸出的干涉條紋進行分析處理，就可以得到試樣表面質(zhì)點的微小振動位移信號[15-18]。試驗中采用的激光散斑接收器的輸出信號電壓與所測表面質(zhì)點的位移滿足關(guān)系式

V=F·s

(2)

式中：V為輸出電壓；s為質(zhì)點的離面位移；F為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

試驗中，通過調(diào)節(jié)激光焦距，使F保持在100 V/μm左右。實驗平臺的具體工作流程如下。

在信號發(fā)生器給超聲換能器一個激勵信號的同時，給通道1(CH1)一個同步信號，使計算機開始計時并準備接收由通道0(CH0)傳來的信號，實現(xiàn)信號發(fā)生器和干涉儀的同步。當激光照射在試樣背面某一位置時，超聲換能器發(fā)射的超聲波穿透試樣，試樣背面激光照射位置產(chǎn)生的表面微小振動位移被激光接收器接收，并通過干涉儀形成電信號，通過CH0傳給計算機，最終形成A掃圖形，以此表征某一點的振動位移隨時間的變化情況，如圖3所示。

圖3 某一點的A掃圖

再通過二維掃查(掃查面積50×50 mm)得到各點的A掃圖。采用全波采集記錄下各點的A掃描波形，將所有被掃查點在某一時刻的振動幅值進行成像，得到某一時刻表面振動位移的C掃圖，如圖4所示。對比不同時刻表面振動位移C掃圖，可以反應聲場的擴散情況。

圖4 某一時刻的C掃圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 超聲換能器聲場隨時間變化的激光可視化

不同時刻下，V110換能器在70 mm厚度試樣背面產(chǎn)生的表面振動位移如圖5所示。

圖5 隨時間變化的超聲換能器聲場C掃圖

由圖5可見，當超聲波剛剛傳遞到試樣表面時，質(zhì)點振動主要集中在軸線附近，隨時間增加，振動逐漸從軸線向外傳遞，且沿各方向的傳遞速度一致，因此形成的質(zhì)點振動等高線呈現(xiàn)圓形。這一現(xiàn)象還可說明超聲傳播路徑上材料無明顯各向異性。

另一方面，從圖5還可以看到，各質(zhì)點先遠離表面，然后發(fā)生回彈，產(chǎn)生向著表面內(nèi)部的位移，此后不再有明顯的遠離表面的位移，這是由于超聲換能器激勵的超聲脈沖寬度窄，脈沖之后的振動得到了有效的阻尼，已被雜波覆蓋。

2.2 超聲換能器聲場隨試樣厚度變化的激光可視化

采用V109換能器，在厚度不同的四個試樣中，分別取中心位置振幅最高時刻的各質(zhì)點振幅并繪制成三維圖，如圖6所示。

圖6 不同厚度試樣在振動峰值時刻的振動三維圖

從圖6中可以看到，不同試樣的表面振幅的分布均呈現(xiàn)出較為規(guī)則的圓錐形，軸線位置振幅最大。理論上，換能器遠場區(qū)中心軸線上的聲壓最高，偏離中心軸線聲壓逐漸降低，且同一橫截面上聲壓的分布完全對稱[19-20]。又因為聲場的聲壓和質(zhì)點振幅成正比關(guān)系，因此實驗結(jié)果與理論分析一致。

各試樣中振幅峰值與厚度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 厚度-峰值直角坐標圖

由圖7可見，隨著鋁合金試樣厚度的增加，振幅峰值依次遞減。這是由于位于遠場區(qū)聲場的聲壓隨距離的增加而單調(diào)減小，實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

根據(jù)聲束擴散理論，試樣厚度Z與聲束直徑D的關(guān)系式為

(3)

式中：DS為波源直徑；λ為波長。

各試樣中心位置振幅最高時刻的聲場C掃圖如圖8所示。

圖8 不同厚度試樣在振動峰值時刻的聲場C掃圖

由圖8可測得各試樣中聲束直徑，根據(jù)聲場擴散理論計算的各試樣中的理論聲束直徑與實測值對比如表1所示

表1 聲束直徑理論計算值與實測值對比 mm

由表1可見，實測聲束直徑與理論計算的聲束直徑保持基本一致。

2.3 超聲換能器聲場隨換能器晶片直徑變化的激光可視化

在70 mm厚鋁合金試樣上，V109換能器和V110換能器中心位置振幅最高時各質(zhì)點振幅如圖9所示。

可以看到，不同晶片直徑超聲換能器在同一試樣上產(chǎn)生的振動存在明顯差異。V109換能器產(chǎn)生的質(zhì)點振動位移約為V110產(chǎn)生的位移的4倍，振動所影響的面積也遠大于后者。這是因為，V109的晶片直徑大，產(chǎn)生的振動能量高，同時，換能器晶片直徑大，半擴散角減小，聲束指向性好，使得振動能量更為集中。

圖9 不同晶片直徑下超聲換能器聲場的最高峰值時刻3D圖

這一結(jié)果說明利用該方法可以實現(xiàn)超聲換能器聲場的有效檢測。

3 結(jié)論

在遠場區(qū)超聲換能器聲場呈軸對稱分布，微小振動位移的最大值位于中心軸線上，聲場的能量主要集中在軸線附近，隨著時間的變化，超聲換能器聲場的微小振動位移逐漸從中心軸線向外傳遞。利用搭建的激光可視化平臺，能夠形象直觀的檢測到超聲換能器聲場隨時間變化這一動態(tài)過程。

超聲換能器聲場強度隨傳播距離增加而減小，聲軸線上的微小振動位移量相應地隨試樣厚度增加而減小，利用搭建的激光可視化平臺，能夠直觀的反映出這一變化趨勢。通過聲束直徑的實測值與理論值對比，證實了利用此激光可視化方法對超聲換能器聲場測量的準確性。

超聲換能器晶片直徑越大，超聲換能器聲場軸線上的微小振動位移越大，整個超聲換能器聲場也就越強。利用激光可視化平臺，能夠反映上述規(guī)律，驗證了該方法的有效性。

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