,, ,

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院, 北京 100029;2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029;3.中石油渤海裝備中成裝備制造公司, 天津 300280)

相控陣超聲檢測(cè)使用多個(gè)陣元合成檢測(cè)用激發(fā)孔徑，通過(guò)控制不同陣元的激勵(lì)時(shí)序、電壓、波形等參數(shù)對(duì)檢測(cè)聲場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，在保證檢測(cè)靈敏度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的針對(duì)性覆蓋。相控陣超聲具有靈活性、復(fù)雜結(jié)構(gòu)適用性以及檢測(cè)結(jié)果圖像化、可記錄等特點(diǎn)，隨著儀器設(shè)備的成熟，其在實(shí)際工程檢測(cè)中的應(yīng)用日益廣泛[1]。

相控陣超聲對(duì)聲場(chǎng)的調(diào)控是通過(guò)不同陣元聲場(chǎng)的干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。在激發(fā)孔徑的近場(chǎng)區(qū)存在干涉相消和干涉相長(zhǎng)兩種效應(yīng)，通過(guò)激勵(lì)時(shí)序的控制即可實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦、偏轉(zhuǎn)等；在激發(fā)孔徑的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)則僅存在干涉相長(zhǎng)效應(yīng)，通常僅能實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)。

與常規(guī)超聲相比，使用相同的檢測(cè)孔徑，相控陣超聲通過(guò)聲場(chǎng)調(diào)控可以將近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的檢測(cè)靈敏度提高；而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)，由于僅具備偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，相控陣超聲的檢測(cè)靈敏度與相同指向斜探頭的檢測(cè)靈敏度相近。

相控陣超聲檢測(cè)中，將目標(biāo)區(qū)域放在近場(chǎng)區(qū)，采用體積型多點(diǎn)聚焦掃描的方式可以同時(shí)兼顧靈敏度和檢出率；但目前在工程實(shí)際應(yīng)用的相控陣超聲設(shè)備中，僅有少數(shù)全聚焦設(shè)備(Full Matrix Capture Phased Array)具備上述功能，大多數(shù)設(shè)備僅采用定焦深多角度的掃描方式，一個(gè)角度上通常只有一個(gè)焦點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中焦點(diǎn)深度的選擇通常與檢測(cè)對(duì)象的壁厚相關(guān)，而較少考慮近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)對(duì)檢測(cè)效果的影響[2-3]。針對(duì)上述現(xiàn)狀，以CIVA仿真軟件為工具，通過(guò)相控陣超聲檢測(cè)聲場(chǎng)及缺陷響應(yīng)的仿真分析，對(duì)相控陣超聲檢測(cè)中的焦點(diǎn)位置及近場(chǎng)區(qū)影響進(jìn)行研究，總結(jié)了焦點(diǎn)位置選擇的基本原則，為相控陣超聲檢測(cè)的工程應(yīng)用提供參考。

1 超聲檢測(cè)的近場(chǎng)區(qū)

1.1 常規(guī)超聲的近場(chǎng)區(qū)

圖1 圓盤波源聲束軸線上的聲壓分布及近場(chǎng)區(qū)示意

超聲檢測(cè)中，在波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)的一系列聲壓極大、極小值區(qū)域，稱為超聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，又叫菲涅爾區(qū)。波源聲束軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離稱為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，通常用N表示[4]。圓盤波源聲束軸線上的聲壓分布及近場(chǎng)區(qū)示意如圖1所示，使用CIVA軟件，對(duì)10 MHz，φ10 mm的超聲縱波探頭進(jìn)行仿真計(jì)算，分別計(jì)算連續(xù)波激勵(lì)產(chǎn)生的聲場(chǎng)和脈沖波激勵(lì)產(chǎn)生的聲場(chǎng)。對(duì)比可知，連續(xù)波激勵(lì)條件下，聲波的相干長(zhǎng)度較大，干涉效應(yīng)明顯，在近場(chǎng)范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)，遠(yuǎn)場(chǎng)也呈現(xiàn)出干涉條紋，而脈沖波激勵(lì)的聲場(chǎng)波動(dòng)較小，僅有2個(gè)明顯的極值點(diǎn)。

由以上聲場(chǎng)圖像可知，無(wú)論采用連續(xù)波還是脈沖波激勵(lì)，波源的近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)均存在較強(qiáng)的聲壓波動(dòng)和一定數(shù)量的極值點(diǎn)。在實(shí)際檢測(cè)中，如果缺陷位置與極小值點(diǎn)疊加，則回波較弱，可能造成漏檢；如果缺陷位置與極大值點(diǎn)疊加，則回波增強(qiáng)，在采用當(dāng)量法評(píng)判時(shí)會(huì)誤判缺陷大小。因此，在常規(guī)超聲檢測(cè)中，通常避免在近場(chǎng)區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，特別是在采用當(dāng)量法的定量檢測(cè)中。

1.2 相控陣超聲的近場(chǎng)區(qū)

超聲探頭的近場(chǎng)區(qū)可以按式(1)進(jìn)行估算[4]。

(1)

式中：N為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度；Fs為超聲探頭的激勵(lì)面積;λ為介質(zhì)中的超聲波波長(zhǎng)。

由式(1) 可知，近場(chǎng)長(zhǎng)度與探頭的孔徑面積有關(guān)，對(duì)于常規(guī)探頭，近場(chǎng)長(zhǎng)度是固定的；但對(duì)于孔徑可變的相控陣探頭，其近場(chǎng)長(zhǎng)度可以通過(guò)調(diào)整激勵(lì)孔徑進(jìn)行優(yōu)化，而并非定值。為了便于分析，文中均以某一確定的激勵(lì)孔徑為基礎(chǔ)。

相控陣超聲通過(guò)調(diào)整不同陣元的激勵(lì)或接收時(shí)間，在目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)和檢測(cè)靈敏度的加強(qiáng)，從而提高對(duì)特定區(qū)域缺陷的檢出能力。相控陣超聲對(duì)檢測(cè)聲場(chǎng)的調(diào)控有兩種基本方式，即聚焦和偏轉(zhuǎn)，相控陣超聲對(duì)聲場(chǎng)的2種調(diào)控方式示意如圖2所示。建立如圖2所示的右手坐標(biāo)系，圖中A為相控陣超聲的激勵(lì)孔徑，e為相控陣超聲探頭中的陣元寬度，P為兩個(gè)陣元間的中心距，則對(duì)第一象限中的任意點(diǎn)P0，聚集于該點(diǎn)的延時(shí)法則如式(2)所示。

Δti=T0-

(2)

式中：Δti為第i個(gè)陣元的激勵(lì)時(shí)刻；T0為一常量，用來(lái)保證Δti為正值；R為焦點(diǎn)相對(duì)孔徑中心的距離；θ為焦點(diǎn)相對(duì)于孔徑對(duì)稱軸的偏角，逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)；n為組成激勵(lì)孔徑的陣元數(shù)；i為當(dāng)前陣元的編號(hào)；c為介質(zhì)中的聲速。

圖2 相控陣超聲對(duì)聲場(chǎng)的2種調(diào)控方式示意

如果聚焦點(diǎn)與孔徑中心的距離為∞，則式(2)失效，需按圖2(b)所示的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)控，即相控陣聲場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，具體計(jì)算如式(3)所示。

(3)

在實(shí)際檢測(cè)中，根據(jù)檢測(cè)需求進(jìn)行聚焦調(diào)控。

對(duì)于相控陣超聲探頭，其近場(chǎng)長(zhǎng)度通常按圖2(b)所示的聚焦法則進(jìn)行估算，對(duì)于不同的偏轉(zhuǎn)角度，一維線陣探頭的近場(chǎng)長(zhǎng)度可按式(4)進(jìn)行估算。

(4)

由式(4)可知，隨著偏轉(zhuǎn)角度的變大，有效孔徑減小，近場(chǎng)長(zhǎng)度變短；但需要注意的是，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大，遠(yuǎn)端陣元的輻射能量減弱，實(shí)際孔徑會(huì)減小得更快，能量也更弱，所以實(shí)際檢測(cè)中很少使用超出探頭生產(chǎn)商推薦角度的偏轉(zhuǎn)。

對(duì)θ為0°,10°,20°,30°, 40°,50°時(shí)的相控陣超聲聲場(chǎng)進(jìn)行仿真，其近場(chǎng)長(zhǎng)度示意如圖3所示，由圖3可知，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大，不僅近場(chǎng)區(qū)前移，而且聲束的遠(yuǎn)場(chǎng)能量也在減弱；但不同角度的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓分布近乎平行。

由圖3可以看出，雖然相控陣超聲在各個(gè)偏轉(zhuǎn)角度上的聲場(chǎng)分布在強(qiáng)度上有一定差異，但整體趨勢(shì)具有很高的相似性，因此為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，在對(duì)焦點(diǎn)位置的研究中，統(tǒng)一選用0°入射的聲場(chǎng)作為代表，通過(guò)對(duì)焦點(diǎn)深度的改變探討焦點(diǎn)位置對(duì)檢測(cè)能力的影響，并將結(jié)論推廣到其他偏轉(zhuǎn)角度的聲場(chǎng)中。

圖3 相控陣超聲不同偏轉(zhuǎn)角度的近場(chǎng)長(zhǎng)度示意

2 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

2.1 檢測(cè)聲場(chǎng)的參數(shù)選擇及試驗(yàn)條件

參考常規(guī)超聲對(duì)檢測(cè)聲場(chǎng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，將檢測(cè)靈敏度和缺陷定量能力作為相控陣超聲檢測(cè)中聲場(chǎng)選擇的主要參數(shù)。其中，檢測(cè)靈敏度是指在目標(biāo)區(qū)域或聲場(chǎng)覆蓋區(qū)域發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力；缺陷定量能力是指發(fā)現(xiàn)缺陷后對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定量的可能性。檢測(cè)靈敏度主要受相控陣超聲場(chǎng)的強(qiáng)度和接收聚焦法則影響，缺陷定量能力則受聲場(chǎng)的均勻性和可補(bǔ)償特征影響。

主要通過(guò)CIVA仿真試驗(yàn)的方法對(duì)近場(chǎng)焦點(diǎn)和遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)的能力進(jìn)行分析，其中檢測(cè)對(duì)象為均勻碳鋼材料，縱波聲速為5 900 m·s-1,橫波聲速為3 230 m·s-1,密度為7.8 g·cm-3，材料散射衰減不計(jì)，分別在不同深度處預(yù)制φ2 mm×10 mm(直徑×長(zhǎng)度)的橫孔缺陷。所使用相控陣超聲探頭為32陣元，標(biāo)稱頻率為10 MHz，陣元中心距為0.31 mm，單陣元尺寸為0.21 mm×7 mm(寬×長(zhǎng))。檢測(cè)采用接觸法，耦合介質(zhì)為水，聲速為1 500 m·s-1，密度為1.0 g·cm-3，介質(zhì)散射衰減不計(jì)。為便于對(duì)比，使用常規(guī)單晶探頭，標(biāo)稱頻率為10 MHz，孔徑為9.82 mm×7 mm(長(zhǎng)×寬)，進(jìn)行相同的檢測(cè)試驗(yàn)。

2.2 檢測(cè)靈敏度分析

檢測(cè)對(duì)象是規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為400 mm×200 mm×200 mm的碳鋼塊材，在深度為20，45，80 mm處埋φ2 mm×10 mm 的橫孔缺陷，其中45 mm為所選用常規(guī)超聲探頭的實(shí)際近場(chǎng)長(zhǎng)度或者使用相控陣探頭全部陣元時(shí)的實(shí)際近場(chǎng)長(zhǎng)度。使用常規(guī)單晶探頭、相控陣探頭超聲聚焦法則(設(shè)置焦點(diǎn)為20,45,80 mm)進(jìn)行B掃描檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。對(duì)檢測(cè)靈敏度和分辨能力的分析數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1，其中以缺陷回波的最高幅值作為檢測(cè)靈敏度的表征，以φ2 mm橫孔B掃圖像的-6 dB寬度作為分辨能力的表征。

圖4 常規(guī)超聲及相控陣超聲對(duì)不同深度橫孔的B掃圖像

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析可知：① 相同孔徑常規(guī)單晶探頭的檢測(cè)靈敏度通常高于相控陣探頭的，使用近場(chǎng)聚焦法則時(shí)焦區(qū)位置除外，這主要是由于相控陣陣元間存在間距，單晶探頭的有效激勵(lì)或接收面積要高于同孔徑的相控陣探頭的，在試驗(yàn)中前者約為后者的1.5倍，因此當(dāng)聚焦法則不能大幅提高檢測(cè)靈敏度時(shí)，相控陣超聲的檢測(cè)靈敏度較低；② 比較兩者的分辨能力，超聲相控陣的分辨能力普遍優(yōu)于常規(guī)探頭的，近場(chǎng)焦點(diǎn)在焦區(qū)位置的分辨能力最強(qiáng)，但其遠(yuǎn)離焦區(qū)時(shí)的分辨能力和靈敏度嚴(yán)重下降；③ 通過(guò)對(duì)相控陣超聲不同焦點(diǎn)檢測(cè)靈敏度的比較，說(shuō)明近場(chǎng)焦點(diǎn)適合檢測(cè)焦區(qū)范圍的缺陷，對(duì)焦區(qū)外缺陷的靈敏度和分辨能力下降較明顯；遠(yuǎn)場(chǎng)干涉對(duì)于近場(chǎng)缺陷的檢測(cè)靈敏度略有下降，但對(duì)焦區(qū)位置的缺陷靈敏度和分辨能力有提升。綜合來(lái)看，焦點(diǎn)設(shè)置在近場(chǎng)長(zhǎng)度處，能夠兼顧近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)的需求。

表1不同檢測(cè)方式對(duì)不同深度φ2mm×10mm橫孔檢測(cè)的靈敏度

檢測(cè)方式回波幅值/dB分辨能力 (-6 dB寬度)/mm20 mm45 mm80 mm20 mm45 mm80 mm常規(guī)探頭20.421.920.17.04.54.5相控陣超聲焦點(diǎn)20 mm25.68.70.01.08.019.5相控陣超聲焦點(diǎn)45 mm16.118.711.23.52.04.5相控陣超聲焦點(diǎn)80 mm13.417.612.65.02.54.0

2.3 缺陷定量能力分析

在超聲檢測(cè)中，通常使用缺陷回波的最高幅值來(lái)判定缺陷的當(dāng)量；由于聲波的擴(kuò)散及介質(zhì)衰減等原因，相同當(dāng)量缺陷的回波幅值會(huì)隨檢測(cè)聲程的增加有所降低。為了補(bǔ)償檢測(cè)聲程對(duì)回波幅值的影響，在檢測(cè)前常使用對(duì)比試塊制作DAC(距離-波幅曲線)或TCG(深度補(bǔ)償曲線)來(lái)對(duì)不同聲程的缺陷回波進(jìn)行補(bǔ)償。由于制作補(bǔ)償曲線的人工缺陷數(shù)量有限，因此要求檢測(cè)聲場(chǎng)連續(xù)緩慢變化，如果檢測(cè)聲壓波動(dòng)劇烈(存在多個(gè)極值點(diǎn))，則波動(dòng)區(qū)補(bǔ)償不準(zhǔn)確，無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)缺陷定量，這也是常規(guī)超聲定量檢測(cè)回避近場(chǎng)區(qū)的原因。文章通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)不同深度標(biāo)準(zhǔn)缺陷(φ2 mm ×10 mm)的定量誤差進(jìn)行比較，以分析不同聚焦深度對(duì)于幅值定量方法的適用程度。

使用2 000 mm×200 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬×高)的碳鋼塊材，深度在2.5～90 mm范圍內(nèi)，深度間隔2.5 mm，長(zhǎng)度間隔50 mm，制作φ2 mm ×10 mm的橫孔缺陷36個(gè)。使用常規(guī)單晶探頭、相控陣探頭超聲聚焦法則(設(shè)置焦點(diǎn)分別為20,45,80 mm)對(duì)該試塊進(jìn)行B掃描檢測(cè)。使用CSK-IIA試塊制作的深度補(bǔ)償曲線對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的缺陷回波幅值分布如圖5所示。

圖5 常規(guī)超聲及相控陣超聲對(duì)不同深度橫孔的幅值分布(深度補(bǔ)償后)

整體來(lái)看，常規(guī)單晶探頭和焦點(diǎn)為20 mm的相控陣超聲檢測(cè)的回波幅值波動(dòng)較大，將檢測(cè)范圍劃分為近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)(以45 mm為界限)，分別統(tǒng)計(jì)φ2 mm ×10 mm橫孔的定量偏差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由結(jié)果可知，在近場(chǎng)范圍內(nèi)，常規(guī)單晶探頭和焦點(diǎn)為20 mm的相控陣超聲聚焦法則的定量誤差最大，超過(guò)20%；而遠(yuǎn)場(chǎng)干涉(計(jì)算焦點(diǎn)80 mm)的定量誤差最??；在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)，所有方式的定量誤差均較小，其中焦點(diǎn)在近場(chǎng)長(zhǎng)度位置的遠(yuǎn)場(chǎng)定量誤差最小，低于1%，其次為焦點(diǎn)20 mm的相控陣超聲檢測(cè)，遠(yuǎn)場(chǎng)干涉的檢測(cè)誤差與其接近。綜合來(lái)看，相控陣超聲檢測(cè)方法的定量能力均優(yōu)于常規(guī)超聲檢測(cè)方法的。

表2 不同檢測(cè)方式對(duì)不同深度φ2 mm×10 mm橫孔的最大定量誤差 %

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 相同孔徑的常規(guī)超聲檢測(cè)靈敏度通常高于相控陣超聲(近場(chǎng)焦區(qū)除外)的檢測(cè)靈敏度，但其定量精度低于相控陣超聲的。

(2) 相控陣超聲檢測(cè)中，如果目標(biāo)區(qū)域位于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，綜合考慮靈敏度、分辨能力和定量誤差，建議將焦點(diǎn)設(shè)置于目標(biāo)位置(遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū))；如果目標(biāo)區(qū)域跨越近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，建議焦點(diǎn)設(shè)置在近場(chǎng)長(zhǎng)度位置；如果目標(biāo)區(qū)域位于近場(chǎng)區(qū)且范圍較大，優(yōu)先考慮定量精度，焦點(diǎn)設(shè)置在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)；如果目標(biāo)區(qū)域位于近場(chǎng)區(qū)且范圍較窄，可以選用近場(chǎng)焦點(diǎn)，但需要針對(duì)性的靈敏度矯正才能實(shí)現(xiàn)可靠定量。