季昌國(guó) 余 超

0 引言

耐張線夾作為輸電線路中的重要一環(huán)，由鋁套管和鋼錨兩部分組成。利用壓力對(duì)鋁管-鋼錨、鋁管-導(dǎo)線位置進(jìn)行壓接塑形，使導(dǎo)線和耐張線夾結(jié)合形成一個(gè)整體，使其能承擔(dān)連接導(dǎo)線的全部張力，并起到通流作用[1]。耐張線夾一旦投入線路運(yùn)行，就不易再拆卸和更換。由于線路設(shè)計(jì)安全系數(shù)較高，壓接質(zhì)量缺陷一般不會(huì)在施工結(jié)束后立刻導(dǎo)致事故，但在投運(yùn)后遭遇舞動(dòng)和長(zhǎng)期微風(fēng)振動(dòng)等情況下，容易導(dǎo)致線夾斷裂引發(fā)電力事故，威脅社會(huì)安全[2?3]。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)檢[2016]777號(hào)文件要求，需對(duì)跨越高速公路、高速鐵路以及重要輸電通道的架空輸電線路區(qū)段耐張線夾壓接質(zhì)量開展普查[4]。目前對(duì)耐張線夾液壓壓接質(zhì)量檢驗(yàn)主要是通過(guò)宏觀檢查[5]、尺寸測(cè)量[5]、力學(xué)性能試驗(yàn)抽查[5]、X 射線檢測(cè)[6?7]等方法。其中外觀檢查和尺寸測(cè)量無(wú)法直觀觀察到線夾內(nèi)部的壓接質(zhì)量情況，力學(xué)性能抽查為有損試驗(yàn)，X 射線檢測(cè)設(shè)備比較大，有電離輻射風(fēng)險(xiǎn)，因此需要一種更直觀有效的檢測(cè)方法對(duì)耐張線夾進(jìn)行檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)成像技術(shù)是一項(xiàng)新型的、相對(duì)成熟的超聲檢測(cè)方法，能夠?qū)β暿嵌?、焦點(diǎn)尺寸以及位置等進(jìn)行靈活控制[8]，在電力、航空航天、核工業(yè)、機(jī)械船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[9?15]，且已經(jīng)逐漸運(yùn)用到電網(wǎng)GIS 殼體、絕緣子以及鋁制線夾等輸變電設(shè)備的缺陷檢測(cè)中[16?18]，但尚無(wú)耐張線夾的相控陣檢測(cè)應(yīng)用報(bào)道。與其他輸變線設(shè)備相比，耐張線夾外層鋁套管只有8 mm 左右，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，信號(hào)識(shí)別相對(duì)困難。成像質(zhì)量和信號(hào)分析是相控陣超聲檢測(cè)中最為關(guān)注的問(wèn)題之一，而成像靈敏度和分辨力則是衡量成像質(zhì)量的重要參考指標(biāo)[19?22]。實(shí)際檢測(cè)中，相控陣探頭的頻率、孔徑和焦距等參數(shù)會(huì)直接影響探頭聲場(chǎng)特性。參數(shù)選擇不合適時(shí)會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信噪比降低，甚至出現(xiàn)柵瓣或旁瓣形成的偽像，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量[23]。因此，研究各檢測(cè)參數(shù)對(duì)相控陣超聲成像的影響規(guī)律從而進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)提高耐張線夾相控陣超聲成像檢測(cè)質(zhì)量具有重要意義。楊平華等[19]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了焦距和探頭孔徑對(duì)相控陣成像橫向分辨力的影響，僅對(duì)橫向分辨力進(jìn)行了分析。胡宏偉等[20]采用實(shí)驗(yàn)方式研究了脈沖寬度、焦距和探頭對(duì)回波幅值的綜合影響，僅對(duì)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行了分析。多數(shù)研究者均只對(duì)相控陣成像信號(hào)分辨力或靈敏度進(jìn)行單一分析，無(wú)法得到最優(yōu)的檢測(cè)工藝參數(shù)，因此以上研究成果對(duì)于相控陣檢測(cè)參數(shù)的優(yōu)化指導(dǎo)具有一定的局限性。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀對(duì)耐張線夾試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)耐張線夾相控陣檢測(cè)圖譜信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)分析，確定了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可直觀、有效地檢測(cè)耐張線夾壓接質(zhì)量。采用控制變量法，通過(guò)對(duì)比同一耐張線夾試樣的回波幅值大小，分析了相控陣探頭頻率、孔徑及焦距對(duì)成像分辨力和靈敏度的重要影響，得出了優(yōu)化耐張線夾成像質(zhì)量的參數(shù)設(shè)置。研究結(jié)果對(duì)于相控陣超聲成像在耐張線夾壓接質(zhì)量檢測(cè)上的工程應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

1 基本原理

1.1 線陣探頭的幾何參數(shù)

均勻線性陣列探頭的主要參數(shù)有探頭頻率f、陣元數(shù)n、陣元寬度a、陣元長(zhǎng)度b和陣元間距d[20]，如圖1所示。

圖1 線性陣列探頭幾何參數(shù)圖Fig.1 Geometric parameters of linear phased array transducer

一般使用孔徑D作為線陣探頭的可變幾何參數(shù)，研究其對(duì)相控陣超聲成像分辨力和靈敏度的影響。對(duì)D作如下定義：

線陣探頭的陣元間隙一般很小，通常取a ≈d，則孔徑D近似為[24]

1.2 相控陣聲束聚焦特性及數(shù)據(jù)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

成像分辨力和靈敏度作為相控陣檢測(cè)的成像質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，是衡量相控陣系統(tǒng)檢測(cè)能力及檢測(cè)質(zhì)量的重要依據(jù)。

成像分辨力主要是指被檢件內(nèi)能夠區(qū)分的相鄰反射體之間的最小距離[25]。采用相控陣檢測(cè)時(shí)成像分辨力主要是指橫向分辨力和縱向分辨力，如圖2所示。

圖2 相控陣超聲成像分辨率示意圖Fig.2 Spatial resolution of phased array ultrasound imaging

檢測(cè)靈敏度一般是指檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷越小，檢測(cè)靈敏度就越高。影響檢測(cè)靈敏度的主要因素有儀器與探頭的組合性能、探頭頻率、耦合效果、聲投影方向等[25]。

相控陣聲束聚焦技術(shù)能有效提高系統(tǒng)對(duì)缺陷檢測(cè)成像效果，超聲聲束聚焦特性如圖3所示。

相控陣超聲的橫向分辨力與超聲波束的焦點(diǎn)直徑R成反比。焦點(diǎn)直徑R定義為[25]

式(3)中，λ表示超聲波發(fā)射信號(hào)的主頻率波長(zhǎng)；F表示焦距；D表示探頭中的孔徑大小；單位均為mm。

降落值為-6 dB 時(shí)的焦點(diǎn)直徑可以近似表示為[24]

橫向分辨力?d可表示為[25]

?d越小，橫向分辨力越高。

圖3 相控陣超聲聲束聚焦特性示意圖Fig.3 Phased array ultrasonic focusing characteristics

縱向分辨力是聲波分辨沿聲束軸線方向相鄰兩個(gè)缺陷的能力，與波束的焦區(qū)深度Fa成反比。焦區(qū)深度Fa定義為[26]

縱向分辨力?z可表示為[25]

式(7)中，c試件表示試件材料聲速，單位mm/μs；?τ?20dB表示用20 dB 降落法測(cè)出的時(shí)間分辨力，單位μs。?z越小，縱向分辨力越高。

1.3 相控陣掃查圖像顯示模式

相控陣掃查顯示除了常規(guī)的A 掃描顯示(以橫軸為時(shí)間軸、縱軸為信號(hào)強(qiáng)度的顯示)，主要還有B顯示視圖(側(cè)視圖)、C顯示視圖(頂視圖)、D 顯示視圖(端視圖)等，如圖4所示。

對(duì)圖4來(lái)說(shuō)，通常B 顯示視圖是指垂直于移動(dòng)方向的橫截面顯示，D 顯示視圖是平行于移動(dòng)方向的縱斷面顯示，C顯示視圖是指水平面投影顯示。

圖4 相控陣掃查圖像顯示(B 顯示、C 顯示、D 顯示)Fig.4 Phased array ultrasonic scanning image display (B display, C display, D display)

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括多浦樂(lè)Phascan 相控陣檢測(cè)儀、線陣探頭(中心頻率分別為2.25 MHz、5 MHz、10 MHz，陣元間距d均為0.6 mm，陣元長(zhǎng)度均為10 mm，陣元總數(shù)均為64個(gè))、0?縱波楔塊厚度均為20 mm、相控陣數(shù)據(jù)圖像分析軟件、MOS01 鼠標(biāo)式掃查器、耐張線夾壓接試樣等，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物Fig.5 Experiment system

本次實(shí)驗(yàn)采用電網(wǎng)常見(jiàn)架空輸電導(dǎo)線NY-400/35 液壓型耐張線夾為檢測(cè)對(duì)象，如圖6所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)用耐張線夾試樣分為壓接合格和有壓接缺陷兩種，均進(jìn)行了相控陣檢測(cè)。相控陣檢測(cè)區(qū)域?yàn)槟蛷埦€夾壓接件的A 區(qū)和B 區(qū)，其中A 區(qū)域?yàn)殇撳^凹槽與外層鋁套管的壓接部位，B 區(qū)域?yàn)閷?dǎo)線與外層鋁套管的壓接區(qū)域，文中簡(jiǎn)稱為凹槽側(cè)和導(dǎo)線側(cè)，如圖7所示。A 區(qū)和B 區(qū)域之間為鋁套管不壓區(qū)域，不進(jìn)行相控陣檢測(cè)。根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]，圖7中線夾規(guī)格尺寸參數(shù)如表1所示，鋼錨的參數(shù)如表2所示，鋁導(dǎo)線外徑為3.22 mm。

圖6 NY-400/35 型耐張線夾壓接件實(shí)物Fig.6 Crimping sample of NY-400/35 type tension clamp

圖7 NY-400/35 型耐張線夾壓接件內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 Internal structure of crimping piece of NY-400/35 type tension clamp

表1 NY-400/35 型線夾規(guī)格尺寸Table 1 NY-400/35 type wire clamp specifications

表2 NY-400/35 型鋼錨參數(shù)Table 2 NY-400/35 steel anchor parameters

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)以NY-400/35 液壓型鋼芯鋁絞線用耐張線夾為例，選擇不同的頻率f、焦距F和孔徑D進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，研究其分別對(duì)耐張線夾相控陣超聲檢測(cè)成像質(zhì)量的影響。相控陣超聲檢測(cè)使用的頻率通常為1～10 MHz[25]，因此本實(shí)驗(yàn)選擇中心頻率分別為2.25 MHz、5 MHz、10 MHz 的3 種探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；根據(jù)表1可知NY-400/35 型鋁套管厚度T為8.25 mm，因此選擇焦距為0.5T、1T、1.5T，即4 mm、8 mm、12 mm；單次激發(fā)陣元數(shù)選擇為8 個(gè)、16 個(gè)、24個(gè)、32個(gè)，對(duì)應(yīng)孔徑為4.8 mm、9.6 mm、14.4 mm、19.2 mm。以上各工藝參數(shù)進(jìn)行排列組合，相控陣檢測(cè)工藝參數(shù)變量如表3所示。

表3 檢測(cè)工藝參數(shù)變量設(shè)置Table 3 Detection process parameter variable setting

采用縱波垂直入射的方式進(jìn)行檢測(cè)，按照上述工藝參數(shù)設(shè)置沿著鋁套管方向進(jìn)行一維線性掃查。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 相控陣典型檢測(cè)圖譜信號(hào)分析

3.1.1 正常壓接試樣的相控陣圖譜分析

以檢測(cè)參數(shù)f=5 MHz、F=8 mm、n=32 個(gè)時(shí)為例，根據(jù)耐張線夾內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)檢測(cè)凹槽側(cè)A 區(qū)時(shí)采用B-A-D視圖，成像顯示如圖8所示，檢測(cè)導(dǎo)線側(cè)B區(qū)時(shí)采用B-A-C視圖，成像顯示如圖9所示。

圖8的D 視圖是平行于移動(dòng)方向的縱斷面顯示，水平軸對(duì)應(yīng)于耐張線夾試樣長(zhǎng)度，垂直軸對(duì)應(yīng)于深度。圖8中D 視圖里深度為8～10 mm、16～18 mm、24～27 mm 處均出現(xiàn)回波信號(hào)，由表1中可知鋁管厚度為8.25 mm，鋼錨凹槽深度為1.5 mm，縱波在鋁套管中傳播，遇到壓接界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多次反射，因此在深度為8～10 mm、16～18 mm、24～27 mm 處分別為縱波在鋁套管和鋼錨壓接界面一次、二次和三次反射波信號(hào)，且信號(hào)分布與實(shí)際鋼錨凹槽輪廓一致，兩個(gè)凹槽信號(hào)清晰可見(jiàn)，表明壓接質(zhì)量完好。A 視圖顯示的是D 視圖中指示線處的回波信號(hào)，分析可知，第一個(gè)波峰為楔塊底面回波信號(hào)，第二至四個(gè)波峰分別為鋼錨凹槽界面一次、二次、三次反射波，與D 視圖分析結(jié)果一致。一次波、二次波、三次波幅值依次遞減，主要是由于超聲波在傳播和反射過(guò)程中產(chǎn)生衰減導(dǎo)致，到三次波以后信號(hào)幾乎衰減不見(jiàn)。由上可知D視圖可以清晰判定鋁套管和鋼錨凹槽壓接質(zhì)量情況。

圖9中的B視圖是指垂直于移動(dòng)方向的橫截面顯示。結(jié)合耐張線夾尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，最外層導(dǎo)線與鋁套管有接觸點(diǎn)，同時(shí)也存在空氣間隙，本文稱之為間隙1。最外層導(dǎo)線和次外層導(dǎo)線也存在兩種空氣間隙，本文稱之為間隙2 和間隙3?？v波在鋁套管里傳播，遇到完好的壓接界面時(shí)會(huì)遇到兩種情況，一部分縱波遇到界面空氣間隙1，發(fā)生反射，即圖9中B 視圖深度約為9 mm 處的反射回波信號(hào)顯示；另一部分縱波通過(guò)壓緊接觸的位置透入到導(dǎo)線內(nèi)部，在遇到最外層導(dǎo)線和次外層導(dǎo)線之間的空氣間隙2 時(shí)，發(fā)生反射，即圖9中B 視圖深度約為12 mm 處的反射回波信號(hào)顯示。而間隙3 處于間隙1 的正下方，縱波在間隙1 處就已被界面反射，沒(méi)有聲波到達(dá)間隙3，因此間隙3 處無(wú)反射信號(hào)顯示。圖9中C 視圖中一組相互平行具有一定角度的信號(hào)顯示為最外層相鄰導(dǎo)線與鋁套管壓接界面空氣間隙1 的信號(hào)顯示，信號(hào)的分布和走向與壓接區(qū)域內(nèi)部導(dǎo)線輪廓完全一致，導(dǎo)線與導(dǎo)線間的信號(hào)可以區(qū)分開，同樣說(shuō)明耐張線夾壓接質(zhì)量完好。由上可知通過(guò)相控陣B 視圖和C 視圖可以清晰判定鋁套管和導(dǎo)線壓接質(zhì)量情況。

圖8 正常壓接試樣A 檢測(cè)區(qū)B-A-D 視圖圖譜信號(hào)分析Fig.8 Signal analysis of the B-A-D display pattern of the A detection area of normally crimped tension clamp

圖9 正常壓接試樣B 檢測(cè)區(qū)B-C 視圖圖譜信號(hào)分析Fig.9 Signal analysis of the B-C display pattern of the B detection area of normally crimped tension clamp

3.1.2 有壓接缺陷試樣的相控陣圖譜分析

有壓接缺陷試樣的相控陣圖譜如圖10和圖11所示。圖10是耐張線夾A 檢測(cè)區(qū)B-A-D 視圖圖譜，D視圖中深度8～10 mm處信號(hào)水平呈一條直線，類似于大平底的反射信號(hào)，結(jié)合鋁套管厚度可知該信號(hào)為壓接界面一次反射波信號(hào)，然而壓接界面并未出現(xiàn)圖8中所示的凹槽1 和凹槽2 的信號(hào)，說(shuō)明鋁套管并未與鋼錨的凹槽貼合，即存在漏壓。D視圖里深度為16～18 mm、24～26 mm、31～33 mm、39～40 mm 處出現(xiàn)接近直線的回波信號(hào)，為縱波在壓接界面產(chǎn)生的二、三、四、五次反射回波。

圖10 有壓接缺陷試樣A 檢測(cè)區(qū)B-A-D 掃查圖譜信號(hào)分析Fig.10 Signal analysis of the B-A-D scanning pattern of the A detection area of the tension clamp with crimping defects

圖11是耐張線夾導(dǎo)線側(cè)檢測(cè)區(qū)B-B-C 視圖圖譜，圖11的C視圖中多個(gè)間隙1 信號(hào)基本連成一片，鋁線走向的信號(hào)輪廓被破壞，可初步判斷為欠壓。在C 視圖選取L= 173 mm 和L= 30 mm 兩處位置，其對(duì)應(yīng)的B 視圖顯示在B 視圖1和B 視圖2，B視圖1為線夾上173 mm 位置處的橫截面顯示，從圖中可看出鋁套管和最外層導(dǎo)線的空氣間隙回波右側(cè)有一部分連成了一條線，該局部沒(méi)有透入波，說(shuō)明沒(méi)有壓緊，壓接不良。B 視圖2為線夾上30 mm位置處的橫截面顯示，深度8 mm 處空氣間隙信號(hào)全部連在了一起，說(shuō)明鋁套管和最外層導(dǎo)線在此處欠壓嚴(yán)重，幾乎完全漏壓。

綜上可知該耐張線夾在A 和B 檢測(cè)區(qū)均存在欠壓或漏壓。通過(guò)對(duì)檢測(cè)圖8～圖11分析可知相控陣超聲檢測(cè)能夠清晰有效地評(píng)定耐張線夾壓接質(zhì)量。

圖11 有壓接缺陷試樣B 檢測(cè)區(qū)B-B-C 掃查圖譜信號(hào)分析Fig.11 Signal analysis of the B-B-C scanning pattern of the B detection area of the tension clamp with crimping defects

3.2 相控陣檢測(cè)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.2.1 對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照表3中所示工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，研究不同頻率、孔徑和焦距對(duì)耐張線夾相控陣超聲檢測(cè)圖像質(zhì)量的影響。因篇幅有限，選取焦距8 mm 時(shí)不同檢測(cè)頻率和探頭孔徑下檢測(cè)的B-C圖譜為代表，如圖12所示，圖中儀器總增益均為12 dB。

選取圖12中不同參數(shù)條件下同一檢測(cè)位置的信號(hào)進(jìn)行分辨力和靈敏度分析。在A視圖信號(hào)滿屏高度的20%處設(shè)置閘門，分別以不同頻率、孔徑、焦距時(shí)的最大回波幅值與閘門高度差值(?dB)為研究對(duì)象進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。圖中縱坐標(biāo)?dB 越大，說(shuō)明超聲回波幅值越高，檢測(cè)靈敏度越高。圖14為根據(jù)公式(3)～(7)得出的相應(yīng)橫向分辨力和縱向分辨力結(jié)果。

3.2.2 探頭頻率對(duì)成像質(zhì)量的影響分析

由圖13(a)可知，隨著探頭檢測(cè)頻率增大，聲衰減系數(shù)增大，信號(hào)回波幅度降低，在相同的儀器增益下，檢測(cè)靈敏度降低；從圖12中的B 視圖可以看出相同增益下，10 MHz 探頭的信號(hào)波幅明顯低于2.25 MHz探頭的信號(hào)。

由圖14可知，隨著頻率增加，成像分辨力提高。波長(zhǎng)計(jì)算公式如下[28]：

式(8)中，λ表示波長(zhǎng)，單位mm；c表示聲速，單位mm/μs；f表示頻率，單位MHz。

由公式(5)和公式(8)可知，波長(zhǎng)越大，橫向能分辨的尺寸越大，波長(zhǎng)與頻率成反比，即頻率越低，橫向分辨力越差。由圖12(c)可以看出，頻率2.25 MHz 時(shí)，C 視圖上信號(hào)已基本連成一片，橫向無(wú)法分辨。

鋁合金中的縱波聲速約為6.3 mm/μs，探頭頻率為2.25 MHz、5 MHz、10 MHz時(shí)縱波波長(zhǎng)分別為2.8 mm、1.26 mm、0.63 mm，而根據(jù)表2可知鋁導(dǎo)線的外徑為3.22 mm，經(jīng)壓接塑形后圖11中間隙1與間隙2 之間的垂直距離小于3.22 mm。當(dāng)垂直間距接近或小于波長(zhǎng)時(shí)，間隙1 的回波和間隙2 的回波會(huì)發(fā)生疊加。從圖12中的B視圖和C視圖可以看出，2.25 MHz 時(shí)間隙1 和間隙2 的信號(hào)在圖中發(fā)生了疊加的情況，5 MHz 和10 MHz時(shí)因波長(zhǎng)較短，間隙1 和間隙2 的信號(hào)未發(fā)生疊加。因此在頻率選擇時(shí)要綜合考慮靈敏度和分辨力的影響。對(duì)此型號(hào)耐張線夾來(lái)說(shuō)，頻率為5 MHz 時(shí)兼顧成像分辨力和靈敏度，成像質(zhì)量最佳。

3.2.3 探頭孔徑對(duì)成像質(zhì)量的影響分析

由圖12明顯看出，當(dāng)單次激發(fā)孔徑D由小變大時(shí)，檢測(cè)靈敏度提高和有效檢測(cè)區(qū)域增大。

由圖13(a)、圖13(b)可知，隨著相控陣探頭孔徑增大，曲線逐步向上平移，可知增大孔徑可有效地提高回波幅值，從而提高靈敏度。探頭孔徑越大，超聲波聲束的能量越大，回波幅值就越高。

圖12 不同頻率和孔徑下B 檢測(cè)區(qū)S-A 成像顯示Fig.12 S-A imaging display of B detection zone at different frequencies and apertures

圖13 不同頻率、焦距和孔徑下回波幅值與閘門高度差Fig.13 Difference in echo amplitude and gate height at different frequencies, focal lengths and apertures

由圖14可知，隨著孔徑增大，橫向分辨力和縱向分辨力都隨之提高。圖15[29]是Lee 等對(duì)不同陣元數(shù)量下聲場(chǎng)指向性進(jìn)行模擬的結(jié)果。圖中可以看出探頭孔徑對(duì)指向性的重要影響。隨著探頭孔徑D的增大，聲束的主瓣寬度變小，聲場(chǎng)指向性變好，檢測(cè)分辨力提高。由公式(3)和公式(6)可知，當(dāng)探頭孔徑增大時(shí)，焦點(diǎn)直徑和焦區(qū)深度都會(huì)變小，從而提高相控陣檢測(cè)的橫向和縱向分辨力。

圖14 不同頻率和孔徑下分辨力(F=8 mm 時(shí))Fig.14 Resolution test results at different frequencies and apertures (when F=8 mm)

圖15 不同陣元數(shù)量下聲場(chǎng)指向性模擬結(jié)果[29](陣元間距0.5λ，聲束偏轉(zhuǎn)角20?)Fig.15 Simulated beam directivities for different element numbers[29] (element pitch of 0.5λ, steering angle of 20?)

相控陣超聲在近場(chǎng)區(qū)既存在干涉相消效應(yīng)，也存在干涉相長(zhǎng)效應(yīng)，通過(guò)控制激勵(lì)時(shí)序可實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)；在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)僅存在干涉相長(zhǎng)效應(yīng)[30]。因此要實(shí)現(xiàn)良好的聚焦效果，焦點(diǎn)應(yīng)處于近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。均勻線陣探頭縱波聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)可以按照式(9)進(jìn)行估算[28]：

式(9)中：N′為鋁中剩余近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，單位mm；N2為鋁中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，單位mm；L為楔塊厚度，單位mm；c1為楔塊中波速，單位m/s；c2為鋁中波速，單位mm/μs；FS為超聲探頭的激勵(lì)面積，單位mm2；λ為介質(zhì)中的超聲波波長(zhǎng)，單位mm。

已知：

根據(jù)公式(9)可以計(jì)算不同孔徑下鋁中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，如表4所示。由圖12(c)的第3、第4 幅圖可以看出孔徑D=14.4 mm 時(shí)，其相同深度的間隙信號(hào)基本不能分辨開；D=19.2 mm時(shí)，相同深度的間隙信號(hào)基本可以分辨開。因此檢驗(yàn)NY-400/35型耐張線夾時(shí)聲場(chǎng)在鋁中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)不小于套管厚度和單根鋁導(dǎo)線直徑之和，即8.25+3.22=11.47 mm。

表4 不同孔徑下鋁中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度Table 4 Length of near-field region in aluminum at different apertures

但孔徑的增大會(huì)受到工件外形尺寸的限制，因此孔徑不能無(wú)限制的增大，目前相控陣儀器常用通道配置為32/128(最大激發(fā)通道數(shù)/最大獨(dú)立通道數(shù))或64/128。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)激發(fā)陣元數(shù)為24個(gè)以上時(shí)，對(duì)線夾就有良好的檢測(cè)效果。

3.2.4 探頭焦距對(duì)成像質(zhì)量的影響分析

由圖13(b)可知，隨著探頭焦距的逐漸增大，回波幅值由小變大再逐漸變小，呈拋物線特性，拋物線最大值在8 mm，此時(shí)超聲聲束寬度最小，超聲聲場(chǎng)強(qiáng)度最大，超聲回波的幅度最高，信噪比高。同時(shí)從圖中可以也可以看出，探頭孔徑越小，拋物線斜率越大，說(shuō)明孔徑越小，焦點(diǎn)位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響越大。因此檢測(cè)時(shí)將焦距設(shè)置為鋁套管厚度時(shí)檢測(cè)效果最佳。

從上述分析可知，可通過(guò)以下方法優(yōu)選參數(shù)改善檢測(cè)成像：首先根據(jù)耐張線夾型號(hào)選擇合適的探頭頻率，一般可選擇5 MHz；然后根據(jù)壓接內(nèi)界面深度確定焦距F，應(yīng)盡量使焦距F與套管厚度相等，從而提高相控陣成像分辨力和靈敏度；最后根據(jù)檢測(cè)所要求達(dá)到的分辨力，依據(jù)公式(3)～(7)選擇探頭孔徑，在相控陣系統(tǒng)通道數(shù)和檢測(cè)面的尺寸允許的范圍內(nèi)盡量增大孔徑以進(jìn)一步提高成像質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)相控陣超聲檢測(cè)成像技術(shù)可直觀有效地評(píng)定耐張線夾壓接質(zhì)量：對(duì)于鋁套管和鋼錨凹槽壓接區(qū)域，可通過(guò)B 視圖顯示鋁套管與鋼錨凹槽壓接輪廓；對(duì)于鋁套管和導(dǎo)線壓接區(qū)域，可通過(guò)D 視圖顯示耐張線夾橫截面壓接情況，C 視圖顯示鋁套管與最外層導(dǎo)線壓接輪廓。相控陣超聲對(duì)耐張線夾漏壓和欠壓等缺陷可直觀有效檢測(cè)。

(2)低頻探頭檢測(cè)時(shí)耐張線夾回波信號(hào)會(huì)發(fā)生重疊；探頭頻率增大時(shí)，分辨力會(huì)增強(qiáng)，但超聲波聲衰減增大，頻率選擇要綜合考慮對(duì)靈敏度和分辨力的相互影響。對(duì)于此型號(hào)耐張線夾來(lái)說(shuō)，頻率為5 MHz時(shí)檢測(cè)成像質(zhì)量最佳。

(3)聚焦場(chǎng)深范圍內(nèi)，相控陣超聲成像檢測(cè)的橫向分辨力取決于焦點(diǎn)直徑，縱向分辨力取決于焦區(qū)深度。探頭孔徑增大，則焦點(diǎn)直徑和焦區(qū)深度均會(huì)減小，橫向和縱向分辨力隨之提高。此外，孔徑增大會(huì)增加聲束能量，從而提高檢測(cè)靈敏度，但孔徑的增加受到工件外形尺寸的限制。一般選擇孔徑時(shí)應(yīng)保證在鋁中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度不小于鋁套管厚度和單根鋁導(dǎo)線直徑之和，通?？蛇x擇不少于24陣元可獲得滿意的檢測(cè)成像效果。

(4)相控陣檢測(cè)中，孔徑越小，焦點(diǎn)位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響越大，聚焦區(qū)域的成像質(zhì)量明顯優(yōu)于非聚焦區(qū)域，檢測(cè)時(shí)將焦距設(shè)置為鋁套管厚度時(shí)檢測(cè)效果最佳。