詹紹正，楊鵬飛，王丹，張偉，寧寧，樊俊鈴

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

引言

超聲波檢測(cè)是工業(yè)無損檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的方法之一，技術(shù)的廣泛應(yīng)用也推動(dòng)了檢測(cè)設(shè)備的快速發(fā)展。近年來市面上的超聲檢測(cè)設(shè)備層出不窮，設(shè)備性能也由早期單參量的純應(yīng)用型設(shè)備向現(xiàn)代多參量的綜合研究型設(shè)備發(fā)展。如此一來，檢測(cè)中如何合理設(shè)置各參量參數(shù)值以獲得理想的檢測(cè)效果，對(duì)檢測(cè)操作人員提出了更高的要求。

實(shí)際的超聲波檢測(cè)工作中，在特定的探傷儀和探頭等硬件資源條件下，檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置對(duì)檢測(cè)效果有著決定性的影響。對(duì)于現(xiàn)代超聲波探傷設(shè)備而言，檢測(cè)參數(shù)設(shè)置通常包括基本參數(shù)、激發(fā)參數(shù)和接收參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容，其中激發(fā)參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響極為關(guān)鍵，它直接決定著檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、分辨力等性能指標(biāo)。因此，筆者結(jié)合檢測(cè)工作實(shí)際，研究了超聲波探傷儀中激發(fā)參數(shù)設(shè)置對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律，以幫助無損檢測(cè)人員在實(shí)際檢測(cè)工作中設(shè)置合理的激發(fā)參數(shù)。

1 超聲波探傷儀的構(gòu)成

超聲波探傷儀又叫超聲波A掃描儀，是利用超聲波的聲學(xué)特性對(duì)材料缺陷和損傷進(jìn)行非破壞性檢測(cè)的一種電子儀器，是進(jìn)行超聲波檢測(cè)的最基礎(chǔ)設(shè)備。它主要由同步電路、發(fā)射電路、接收電路、時(shí)基電路、顯示及報(bào)警電路、電源及輔助電路等七大部分組成[1]，其基本工作原理見圖1所示。

圖1 A型顯示脈沖超聲波探傷儀基本工作原理

同步電路也稱作同步脈沖發(fā)生器，其作用是產(chǎn)生周期性的同步脈沖信號(hào)，作為發(fā)射電路、時(shí)基電路以及其它輔助電路的觸發(fā)脈沖，使各電路在時(shí)間上協(xié)調(diào)一致工作。發(fā)射電路是一個(gè)電脈沖信號(hào)發(fā)生器，在同步脈沖信號(hào)的觸發(fā)下產(chǎn)生高達(dá)幾百伏的高壓電脈沖，施加到超聲波探頭的壓電晶片上產(chǎn)生脈沖超聲波。接收電路是對(duì)經(jīng)壓電晶片轉(zhuǎn)換后得到的微小電脈沖進(jìn)行放大、檢波，使其能夠在顯示器上得到足夠的顯示。時(shí)基電路又稱掃描電路，用來產(chǎn)生時(shí)基線。顯示電路對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行顯示輸出。電源電路用來給儀器供電。輔助電路包括閘門電路以及距離幅度補(bǔ)償電路等。

在超聲波探傷儀的構(gòu)成中，發(fā)射電路是其核心部分，它對(duì)整個(gè)探傷儀系統(tǒng)的檢測(cè)范圍、靈敏度余量、分辨力等綜合性能指標(biāo)有著重要影。 因此，在實(shí)際超聲波檢測(cè)中，應(yīng)合理的設(shè)置激發(fā)參數(shù)，以獲得最優(yōu)化的檢測(cè)結(jié)果[2-6]。

2 超聲波激發(fā)參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響分析

目前市面上的A型顯示脈沖超聲波探傷儀發(fā)射部分的主要激發(fā)參數(shù)包括激勵(lì)方式、激勵(lì)脈沖寬度、激勵(lì)電壓、脈沖重復(fù)頻率和阻尼大小等[7]。下文作者將分別針對(duì)各激發(fā)參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響開展研究。

2.1 激勵(lì)方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

尖脈沖和方波是目前超聲波探傷儀中兩種最常見的激勵(lì)方式，現(xiàn)代的超聲波探傷儀一般都同時(shí)集成了尖脈沖激勵(lì)和方波激勵(lì)兩種激發(fā)方式可供用戶設(shè)置，以應(yīng)對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象和需求。

為了研究不同脈沖激勵(lì)方式對(duì)實(shí)際超聲檢測(cè)效果的影響，第二炮兵學(xué)院的楊劍等人研究了兩種激勵(lì)方式對(duì)不同材料檢測(cè)的效果，并獲得了在合適的方波激勵(lì)條件下得到的檢測(cè)信號(hào)幅值是尖脈沖得到信號(hào)幅值的兩倍左右的結(jié)論。圖2所示為其采用尖脈沖和方波激勵(lì)分別對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料試樣和鋁合金試樣測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，受結(jié)構(gòu)各向異性和纖維界面的影響，超聲波在其中的傳播衰減大，探頭接收到的回波信號(hào)較弱，基于信號(hào)分析與處理要求，方波激勵(lì)要優(yōu)于尖脈沖激勵(lì)。而對(duì)于鋁合金試樣，超聲波在其中傳播時(shí)衰減較小，回波信號(hào)較強(qiáng)，尖脈沖激勵(lì)已經(jīng)能夠滿足實(shí)際的檢測(cè)要求，而且其回波信號(hào)噪聲明顯比方波激勵(lì)模式下要小[8]。

圖2 不同激勵(lì)方式下測(cè)試結(jié)果

因此，基于楊劍等人的研究結(jié)果可知，在實(shí)際的超聲檢測(cè)中，對(duì)于樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等高衰減材料，為了獲得較大的聲波激發(fā)能量和較好的回波信號(hào)幅度，提高超聲脈沖幅度和穿透能力，更適合采用方波激勵(lì)方式；而對(duì)于鋁合金等材質(zhì)均勻、超聲傳播衰減小的金屬材料，宜采用尖脈沖激勵(lì)方式，以獲得較好的檢測(cè)信噪比和分辨率。

2.2 方波激勵(lì)脈沖寬度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

對(duì)于方波激勵(lì)而言，其一次激勵(lì)可以使超聲探頭產(chǎn)生兩次振動(dòng)，見圖3。調(diào)節(jié)激勵(lì)方波的寬度可以使兩次振動(dòng)進(jìn)行疊加或減弱，當(dāng)激勵(lì)方波信號(hào)的脈沖寬度為所用超聲波探頭中心頻率的1/2周期時(shí)，此時(shí)探頭兩次振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)相位相同，通過兩次振動(dòng)信號(hào)的疊加，合成后的信號(hào)幅值達(dá)到最大值（理論條件下，此時(shí)方波激勵(lì)產(chǎn)生的波形幅度將是同等激勵(lì)電壓下尖脈沖激勵(lì)所產(chǎn)生的波形幅度2倍，即高12 dB），此時(shí)的檢測(cè)靈敏度最高；當(dāng)激勵(lì)方波脈沖寬度設(shè)置為所用探頭頻率的一個(gè)周期時(shí)，兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)的相位相反，疊加后的合成信號(hào)振幅最弱，此時(shí)的檢測(cè)靈敏度最差，見圖4。

圖3 激勵(lì)方波使超聲探頭產(chǎn)生兩次振動(dòng)過程

圖4 不同方波脈沖寬度下的信號(hào)疊加示意圖

圖5 所示為采用GE-USM GO+探傷儀匹配OLYMPUS 5 MHz探頭（周期為200 ns）在不同激勵(lì)方波脈沖寬度下的信號(hào)特征圖譜，圖6為在不同激勵(lì)方波脈沖寬度下的測(cè)得的回波幅度和回波寬度曲線。

從圖5、圖6可以看出，對(duì)于方波激勵(lì)，在激勵(lì)脈沖寬度小于探頭額定頻率1/2周期時(shí)，隨著激勵(lì)脈沖寬度的增加，信號(hào)回波幅度增加；當(dāng)脈沖寬度達(dá)到探頭額定頻率1/2周期后，回波信號(hào)幅度達(dá)到最大，當(dāng)繼續(xù)增大脈沖寬度，信號(hào)幅值逐漸下降，當(dāng)脈沖寬度增大到一定值時(shí)，檢測(cè)信號(hào)最終被分成兩個(gè)波形，這兩個(gè)波形代表著對(duì)兩個(gè)相同幅度和頻率下尖脈沖激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)。而且隨著激勵(lì)脈沖寬度的增加，超聲探傷儀上的始波寬度變寬，導(dǎo)致檢測(cè)的上盲區(qū)增大，檢測(cè)深度分辨率變差。

圖5 5 MHz探頭在不同激勵(lì)方波脈沖寬度下的回波信號(hào)圖譜

圖6 不同激勵(lì)脈沖寬度下的波幅和回波寬度比對(duì)曲線

由于實(shí)際探頭具有一定的帶寬，從圖7所示的曲線中可以看出，激勵(lì)脈沖寬度在探頭額定頻率1/2周期點(diǎn)附近，改變激勵(lì)脈沖的寬度對(duì)幅值變化的影響較小。因此，在實(shí)際采用方波激勵(lì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)脈沖的寬度應(yīng)設(shè)置在探頭額定頻率的1/2周期附近，以獲得最佳的檢測(cè)靈敏度與分辨率組合。

同時(shí)，方波激勵(lì)脈沖的上升時(shí)間或下降時(shí)間會(huì)直接影響到超聲檢測(cè)的精度和分辨率，方波上升時(shí)間和下降時(shí)間越短，激發(fā)脈沖的帶寬越寬，越能激發(fā)探頭的高頻振蕩，使探頭響應(yīng)的相對(duì)帶寬也越大，發(fā)出的脈沖寬度更窄。因此，在實(shí)際超聲波探傷儀選購中，要求激勵(lì)方波上升時(shí)間或下降時(shí)間一般不超過20 ns[9,10]。

2.3 激勵(lì)電壓對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

超聲探頭發(fā)射的超聲波是由超聲波探傷儀發(fā)出的激勵(lì)脈沖電壓施加到超聲探頭的晶片上使晶片振動(dòng)而產(chǎn)生的，其振動(dòng)的幅度直接影響著超聲波輸出能量的大小，超聲波探傷儀給探頭所施加的激勵(lì)電壓又決定著超聲波振動(dòng)的幅度。激勵(lì)電壓越高，激發(fā)的超聲能量也越大，獲得的回波幅度越高。圖7所示為對(duì)相同直徑不同埋深的缺陷，方波激發(fā)電壓與回波信號(hào)幅度間的關(guān)系曲線，從中可以看出回波幅度與激發(fā)電壓呈線性關(guān)系。

圖7 方波激發(fā)電壓與回波幅度間的關(guān)系

然而，對(duì)于超聲檢測(cè)系統(tǒng)而言，所施加的激勵(lì)電壓直接影響著超聲波探頭的使用壽命。施加的激勵(lì)電壓越高，壓電晶片的振幅越大，但當(dāng)振幅過大時(shí)，導(dǎo)致壓電晶片內(nèi)部應(yīng)力太大超過了材料本身的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)造成探頭壓電晶片材料開裂或斷裂，從而導(dǎo)致探頭損壞失效。此外，過高的激勵(lì)電壓也容易造成壓電晶片的擊穿；這種情況在高頻探頭中發(fā)生的概率更高，探頭頻率越高，其晶片材料就越薄，越容易破碎和擊穿，耐壓能力也就越弱。所以，在采用高頻探頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)電壓不能過高。

因此，在實(shí)際無損檢測(cè)中，應(yīng)選擇適中的激發(fā)電壓。激發(fā)電壓過小，對(duì)超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)能力較弱，造成靈敏度余量不足。激發(fā)電壓過大，容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，導(dǎo)致噪聲電平增大和動(dòng)態(tài)范圍縮小，而且過高的電壓對(duì)探頭也不利。

2.4 重復(fù)頻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

重復(fù)頻率通常指的是超聲波探傷儀發(fā)射激勵(lì)脈沖的頻率（在模擬式儀器中也等于每秒鐘發(fā)射同步脈沖的次數(shù)），即每秒鐘發(fā)射激勵(lì)脈沖的次數(shù)，它決定了每秒鐘向被測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射超聲波的次數(shù)。重復(fù)頻率對(duì)于自動(dòng)化檢測(cè)尤為重要，自動(dòng)化檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)之一就是可以自動(dòng)記錄超聲信號(hào)，因而可以實(shí)現(xiàn)高速掃查，這就需要有較高的重復(fù)頻率以保證不發(fā)生漏檢。而在手工檢測(cè)的目視觀察的情況下，對(duì)于傳統(tǒng)的模擬式超聲波探傷儀而言，提高重復(fù)頻率可以使波的亮度增加，便于觀察。

然而，過高的重復(fù)頻率會(huì)導(dǎo)致兩次激發(fā)脈沖間隔時(shí)間變短，容易使超聲波探頭在受到前一激發(fā)時(shí)所產(chǎn)生的脈沖回波信號(hào)未來得及完全衰減消失而被落入到后一次的觸發(fā)周期內(nèi)顯示（見圖8所示），在儀器顯示屏幕上形成干擾信號(hào)，如幻象波、虛假缺陷信號(hào)等，從而造成對(duì)檢測(cè)結(jié)果的誤判。

圖8 幻象波產(chǎn)生原理示意圖

圖9 所示為155 mm厚的30CrMnSiA試件在同等發(fā)射功率、不同重復(fù)頻率下檢測(cè)獲得的信號(hào)特征。當(dāng)采用較高的重復(fù)頻率進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，在上表面波和底波間存在較強(qiáng)的、跳動(dòng)的干擾波信號(hào)，影響檢測(cè)結(jié)果的判定。在其它檢測(cè)參數(shù)不便，逐步降低檢測(cè)重復(fù)頻率，當(dāng)降低到一定程度時(shí)，干擾信號(hào)消失，檢測(cè)信號(hào)的可識(shí)別性大大增強(qiáng)。

圖9 重復(fù)頻率2 000 Hz和500 Hz時(shí)的信號(hào)特征

因此，在實(shí)際超聲檢測(cè)中，應(yīng)選擇合適的重復(fù)頻率。在不產(chǎn)生干擾信號(hào)的前提下采用較大的重復(fù)頻率可提高檢測(cè)效率，尤其對(duì)于自動(dòng)化檢測(cè)，高的重復(fù)頻率可以避免因掃查速度過快導(dǎo)致的漏檢問題。

2.5 阻尼電阻對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

超聲波探傷儀的發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種，其中非調(diào)諧式發(fā)射電路具有發(fā)射脈沖短（尖脈沖、方波等不同形式）、脈沖頻帶寬、可適應(yīng)探頭頻帶范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是目前常見超聲波探傷儀主要采用的發(fā)射電路方式。圖10所示為典型的非調(diào)諧式發(fā)射電路原理圖，其中的可調(diào)電阻R0即為阻尼電阻；阻尼電阻主要有兩個(gè)作用，一是調(diào)節(jié)電容放電時(shí)間和發(fā)射功率，二是作為阻尼作用，調(diào)節(jié)探頭發(fā)出的超聲脈沖寬度。阻尼電阻值越小，發(fā)射的功率越小，發(fā)射的超聲脈沖寬度越窄。阻尼電阻值越大，發(fā)射的功率越大，發(fā)射的超聲脈沖越寬。

圖10 非調(diào)諧式發(fā)射電路原理

實(shí)際檢測(cè)中，超聲波探傷儀上會(huì)提供了阻尼電阻的不同阻值檔位供用戶選擇，用戶可根據(jù)不同的材料、厚度和所采用的探頭類型，選擇合適的阻尼值，以獲得良好的分辨率和檢測(cè)效果。

3 結(jié)論

激勵(lì)方式、激勵(lì)脈沖寬度、激勵(lì)電壓、脈沖重復(fù)頻率和阻尼電阻是超聲波檢測(cè)的幾個(gè)主要激發(fā)參數(shù)，在實(shí)際無損檢測(cè)工作中，應(yīng)根據(jù)不同的檢測(cè)對(duì)象材料和所使用的探頭型號(hào)，設(shè)置合適的檢測(cè)參數(shù)，以確保獲得良好的檢測(cè)效果。

1）在其它參數(shù)相同的情況下，方波激勵(lì)得到的檢測(cè)信號(hào)幅度是尖脈沖激勵(lì)的兩倍，方波激勵(lì)可以用于厚工件或衰減較大材料的檢測(cè)，尖脈沖激勵(lì)可以用于薄工件或?qū)Τ暡ㄋp較小材料的檢測(cè)。

2）激勵(lì)方波脈沖寬度應(yīng)設(shè)置在探頭中心頻率的1/2周期附近，以獲得最佳的檢測(cè)靈敏度與分辨率組合。

3）回波幅度與激發(fā)電壓呈線性關(guān)系，激發(fā)電壓過小，對(duì)超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)能力較弱，造成靈敏度余量不足。激發(fā)電壓過大，容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，導(dǎo)致噪聲電平增大和動(dòng)態(tài)范圍縮小。在實(shí)際無損檢測(cè)中，應(yīng)選擇適中的激發(fā)電壓。

4）激發(fā)脈沖重復(fù)頻率過高，容易出現(xiàn)干擾信號(hào)，影響檢測(cè)信號(hào)的判別。激發(fā)頻率過低，影響掃查速度和檢測(cè)效率。在實(shí)際超聲檢測(cè)中，應(yīng)選擇合適的重復(fù)頻率。

5）阻尼電阻值越小，發(fā)射的功率越小，發(fā)射的超聲脈沖寬度越窄。阻尼電阻值越大，發(fā)射的功率越大，發(fā)射的超聲脈沖越寬。實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)根據(jù)不同的材料、厚度和所采用的探頭類型，設(shè)置合適的阻尼電阻值，以獲得良好的分辨率和檢測(cè)效果。