陸銘慧　潘文超　劉勛豐

（南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　南昌　330063）

基于衍射波的孔類缺陷超聲相控陣定量方法研究

陸銘慧潘文超?劉勛豐

（南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南昌330063）

針對(duì)常規(guī)超聲檢測(cè)方法對(duì)小孔型缺陷難以準(zhǔn)確定量的問(wèn)題，利用超聲相控陣的聲束偏轉(zhuǎn)聚焦和成像技術(shù)，基于固體中橫孔對(duì)聲波的衍射特性，提出采用一次反射回波和衍射回波來(lái)確定孔類缺陷的直徑尺寸。首先，利用動(dòng)態(tài)光彈系統(tǒng)對(duì)聲波入射橫孔的傳播規(guī)律進(jìn)行研究，分辨出一次反射回波與衍射回波。其次，采用超聲相控陣系統(tǒng)對(duì)不同深度下孔徑分別為φ1 mm、φ2 mm、φ3 mm、φ4 mm以及同一深度下孔徑差值為0.2 mm的等差橫孔進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明利用本文提出的定量方法能快速有效的確定孔型缺陷直徑尺寸，對(duì)相控陣的定量問(wèn)題研究具有一定的參考價(jià)值。

衍射波，超聲相控陣，定量

1　引言

工業(yè)超聲相控陣技術(shù)［1］出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代，發(fā)展迅速，并以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在核工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)是聲學(xué)無(wú)損檢測(cè)的重要方法之一，其獨(dú)有的聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦特性能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜構(gòu)件形成聲束覆蓋，能夠有效、快速的對(duì)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)［2］，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部缺陷的定位、成像等。但是，目前關(guān)于超聲相控陣檢測(cè)的缺陷定量問(wèn)題仍然沒(méi)有有效的方法。

意大利G.Nardoni，M.Certo等人［3-4］對(duì)超聲相控陣檢測(cè)缺陷定量方法進(jìn)行了研究。以橫孔代表典型的體積型缺陷，割槽代表典型的面積型缺陷，利用缺陷的反射回波和衍射回波的幅值比對(duì)缺陷進(jìn)行定性。本文參考G.Nardoni和M.Certo的研究方法，以橫孔模擬孔型缺陷，利用動(dòng)態(tài)光彈技術(shù)［5］對(duì)聲波在橫孔處的衍射規(guī)律進(jìn)行研究，并基于超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，提供了一種用于超聲相控陣檢測(cè)孔類缺陷的定量評(píng)價(jià)方法。

2　超聲相控陣技術(shù)的特點(diǎn)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)作為一種新型的特殊無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，相比于常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)，它具有如下特點(diǎn)：

（1）發(fā)射/接收方式的改變。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)采用陣列式換能器，多個(gè)換能器陣元按一定形狀、尺寸排列，構(gòu)成超聲陣列換能器。采用多陣元的陣列式換能器，可以發(fā)射能量更強(qiáng)，范圍更廣的超聲波束，檢測(cè)靈敏度和定位精度也比常規(guī)方法高［1］。此外，多陣元的換能器設(shè)計(jì)可以接收到常規(guī)方法接收不到的微弱的回波以及衍射回波，通過(guò)相控陣特有的S掃描成像，可以很容易的觀察到這些微弱回波的存在。

（2）聲場(chǎng)工作區(qū)域的改變。常規(guī)超聲檢測(cè)方法工作在聲場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，且遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的聲場(chǎng)能量分布隨距離的增加而逐漸衰減，因而可以利用回波幅值特性對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。但回波幅值反映的是反射面積的大小，并不是缺陷的真實(shí)尺寸。超聲相控陣技術(shù)則工作在聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，發(fā)射的子波束在近場(chǎng)區(qū)干涉，形成聚焦區(qū)域，提高檢測(cè)靈敏度，但接收波幅值的大小不能真實(shí)反映孔類缺陷面積（尺寸）的大小。

因此對(duì)于孔型或體積較小的缺陷，采用超聲相控陣進(jìn)行檢測(cè)，可以利用缺陷的衍射回波對(duì)缺陷進(jìn)行定量，計(jì)算出缺陷的真實(shí)尺寸。

3　固體中橫孔的聲波衍射現(xiàn)象

由聲波的衍射［5］可知：當(dāng)聲波傳播遇到障礙物時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、衍射和散射現(xiàn)象，衍射現(xiàn)象的強(qiáng)弱與波長(zhǎng)及障礙物的尺寸有關(guān)。當(dāng)橫孔直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，衍射強(qiáng)，反射弱；當(dāng)橫孔直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，衍射弱，反射強(qiáng)。中科院應(yīng)崇福教授等人利用光彈系統(tǒng)觀察到：平面橫波入射到橫孔空腔時(shí)，將發(fā)生有趣的“爬波現(xiàn)象”［6-7］。入射波自上往下傳播，碰到孔壁時(shí)，大部分聲波被反射，當(dāng)聲波到達(dá)橫孔圓周上切點(diǎn)以后，入射波一部分繼續(xù)照直前行，另一部分則沿腔壁向陰影區(qū)繞行，沿孔壁爬行，該聲波被稱為爬波。爬波繞著空腔傳播，同時(shí)還向介質(zhì)內(nèi)輻射聲波，使幾何陰影區(qū)充滿了聲波。圖1～2是在實(shí)驗(yàn)室利用動(dòng)態(tài)光彈系統(tǒng)觀察到的橫波斜入射到橫孔空腔的不同時(shí)刻的聲場(chǎng)圖。

圖1　光彈觀測(cè)到的橫孔對(duì)平面橫波的散射現(xiàn)象Fig.1 Scattering observation of cross-drilled hole by the photoelastic system

圖2　爬波在橫孔的傳播Fig.2 Propagation of creep wave in cross-drilled hole

入射平面波由上向下傳播，開始接觸孔壁時(shí)入射角為0°，橫波在孔壁發(fā)生反射，產(chǎn)生鏡面反射回波；部分聲波繼續(xù)向前傳播，與孔壁的交角不斷改變直到掃完上半圈接觸到橫孔空腔左右兩個(gè)端點(diǎn)，此時(shí)入射角為90°，即與孔壁相切，這時(shí)波前與孔壁垂直，形成掠入射，波形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生爬波，如圖1所示。在圖2（a）可以看到，在陰影區(qū)爬波的波前仍是垂直于孔壁前進(jìn)，前進(jìn)方向隨孔壁的法線方向不斷調(diào)整，表現(xiàn)為環(huán)孔的爬行，同時(shí)向介質(zhì)內(nèi)輻射聲波，在陰影區(qū)沿孔壁爬行的輻射橫波與不受阻擋的入射橫波波前連接［7］。圖2（b）可以清晰的看到，爬波經(jīng)過(guò)圓孔下頂點(diǎn)后仍繼續(xù)繞孔壁爬行，同時(shí)向介質(zhì)內(nèi)輻射聲波。本文旨在通過(guò)接收到的一次反射回波與爬波輻射回波之間的差值來(lái)確定孔徑大小。

4　超聲相控陣測(cè)量孔徑理論模型

對(duì)于橫孔，超聲相控陣技術(shù)能夠接收到缺陷的反射回波與爬波輻射回波，因此，可以利用橫孔的一次反射回波與爬波輻射回波之間的關(guān)系來(lái)確定缺陷直徑尺寸。S掃視圖是超聲相控陣特有的顯示方式，它將通道內(nèi)所有A掃信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)和折射角校正后得到二維圖形顯示。在扇形掃描圖像上，這種爬波輻射回波總是跟在反射回波之后，且沿聲束軸線方向，因此能計(jì)算出一次反射回波和爬波輻射回波的聲程。爬波輻射回波是由于爬波沿著橫孔傳播產(chǎn)生的，當(dāng)聲波傳播到與橫孔相切位置時(shí)產(chǎn)生爬波，爬波沿著橫孔傳播，繞過(guò)橫孔的同時(shí)向介質(zhì)內(nèi)輻射聲波，當(dāng)爬波傳播到另一側(cè)與孔徑相切時(shí)，探頭能接收到的輻射聲波最強(qiáng)，在相控陣的扇形掃描視圖上顯示為緊跟反射波的一個(gè)斑點(diǎn)，如圖3，在A掃描波形圖中也可以看到，只是幅值比反射波要低得多，如圖4所示。聲波與橫孔的作用過(guò)程簡(jiǎn)化模型如圖5所示。

由此，利用橫孔的一次反射回波與爬波輻射回波可對(duì)孔徑進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

設(shè)一次反射回波聲程為S1，爬波輻射回波的聲程為S2，二者的聲程差為ΔS，缺陷的直徑為φ，則二者的聲程差在數(shù)值上近似等于橫孔周長(zhǎng)的一半。由此可計(jì)算得到橫孔尺寸為

圖3　直徑φ3 mm橫孔相控陣掃查示意圖Fig.3 The scanning of φ3 mm cross-drilled hole by phased array UT

圖4　φ2 mm橫孔一次反射回波與爬波輻射回波的A型顯示波形Fig.4A-scan waveform of reflected echo and creep wave of φ2 mm cross-drilled hole

圖5　橫孔的聲波散射簡(jiǎn)化示意圖Fig.5 Simplified schematic of acoustic scattering diagram in a cross-drilled hole

由于爬波是入射波發(fā)生波形轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的，爬波具有頻散特性，其速度不同于橫波或瑞利波速度，取決于“kr”，即波數(shù)與孔徑的乘積，所以需要對(duì)該公式進(jìn)行修正。聲波的速度與材料的特性相關(guān)，不同的材料，其修正系數(shù)也不一樣。設(shè)入射波的聲速為CT，爬波的聲速為CP，CP=KCT，由此得

φ1=Kφ=K·0.64ΔS.（3）

該公式計(jì)算的結(jié)果即為修正后橫孔的直徑尺寸。對(duì)于修正系數(shù)K值的確定，亦即爬波的聲速確定，可以利用聲光延時(shí)設(shè)備，記錄時(shí)間差的方法測(cè)定［7］。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)替代。

5　相控陣測(cè)量孔徑方法實(shí)驗(yàn)研究

采用汕頭超聲儀器研究所SIUI supor-32p超聲相控陣檢測(cè)儀。探頭頻率4 MHz，陣元數(shù)量16，晶片間距0.5 mm，楔塊角度為36°，楔塊材料為有機(jī)玻璃。掃描方式為橫波扇形掃描，角度范圍35°～70°。參考CSK-IIIA試塊的幾何尺寸，制作孔徑分別為φ2 mm、φ4 mm的橫孔試塊（CSK-IIIA代替φ1 mm橫孔、RB-2代替φ3 mm橫孔），對(duì)不同深度的橫孔進(jìn)行定量試驗(yàn)。圖3所示直徑為φ3 mm，埋深50 mm的掃查示意圖，圖像顯示方式為S+A。

圖3中所示為平面橫波入射到深度為50 mm，直徑φ3 mm的橫孔所產(chǎn)生的鏡面發(fā)射回波與繞著橫孔傳播的爬波輻射回波。通過(guò)測(cè)量?jī)烧咧g的聲程差ΔS，來(lái)定量橫孔直徑φ的大小。圖3所示一次反射回波的聲程為S1=81.6 mm，爬波輻射回波聲程S2=86.3 mm，兩者聲程之差即為爬波繞著空腔傳播的距離ΔS，由此得ΔS=4.7 mm，利用公式（2）得定量結(jié)果為3.008 mm。

對(duì)不同埋深，孔徑分別為φ1、φ2、φ3、φ4的橫孔進(jìn)行掃查，經(jīng)過(guò)公式（2）計(jì)算之后，φ2橫孔衍射波定量結(jié)果如表1所示，其余定量結(jié)果如圖6所示。

表1　φ2 mm橫孔不同深度衍射波定量結(jié)果Table 1 The different depth quantitative results of φ2 mm cross-drilled hole by diffracted echo

為了分析定量的準(zhǔn)確性與孔徑大小的關(guān)系，制作深度分別為Da=20 mm和Da=30 mm，孔徑為φ0.8 mm～φ4.8 mm，差值為φ0.2 mm的等差橫孔。在相同的條件下，利用類似的方法對(duì)橫孔進(jìn)行定量，定量結(jié)果如表2～3所示，對(duì)結(jié)果進(jìn)行繪圖，如圖7所示。

考慮試塊的制作誤差影響，形位公差為±0.05 mm，形位公差的相對(duì)影響范圍如圖8所示。對(duì)深度分別為Da=20 mm和Da=30 mm，φ0.8 mm～φ4.8 mm等差橫孔的定量結(jié)果的相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

圖6　不同深度下φ1、φ2、φ3、φ4橫孔定量結(jié)果Fig.6Quantitative results of φ1、φ2、φ3、φ4 cross-drilled hole in different depth

表2　深度為20 mm變孔徑定量結(jié)果Table 2Quantitative results of different size cross-drilled hole in the depth of 20 mm（單位：mm）

表3　深度為30 mm變孔徑定量結(jié)果Table 3Quantitative results of different size cross-drilled hole in the depth of 30 mm（單位：mm）

圖7　相同深度下φ0.8 mm～φ4.8 mm的定量結(jié)果Fig.7 Quantitative results of φ0.8 mm～φ4.8 mm cross-drilled hole in the same depth

圖8　定量結(jié)果的相對(duì)誤差影響Fig.8 The relative errors of quantitative results

6　結(jié)論與展望

（1）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了衍射波的存在與可識(shí)別性，衍射波的特性是定量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，了解衍射波的特性即可對(duì)爬波速度做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，從而提高定量準(zhǔn)確性。

（2）在一定深度范圍內(nèi)能準(zhǔn)確的定量橫孔尺寸，定量相對(duì)誤差不超過(guò)10%，并且結(jié)果穩(wěn)定性較好。但此方法對(duì)于尺寸較小（≤φ1 mm）的橫孔的定量評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確，原因是孔徑小，反射回波與爬波輻射回波不容易分開。

（3）利用該方法能快速、有效的計(jì)算出孔型缺陷的尺寸，對(duì)相控陣的定量評(píng)價(jià)研究具有一定的參考價(jià)值。但是文章中得出的數(shù)據(jù)是在形狀、尺寸規(guī)則化的試塊上得到的。但實(shí)際缺陷的形態(tài)、分布、性質(zhì)以及方向等各不相同，也無(wú)法預(yù)測(cè)，從實(shí)驗(yàn)到實(shí)際，必有一個(gè)過(guò)渡、轉(zhuǎn)變和綜合的過(guò)程?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員當(dāng)以實(shí)驗(yàn)規(guī)律為依據(jù)，指導(dǎo)實(shí)際評(píng)斷。

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The quantitative method of hole-type defects with diffracted echo by phased array ultrasonic technology

LU MinghuiPAN WenchaoLIU Xunfeng
（Key Laboratory of Nondestructive Testing，Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

For conventional ultrasonic testing of small hole defect accurate quantitative problems，it comes up with a new method by the ultrasonic phased array beam focusing and imaging technology，based on the diffraction characteristics of acoustic wave in a solid，a reflection echo of cross-drilled hole and diffracted echo are proposed to determine the size of the cross-drilled hole.Firstly，the acoustic propagation law of crossdrilled hole in an optical glass was observed by a photoelastic system.A reflection echoes and diffraction were distinguished clearly.And then，the aperture respectively under different depth φ1 mm，φ2 mm，φ3 mm，φ4 mm and the same depth of pore size difference is 0.2 mm cross-drilled hole was tested by phased array ultrasonic system.The results show that the quantitative method proposed in this paper can quickly and efficiently determine the size of defects，which indicates that the idea provides a reference for the quantification study of phased array.

Diffracted echo，Ultrasonic phased array，Quantitation

TG115.28

A

1000-310X（2015）05-0385-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.05.002

2014-12-19收稿；2015-02-17定稿

陸銘慧（1963-），女，黑龍江人，博士，研究方向：聲學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。?

E-mail：2268050858@qq.com