超聲波探頭極限掃查速度的分析

劉英和，張松明，張 海，郭萬東

（天津市友聯螺旋鋼管有限公司，天津 301606）

1 問題的提出

一些超聲波探傷標準關于探頭掃查速度的描述如下：“探頭的掃查速度不應超過150.0mm／s。當采用自動報警裝置掃查時，不受此限”。標準關于此條規定是否合理？筆者通過對數字式超聲波探傷儀報警響應速度，探頭聲場分布，脈沖重復頻率等因素的分析，對探頭極限掃查速度進行探討。

2 對超聲波探傷有關問題的理解

2.1 對標準的理解

以JB／T 4730.3－2005《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準為例，該標準是針對手動超聲波探傷編制的，采用自動報警裝置是否可以理解為帶自動報警的數字式或部分模擬式超聲波探傷儀。

2.2 對數字式超聲波探傷儀探傷速度的理解

數字式與模擬式超聲波探傷儀相比有以下幾點改進：①減小了質量與體積。②實現了打印與通信。③實現了原始數據存儲。④實現了缺陷自動定位與定量。⑤可存儲多種探頭的距離波幅曲線。

上述比較說明數字式超聲波探傷儀的諸多優點與探頭移動速度無關。

2.3 對脈沖重復頻率與探頭掃查速度的相互關系的理解

2.3.1 脈沖重復頻率的概念

現代超聲波檢測技術使用的是脈沖反射法，即向被檢物體發射一個短脈沖超聲波，再接收它，如此往復。單位時間（秒）里，探傷儀驅動探頭發射超聲波的次數就是脈沖重復頻率。

2.3.2 脈沖重復頻率對超聲波探傷儀的影響

（1）脈沖重復頻率太低

早期的模擬式超聲波探傷儀器，示波管顯示屏的亮度需要有一定的掃描信號來維持，因此脈沖重復頻率顯得相對重要，因為脈沖重復頻率過低會造成顯示屏亮度暗淡。對于現代數字式超聲波探傷儀普遍使用的液晶、場致發光顯示器，因其發光原理與傳統的CRT 顯示器不一樣，是恒定發光，因此亮度不再依賴脈沖重復頻率。

以液晶顯示器為例，其主要參數之一的“刷新頻率”是表示屏幕圖像每秒鐘重繪的次數，一般情況下每秒30幅左右或更快速度的運動圖像會被人眼認為是連續的（電影每秒鐘重繪24次），所以人眼其實只需要30Hz以上的刷新頻率，那么脈沖重復頻率就只與探頭掃查速度有關。

探頭在移動過程中超聲信號是間斷發射的，如果移動的速度過快，而脈沖重復頻率太低，可能會造成探頭“劃過”某處缺陷時超聲波還沒有“輻射”到該缺陷而造成漏檢。

（2）脈沖重復頻率太高

參考圖1，同步脈沖（即脈沖重復頻率）的頻率決定了發射電路在單位時間內施加到超聲探頭上的發射脈沖次數。發射電路被同步脈沖觸發而產生超聲波的電脈沖，其機理是利用電容器（探頭中的壓電晶體）的充放電來實現的。當重復脈沖頻率太高時，電容器充放電的時間間隔將會顯著縮短，使電容器尚未充電到額定電壓值時就開始放電，從而導致發射功率下降。為了保證足夠的檢測靈敏度，超聲波探傷儀發射脈沖幅度多在400～500V 之間。

圖1 發射電路觸發探頭示意圖

脈沖重復頻率太高時還會出現所謂的“游動波”，這種游動波酷似缺陷的反射回波信號。其特點是從熒光屏水平刻度（掃描基線）的始波位置出現，緩慢地向底波方向移動，直至越過第一次底波之后，從始波位置起又重新出現并向底波方向游動。在不同條件下其移動速度不同，有時極為緩慢，給識別真正的缺陷信號帶來困難，當把脈沖重復頻率降低后，這種游動波的現象就會消失。

發射電路中的發射管屬于大功率電子元件，在脈沖重復頻率（同步脈沖）的作用下，將不斷地處在導通、截止的工作狀態。其工作過程中自身會產生很大的熱量，長此以往地工作在高溫狀態下將影響其使用壽命。同時發射管頻繁的導通、截止工作狀態是要消耗電能的，因此脈沖重復頻率設置過高也會縮短便攜超聲波探傷儀電池的使用時間。

（3）發射功率大其發射電壓就高，還涉及到探頭中壓電晶體的承受能力。如果電壓太高會導致壓電晶體發熱，加速老化，甚至被擊穿。此外發射功率大其脈沖寬度也大，會影響檢測時的分辨力。在分辨力要求高，特別是近表面分辨力要求高的情況下，則不宜使用過高的發射功率。

綜上所述，為了保證得到較高的檢測靈敏度與良好的分辨力，同時兼顧探頭中壓電晶體的使用壽命，避免漏檢與游動波等現象的出現。原則規定在設置的極限掃查速度下，缺陷被超聲波有效聲束“輻射”到的次數不得低于2次。如探頭的極限掃查速度設置為150mm／s，探頭有效接收尺寸（探頭移動方向）10 mm，則脈沖重復頻率為1（一次輻射）＋150mm／10mm（二次輻射）＝16Hz。

實際上，考慮到探測靈敏度的要求，聲束覆蓋區之間還必須有一定的交叉覆蓋，假定交叉覆蓋二分之一，也就是說脈沖重復頻率應達到32 Hz。這與顯示器所需的刷新頻率30Hz基本一致。這對于常見厚度工件（6～200mm）的手工檢測，超聲波探傷儀上脈沖重復頻率設置為32Hz是比較合理的。

3 數字超聲波探傷儀報警響應速度的試驗分析

3.1 試驗準備

按照JB／T 4730.3－2005標準，使用2.5P13×13K2探頭與CSK－ⅢA 試塊制作圖2所示距離波幅曲線，曲線不帶補償。

以試塊上2 0.0mm深φ1mm×6mm孔作為模擬缺陷，移動探頭找到該孔反射回波最高點，反射回波幅度超過圖2所示的判廢線，此時儀器發出報警聲響。

3.2 試驗過程

3.2.1 發出報警聲響的條件

在相同條件下（如使用同一種探頭），數字式超聲波探傷儀的報警響應速度遠不如模擬式超聲波探傷儀，模擬式超聲波探傷儀是實時工作，而數字式探傷儀則多了數模轉換、數字信號采集、數字信號處理等電路，因此報警響應速度要慢一些。

數字式探傷儀發現缺陷后，缺陷反射回波幅度達到或超過圖2所示三條曲線任意一條時儀器都將發出不同報警聲響，現以報警最低條件即反射回波幅度達到評定線高度進行分析。

3.2.2 影響報警響應速度的因素

（1）試驗中發現φ1mm×6mm 孔反射回波幅度達到最高點后探頭側面與試塊側面如果出現偏斜，且偏斜角度在2°以內時，反射回波幅度將明顯低于評定線，此時即使發現缺陷儀器也不會報警。探傷時如果以150.0mm／s的速度移動探頭，探頭跑偏使主聲束與缺陷形成不了100%垂直的現象是客觀存在的，也是不可避免的。

（2）試驗中發現φ1mm×6mm 孔反射回波幅度達到最高點后，向反射孔方向移動探頭使該孔反射回波幅度達到評定線高度（儀器處在報警臨界狀態）即圖2的A 回波，此時入射點向反射孔方向移動了4mm。將入射點移回到該孔反射回波幅度達到最高點的位置，再向遠離反射孔方向移動探頭使該孔反射回波幅度再次達到評定線高度（儀器處在報警臨界狀態）見圖2的反射回波B，此時入射點移動了6mm，入射點左、右移動使反射回波分別達到評定線高度時，入射點有效移動范圍是10mm。

3.2.3 入射點左、右移動距離不相等的原因分析

參考圖3，超聲波進入工件后要產生折射，折射角度β與上半擴散角θ上和下半擴散角θ下有關，且θ上大于θ下，即上半擴散角形成的聲場范圍要大于下半擴散角形成的聲場范圍。

圖3 橫波折射角度β、上半擴散角θ上、下半擴散角θ下對應關系

入射點向遠離反射孔方向移動時，φ1 mm×6mm孔處在上半擴散角形成的聲場范圍之內，向靠近反射孔方向移動時，該孔處在下半擴散角形成的聲場范圍之內，這就是入射點左、右移動距離不相等的原因。

3.2.4 有效報警時間分析

上文中談到能接收到缺陷信號并發出報警聲響的聲場有效范圍是10mm，且當探頭以150.0mm／s的掃查速度通過10 mm 的有效接收范圍時，φ1mm×6mm 孔能被超聲波有效聲束“輻射”到2次。當探頭以300.0mm／s的掃查速度通過10mm的有效接收范圍時，該孔僅能被超聲波有效聲束“輻射”到1次，在相對較高的探頭移動速度下如果探頭運行軌跡出現跑偏的現象，很顯然漏檢的可能性是不可避免的。

4 結論

探頭極限掃查速度的設定應綜合考慮脈沖重復頻率與檢測靈敏度、分辨力、游動波的相互關系，也應同時兼顧脈沖重復頻率對液晶顯示器、探頭、發射管使用壽命的影響。

因此將探頭極限掃查速度設置在150.0mm／s以內是合理的。