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

（南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室　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

（南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室南昌330063）

針對常規超聲檢測方法對小孔型缺陷難以準確定量的問題，利用超聲相控陣的聲束偏轉聚焦和成像技術，基于固體中橫孔對聲波的衍射特性，提出采用一次反射回波和衍射回波來確定孔類缺陷的直徑尺寸。首先，利用動態光彈系統對聲波入射橫孔的傳播規律進行研究，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對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的等差橫孔進行定量實驗。研究結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，對相控陣的定量問題研究具有一定的參考價值。

衍射波，超聲相控陣，定量

1　引言

工業超聲相控陣技術［1］出現在上世紀80年代，發展迅速，并以其獨特的優勢在核工業、航空航天等領域得到了廣泛應用。目前，超聲相控陣技術已經是聲學無損檢測的重要方法之一，其獨有的聲束偏轉、聚焦特性能夠對各種復雜構件形成聲束覆蓋，能夠有效、快速的對構件進行檢測［2］，實現構件內部缺陷的定位、成像等。但是，目前關于超聲相控陣檢測的缺陷定量問題仍然沒有有效的方法。

意大利G.Nardoni，M.Certo等人［3-4］對超聲相控陣檢測缺陷定量方法進行了研究。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缺陷進行定性。本文參考G.Nardoni和M.Certo的研究方法，以橫孔模擬孔型缺陷，利用動態光彈技術［5］對聲波在橫孔處的衍射規律進行研究，并基于超聲相控陣檢測技術，提供了一種用于超聲相控陣檢測孔類缺陷的定量評價方法。

2　超聲相控陣技術的特點

超聲相控陣檢測技術作為一種新型的特殊無損檢測技術，相比于常規的超聲檢測技術，它具有如下特點：

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

（2）聲場工作區域的改變。常規超聲檢測方法工作在聲場的遠場區，且遠場區的聲場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缺陷進行定量評價。但回波幅值反映的是反射面積的大小，并不是缺陷的真實尺寸。超聲相控陣技術則工作在聲場的近場區，發射的子波束在近場區干涉，形成聚焦區域，提高檢測靈敏度，但接收波幅值的大小不能真實反映孔類缺陷面積（尺寸）的大小。

因此對于孔型或體積較小的缺陷，采用超聲相控陣進行檢測，可以利用缺陷的衍射回波對缺陷進行定量，計算出缺陷的真實尺寸。

3　固體中橫孔的聲波衍射現象

由聲波的衍射［5］可知：當聲波傳播遇到障礙物時，會發生反射、衍射和散射現象，衍射現象的強弱與波長及障礙物的尺寸有關。當橫孔直徑遠遠小于波長時，衍射強，反射弱；當橫孔直徑遠遠大于波長時，衍射弱，反射強。中科院應崇福教授等人利用光彈系統觀察到：平面橫波入射到橫孔空腔時，將發生有趣的“爬波現象”［6-7］。入射波自上往下傳播，碰到孔壁時，大部分聲波被反射，當聲波到達橫孔圓周上切點以后，入射波一部分繼續照直前行，另一部分則沿腔壁向陰影區繞行，沿孔壁爬行，該聲波被稱為爬波。爬波繞著空腔傳播，同時還向介質內輻射聲波，使幾何陰影區充滿了聲波。圖1～2是在實驗室利用動態光彈系統觀察到的橫波斜入射到橫孔空腔的不同時刻的聲場圖。

圖1　光彈觀測到的橫孔對平面橫波的散射現象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，開始接觸孔壁時入射角為0°，橫波在孔壁發生反射，產生鏡面反射回波；部分聲波繼續向前傳播，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端點，此時入射角為90°，即與孔壁相切，這時波前與孔壁垂直，形成掠入射，波形轉換產生爬波，如圖1所示。在圖2（a）可以看到，在陰影區爬波的波前仍是垂直于孔壁前進，前進方向隨孔壁的法線方向不斷調整，表現為環孔的爬行，同時向介質內輻射聲波，在陰影區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，爬波經過圓孔下頂點后仍繼續繞孔壁爬行，同時向介質內輻射聲波。本文旨在通過接收到的一次反射回波與爬波輻射回波之間的差值來確定孔徑大小。

4　超聲相控陣測量孔徑理論模型

對于橫孔，超聲相控陣技術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系來確定缺陷直徑尺寸。S掃視圖是超聲相控陣特有的顯示方式，它將通道內所有A掃信號經過延時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生的，當聲波傳播到與橫孔相切位置時產生爬波，爬波沿著橫孔傳播，繞過橫孔的同時向介質內輻射聲波，當爬波傳播到另一側與孔徑相切時，探頭能接收到的輻射聲波最強，在相控陣的扇形掃描視圖上顯示為緊跟反射波的一個斑點，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程簡化模型如圖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孔徑進行定量評價。

設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值上近似等于橫孔周長的一半。由此可計算得到橫孔尺寸為

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生波形轉換后產生的，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”，即波數與孔徑的乘積，所以需要對該公式進行修正。聲波的速度與材料的特性相關，不同的材料，其修正系數也不一樣。設入射波的聲速為CT，爬波的聲速為CP，CP=KCT，由此得

φ1=Kφ=K·0.64ΔS.（3）

該公式計算的結果即為修正后橫孔的直徑尺寸。對于修正系數K值的確定，亦即爬波的聲速確定，可以利用聲光延時設備，記錄時間差的方法測定［7］。實際應用過程中，可以通過實驗和計算取一個經驗值來替代。

5　相控陣測量孔徑方法實驗研究

采用汕頭超聲儀器研究所SIUI supor-32p超聲相控陣檢測儀。探頭頻率4 MHz，陣元數量16，晶片間距0.5 mm，楔塊角度為36°，楔塊材料為有機玻璃。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），對不同深度的橫孔進行定量試驗。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的橫孔所產生的鏡面發射回波與繞著橫孔傳播的爬波輻射回波。通過測量兩者之間的聲程差ΔS，來定量橫孔直徑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）得定量結果為3.008 mm。

對不同埋深，孔徑分別為φ1、φ2、φ3、φ4的橫孔進行掃查，經過公式（2）計算之后，φ2橫孔衍射波定量結果如表1所示，其余定量結果如圖6所示。

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

為了分析定量的準確性與孔徑大小的關系，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，利用類似的方法對橫孔進行定量，定量結果如表2～3所示，對結果進行繪圖，如圖7所示。

考慮試塊的制作誤差影響，形位公差為±0.05 mm，形位公差的相對影響范圍如圖8所示。對深度分別為Da=20 mm和Da=30 mm，φ0.8 mm～φ4.8 mm等差橫孔的定量結果的相對誤差進行對比，結果如圖8所示。

圖6　不同深度下φ1、φ2、φ3、φ4橫孔定量結果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的定量結果Fig.7 Quantitative results of φ0.8 mm～φ4.8 mm cross-drilled hole in the same depth

圖8　定量結果的相對誤差影響Fig.8 The relative errors of quantitative results

6　結論與展望

（1）實驗驗證了衍射波的存在與可識別性，衍射波的特性是定量準確性的關鍵，了解衍射波的特性即可對爬波速度做出準確預測，從而提高定量準確性。

（2）在一定深度范圍內能準確的定量橫孔尺寸，定量相對誤差不超過10%，并且結果穩定性較好。但此方法對于尺寸較小（≤φ1 mm）的橫孔的定量評價不準確，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、有效的計算出孔型缺陷的尺寸，對相控陣的定量評價研究具有一定的參考價值。但是文章中得出的數據是在形狀、尺寸規則化的試塊上得到的。但實際缺陷的形態、分布、性質以及方向等各不相同，也無法預測，從實驗到實際，必有一個過渡、轉變和綜合的過程。現場檢測人員當以實驗規律為依據，指導實際評斷。

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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：聲學無損檢測技術。?

E-mail：2268050858@qq.com