相控陣超聲檢測聲場近場區長度的理論

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(1.河海大學 物聯網工程學院，常州 213022；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，常州 213016；3.中國石油錦西石化公司機械廠，葫蘆島 125001;4.中國特種設備檢測研究院，北京 100013)

相控陣超聲檢測聲場近場區長度的理論

姜學平1，岳云飛2，莊鳳冬3,毛小虎2，鄭暉4，韓慶邦1

(1.河海大學物聯網工程學院，常州213022；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，常州213016；3.中國石油錦西石化公司機械廠，葫蘆島125001;4.中國特種設備檢測研究院，北京100013)

相控陣超聲檢測技術可靠高效、無輻射，可應用于工業無損檢測中。對于均勻各向同性材料工件，尤其是焊縫的相控陣超聲檢測，可采用超聲斜入射脈沖橫波扇形掃描檢測的方法。探討相控陣超聲探頭輻射不同偏轉角度聲場的近場區長度問題，進行了理論計算和仿真分析，發現焊縫檢測中常用有機玻璃楔塊角度為36.2°時，偏轉角度越大，近場區長度越小。結果可為相控陣超聲檢測工藝設計和檢測設備校準提供參考。

相控陣超聲檢測；扇形掃描；近場區長度；聚焦聲波

伴隨著材料、微加工、計算機和電子技術的迅速發展，相控陣超聲檢測技術越來越多地應用于工業無損檢測中，這是由于其具有檢測所用聲束靈活可控，檢測可靠、高效、受人為因素影響小、無輻射無污染、檢測結果直觀、可保存[1]的優點。相關理論的逐漸完善[2-6]、檢測方法的不斷豐富[7-12]，以及國內外相關標準、設備、軟件的逐步被認可、應用[13-14]，特別是近兩年來該技術現場試驗的成功應用，大大推動了相關行業標準形成的進程，進一步加快了該技術的發展與應用。

相控陣超聲檢測中，可以采用超聲斜入射脈沖橫波回波法，設置探頭位置和檢測所用聲束的扇形掃描角度范圍實現待測區域的全部檢測。其中，在聲場的近場范圍內，聲波可以有效聚焦，所以常采用相控聚焦方法提高檢測精度；在遠場采用非聚焦聲場，減小聲束發散角，提高檢測橫向分辨力。因此需要研究相控陣超聲檢測中聲場的分布特性，以指導檢測方法與工藝的研究。強天鵬[15]等給出了近場區長度計算方法，并測量了近場區長度對聚焦法則的變化規律，但未考慮楔塊角度，且計算需要修正因子。孫芳[16]等將帶有楔塊的相控陣超聲檢測問題簡化為液-固界面上的聲傳播問題，推導了平面波入射液-固界面的聲透射系數。張迪等研究了薄板相控陣超聲檢測中Lamb波聲場的分布特性[17]。周正干等[18]研究了相控陣超聲檢測L形工件時的檢測聲場。姜學平等計算了不同入射角度下，聲波在楔塊-工件界面的透射系數，結合實際應用給出扇形掃描折射角度范圍為38°～75°的建議值，推導了聲波在不同位置聚焦時各陣元相對延時的解析計算公式[19-20]。但目前對相控陣超聲檢測聲場近場區長度的計算研究相對較少，由于聲場只能在近場區聚焦，所以這個長度對檢測工藝設計中是否采用聚焦聲場檢測有較重要的參考作用。

文章基于幾何聲學的方法，通過計算相控陣超聲探頭輻射不同角度偏轉聲束的有效聲輻射口徑，推導偏轉聲束近場區長度與探頭的聲輻射口徑和楔塊相關參數的關系；采用半解析的數值計算方法仿真聲場，觀測近場區長度，仿真結果與理論推導計算結果吻合。

1 相控陣探頭楔塊偏轉聲場的近場區長度解析計算

一般情況下，均勻各向同性材料工件，特別是在焊縫的相控陣超聲檢測中，探頭輻射聲場至楔塊中，經楔塊、楔塊-工件滑移界面，在界面上發生模式轉換后，產生橫波進入待檢工件中。

該部分的推導是基于幾何聲學假設進行的。聲束由聲線表示，各聲線獨立傳播，聲線會發生折射、反射、衍射和衰減等。這里只考慮聲波折射的情況。利用聲線追蹤法(幾何聲學法)可以近似計算聲場近場區長度，輔助檢測工藝設計。

圖1 線性相控陣探頭輻射偏轉聲場近場區長度計算示意

圖1為線性相控陣探頭輻射偏轉聲場近場區長度計算示意。如圖1所示，一維線性相控陣超聲換能器激活口徑(active aperture)為A0，楔塊傾斜角度為α，Li為聲波沿著聲軸線在楔塊中傳播的距離，楔塊中的縱波聲速為cw，工件中聲速為cs，聲頻率為f。假定某延時法則使聲束在工件中的折射角為θt，此時楔塊中等效的聲輻射口徑由原來的A0變為Aw，入射角為θi。這里，下標i表示入射波，t表示透射波。根據Snell定律，可得：

由幾何關系，得:

當折射角為θt時，將相控陣探頭通過楔塊向待檢測工件中輻射偏轉聲場類比為探頭向單一介質中輻射聲場，類比探頭對應的口徑為有效聲輻射口徑Aeff：

設待檢測工件中的聲波長為：

探頭向單一介質中輻射聲場的近場區長度可以表示為[21]：

將式(2)，(3)和(4)代入式(5)中，減去聲波在楔塊中傳播的等效距離，即可得到相控陣探頭聯合斜楔塊組合系統輻射偏轉波時，在待檢測工件中的近場區長度為：

比起近場區長度，檢測中更常用的是檢測深度，所以計算近場區深度為：

由式(6)可見，相控陣偏轉聲場近場區長度與頻率、工件中的聲速、探頭聲輻射口徑、楔塊角度和偏轉角度有關。其他條件不變的情況下，探頭聲輻射口徑越大，近場區長度越大；工件中聲波λt越大，近場區長度越小；對于材料確定的工件的檢測，頻率越高，近場區長度越大，有效聚焦范圍越大，但實際檢測中頻率的確定，需要考慮材料引起的信噪比和聲衰減影響；而近場區長度隨偏轉角度的變化，從公式中不易看出，可通過計算進行討論。

設工件中的聲傳播速度ct=3 236 m·s-1，ci=2 330 m·s-1，Li=12.3 mm，A0=9.50 mm，α=36.2°，f=5.0 MHz，實際檢測中一般用負方波脈沖激勵換能器輻射聲波，將方波脈沖寬度乘以2后求倒數約定為檢測聲場頻率f，聲束偏轉35°～72°時近場區長度和偏轉角度的關系曲線見圖2。

圖2 36°～72°偏轉下近場區長度/近場區深度和折射偏轉角度的關系曲線

由圖2可見，一般的焊逢檢測中，折射角為36°～72°的情況下，當相控陣探頭和楔塊確定時，偏轉角度越大，近場區長度越小，聲場可以有效聚焦的范圍就越小。

2 相控陣探頭楔塊偏轉聲場的近場區長度仿真分析

聲場仿真采用鉛筆法的半解析計算。將聲輻射面上的各點視為點聲源，求解區域離散成點陣；在彈性介質中，距點源足夠遠的計算點(即場點)處聲波近似為平面波，平面波的振幅隨著傳播距離的增加而不斷減小；從探頭各陣元發出的聲波經過楔塊、楔塊-工件平面滑移接觸面后進入待檢測工件中，場點處的聲振幅即為各個點聲源在該點貢獻的疊加[22]；計算求解域中各點的聲壓，最后得到聲場分布。采用的工件的參數為：尺寸(長×寬×高),300 mm×200 mm×150 mm；橫波聲速，3 236 m·s-1；縱波聲速，5 916 m·s-1；密度，7.8 g·cm-3。由于工件材料各向同性，且在鋼中傳播距離較短，故忽略聲衰減。探頭的詳細參數為：矩形陣元間距，0.6 mm；陣元個數，16；單個陣元長度，10 mm；激活口徑，9.5 mm。楔塊的各方向尺寸示意見圖3。楔塊材料為有機玻璃，其詳細參數為：橫波聲速，1 136 m·s-1；縱波聲速，2 330 m·s-1；密度，1.18 g·cm-3；L1，9.72 mm；L2，13.30 mm；L3，23.0 mm；L4(即Li)，12.3 mm；入射角α，36.2°。計算參數為：偏轉角度，35°～75°(第一臨界角時，折射橫波的折射角度為33°，需要避免聲速的變化引起鋼中出現縱波)；計算橫波分布區域，80 mm×42 mm。計算折射角角度分別為45°、50°、55°和60°時的聲場，其中當折射角為55°時，各陣元沒有相對延時。仿真結果見圖3。

圖3 楔塊各方向尺寸示意

從圖4可見，工件中只有一種波傳播，這是由于在工件中聲波的入射角大于第一臨界角，工件中只有模式轉換橫波。提取圖4各分圖中聲軸上聲壓隨距離的變化曲線，取最遠的極大值到聲輻射面的距離為近場區長度，代入式(7)可求得近場區深度，并與式(6)和式(7)聯合的計算結果進行比較，見表1和圖5(相控陣超聲探頭5 MHz，16陣元，陣元間距0.6 mm，楔塊傾角36.2°，自然偏轉時楔塊中聲程12.3 mm)。

由表1和圖5可見，理論計算和仿真結果一致，所以可用式(6)和式(7)計算線性相控陣超聲探頭偏轉聲場的近場區長度和近場區深度，以便指導工藝設計。

圖4 不同折射角的聲場仿真結果

圖5 相控陣偏轉不同角度時近場區深度的理論計算和仿真結果對比

表1 不同偏轉角度對應的近場區長度和近場區深度

3 結論

采用有效聲輻射口徑和幾何聲學的方法，計算了相控陣探頭輻射偏轉聲場的近場區長度，研究了相控陣探頭輻射聲場的近場區深度隨偏轉角度變化的關系，理論計算與仿真結果吻合。結果發現探頭越大，偏轉角度越小，近場區長度越大，即可以采用聚焦聲束檢測的深度越大。

檢測時，可以通過計算近場區長度來判斷是否適合采用聚焦聲場；也可以估計近場區深度，以判斷現場偏轉非聚焦聲束檢測中校準設備時，DAC曲線的合理性。即當DAC曲線的最大峰值點在近場區深度附近時，則一般認為DAC曲線合理，可以進行后續工作。否則，DAC曲線不合理，不能檢測。

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TheoreticalStudyonNear-FieldLengthofAcousticFieldforPhasedArrayUltrasonicTesting

JIANGXueping1,YUEYunfei2,ZHUANGFengdong3,MAOXiaohu2,ZHENGHui4,HANQingbang1

(1.CollegeofIOTEngineering,HohaiUniversity,Changzhou213022，China;2.SpecialEquipmentSafetySupervisionInspectionInstituteofJiangsuProvince,Changzhou213016,China;3.PetroChinaJinxiPetrochemicalCompanyMachineryFactory,Huludao125001,China;4.ChinaSpecialEquipmentInspectionInstitute,Beijing100013,China)

Phased array ultrasonic testing method is of flexible, reliable, efficient and suitable for industrial nondestructive testing. Near-field length was investigated for phased array ultrasonic testing homogeneous isotropic work pieces using oblique incident pulse shear wave. The theoretical calculations of near-field length and the simulations of the acoustic field for various deflection angles in phased array ultrasound inspections were carried out. It is shown that the near-field length decrease with increasing deflection angles when using general plexi-glass wedge of inclination angle being 36.2°. The conclusions of this paper can provide some reference for designing the testing procedure.

phased array ultrasonic testing; sector scan; near-field length; focusing acoustic wave

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0033-04

2017-02-09

國家自然科學基金資助項目(11604076，11574072，11274092)；河海大學中央高校基金資助項目(2015B04714)；江蘇省特檢院科技(科研)資助項目(KJ(Y)2016002)

姜學平(1983-)，男，講師，主要研究方向為超聲檢測

韓慶邦(1965-)，男，教授，主要研究方向為超聲檢測，HQB0092@163.com

10.11973/wsjc201710008