空氣耦合超聲探頭聲場及其對檢測的影響

吳君豪 何雙起 羅 明 吳時紅 張 穎

0 引言

空氣耦合超聲檢測免除了傳統的液體耦合介質，具有非接觸、易實現自動化的優點，但缺點是超聲頻率低、檢測靈敏度低［1］。空氣耦合超聲探頭聲場存在一個“聲照區”，聲場的強度、聲束的寬度分別影響著穿透能力和橫向分辨率。了解探頭聲場分布，有助于提高檢測可靠性，亦可在仿真試驗中利用測得的相關聲場特性，提高建模準確性。V.KOMMAREDDY等對空氣耦合超聲聲場進行測量，但缺少對聲場測量結果的嚴格評價，也沒有深入分析聲場對檢測效果的影響［2］。孔濤等設計了一套空氣耦合超聲探頭的聲場測量系統，但其可移植性較差［3］。本文提出的聲場測量方案可以運用在任何二維空氣耦合掃查系統上，快速測量探頭的聲場特性。基于該方案，測量了4種型號的空氣耦合超聲探頭聲場的指向性，數據結果豐富，并分析了其對缺陷檢測效果的影響。

1 測量方案

1.1 空氣耦合超聲探頭

待測的4種規格壓電型空氣耦合超聲探頭的相關參數見表1。

表1 探頭參數Tab.1 Probe parameters

1.2 測量系統搭建

空氣耦合超聲探頭聲場的測量借鑒了水聽器測量超聲探頭聲場的方法，在接收探頭前安裝一個帶小孔的遮聲罩作為接收裝置，移動得到空間每一點的聲壓，從而得到探頭的聲場指向性特性［4］。

聲場測量系統在平面二維空氣耦合超聲檢測系統上改造得到。發射探頭固定在距離平臺一定高度位置且水平放置。接收探頭安裝在掃查架上且水平放置，能夠完成二維運動。將兩個探頭靠近，調整兩者高度和準直度，保證發射探頭軸線處于接收探頭的運動平面內，如圖1（a）。遮聲罩良好的隔聲能力是準確測量聲場的前提條件。用密度較大的金屬錸制作遮聲擋片，并利用套箍將其安裝在接收探頭前部，如圖1（b）。根據隔聲的基本規律［5］，當聲波通過中間層，其隔聲量為：

式中，t1為聲波穿過薄板的聲強透射系數，k2為聲波在薄板中的波數，D為薄板厚度，R12、R21分別是薄板與空氣、空氣與薄板的聲阻抗之比。對比錸與普通不銹鋼的隔聲能力，見表 2，在空氣聲阻抗 409.7 N·s／m3，擋片厚度為1 mm的情況下，錸板隔聲量大于87 dB，且比不銹鋼高8 dB以上。另外，遮聲擋片中心透聲圓孔的直徑為0.8 mm，與被測探頭中心頻率對應的最短波長（約0.7 mm）相當，較小的孔徑保證了聲場測量精度。

圖1 空氣耦合超聲探頭聲場測量方案Fig.1 Acoustic field measurement scheme for air－coupled ultrasonic probe

表2 不銹鋼和錸的隔聲能力對比Tab.2 Comparison of acoustic insulation ability between steel and rhenium

發射探頭的激勵脈沖周期數為3，掃查步進間距為1 mm，掃查速度為100 mm／s，信號的采樣頻率為5 MHz。由于系統的采樣深度800 μs的限制，最遠測量距離約為270 mm。

圖2 四種探頭的聲場分布Fig.2 Acoustic fields of four probes

2 結果及分析

四種探頭的聲場強度分布情況見圖2。

對比 140、200 kHz平探頭聲場［圖 2（a）（b）］，可以發現，頻率較低的探頭聲束更寬、更發散，與理論相符。對比200 kHz平探頭和聚焦探頭聲場情況［（圖2（b）（c）］，可見平探頭的聲場整體上聲壓更高，對材料的穿透能力更好。聚焦探頭仍具有活塞聲源的特征，200、500 kHz聚焦探頭聲束存在旁瓣［圖 2（c） （d）］。

圖3 四種探頭核心部分的聲場分布Fig.3 Acoustic field in the center region of the four probes

為了觀察聲場中能量高的中心部位的情況，只將聲壓在－3～0 dB的部分顯示出來，得到的聲場分布如圖3所示，從該圖可以看到聲場核心區域的聲壓分布細節特征。

圖3表明，平探頭近場區聲壓存在極大極小值點，與理論相符，特別是200 kHz平探頭的近場區干涉效應較明顯［圖3（b）］。因聚焦探頭壓電材料是球面狀的，所以因聲程差異造成的干涉效果較小，在近場區未發現明顯干涉效應。500 kHz比200 kHz聚焦探頭的聲場聚焦效果好，聲束寬度更窄，表明其橫向分辨率優于后者［圖 3（c）（d）］。

通過數據處理，得到四種探頭軸線上的聲壓分布（圖4），平探頭聲壓在近場存在波動現象，根據定義，曲線上最后一個峰值所在位置為探頭的近場區長度。

圖4 四種探頭軸線上的聲壓Fig.4 Acoustic pressure on the axes of the four probes

圖4 表明，遠場區的聲衰減與探頭頻率有關，頻率越高聲壓衰減更快。500 kHz探頭遠場軸線聲壓曲線上能看到球面波的衰減特性，即聲壓與距離成反比。圖4中四種探頭軸線上的近場聲壓的波動反映了干涉效應，140、200 kHz平探頭近場區的聲壓波動明顯，而200、500 kHz聚焦探頭近場區的聲壓則較平穩，與圖3的分析結果一致。

依據美國材料學會標準ASTM E1065［6］對探頭的指向性參數進行評價，平探頭的評價參數包括近場區長度、聲軸聲壓特性、聲束半擴散角，聚焦探頭的評價參數包括焦區范圍、聲束聚焦角。表3中，平探頭的半擴散角、近場區長度的理論值是根據圓盤活塞聲源發射聲場指向性理論公式［7］計算得到的，聚焦探頭焦距的理論值指的是探頭的標稱焦距。平探頭的半擴散角、近場區長度比理論值小，特別是半擴散角測量結果差異較大，說明指向性理論僅可用于探頭聲場特性的粗略估計，仍需要測量才能得到較準確的結果。聚焦探頭聲場存在一個焦區，在該范圍內聲壓差異不大，標稱焦距在該焦區范圍內，說明標稱值是可靠的，在檢測中可以作為參考。

表3 空氣耦合超聲探頭聲場測量結果Tab.3 Acoustic field measurement results of air coupled ultrasonic probes

3 檢測結果與聲場的關系

超聲穿透法通過監測穿透波信號幅度的變化實現對復合材料內部分層缺陷的檢測，其檢測能力受到聲場特性（特別是聲束寬度）的影響［8］。

用真空熱壓罐法制作帶有分層缺陷的碳纖維增強樹脂基復合材料試樣。單層預浸料厚度為0.15 mm，總共鋪層20層，中間6層預浸料上切除5個的正方形區域（邊長分別為 5、10、20、30、40 mm），用以模擬分層缺陷。固化成型之后得到帶有分層的試樣，如圖5（a）。結合聲場特性，對該試樣的穿透式空氣耦合超聲檢測效果進行定性分析。

對比同頻率（200 kHz）聚焦探頭和平探頭的檢測結果（圖5），平探頭因為聲束發散，缺陷邊緣模糊，易產生定量誤差。

對比試樣在200、500 kHz聚焦探頭下的檢測結果（圖6），后者能檢測到材料內部紋理特征，因為后者無論是橫向分辨率（與聲束聚焦效果有關），還是縱向分辨率（與聲波頻率有關）都優于前者。所以，在保證穿透能力的前提下，應優先使用高頻聚焦探頭。

圖5 試樣及200 kHz平探頭和聚焦探頭的檢測結果Fig.5 Specimen and detection results of the 200 kHz focusing and flat probe

最后考察檢測距離的影響。圖7為試樣放置在距離200 kHz聚焦發射探頭10、30、70 mm下的檢測結果。30 mm下的檢測效果最好，支架鐵絲［直徑約1 mm，圖（b）上方的線條］依然清晰可見。70 mm下接收能量降低，圖像信噪比低，小缺陷（F1、F2、F3）不明顯，大缺陷（F4、F5）的邊緣模糊。所以，材料應該放置在焦區內進行檢測。

圖7 檢測距離對結果的影響Fig.7 Effect of detection distance on the result

4 結論

本文設計的聲場測量系統可以便捷、有效地測量空氣耦合超聲探頭聲場，分析聲場測量結果及其對檢測的影響有以下結論。

（1）空氣耦合超聲探頭的聲場特性與圓盤活塞聲源具有相似之處，如旁瓣、近場區的干涉效應、軸線聲壓特性。可根據ASTM E1065標準評價探頭的聲場特性參數。根據圓盤活塞聲源理論推導得到的平探頭的近場區長度和半擴散角，與實測值相比偏大。聚焦探頭的標稱焦距在實測焦區范圍內，實際檢測中，可以為確定檢測距離提供依據。

（2）不同型號空氣耦合超聲探頭的聲場特性存在較大差異。低頻率、平探頭的聲場能量高，穿透效果好，指向性較差，而高頻率、聚焦探頭聲場能量低，指向性好，檢測橫向分辨率高。在保證穿透能力的前提下，應盡量選擇后者。

（3）根據探頭聲場分布情況，調整檢測距離，使被檢材料位于探頭的焦區內，能夠提高檢測靈敏度。

參考文獻

［1］周正干，魏東.空氣耦合式超聲波無損檢測技術的發展［J］.機械工程學報， 2008， 44（6）：10－14.

［2］ KOMMAREDDY V， PETERS J J， DAYAL V， et al.Air－coupled ultrasonic measurements in composites［C］ ／／Ameri?can Institute of Physics， 2004：859－866.

［3］孔濤，徐春廣，張運濤，等.空氣耦合超聲換能器聲場計算與測量研究［J］.機械工程學報， 2011， 47（22）：19－24.

［4］ BASHFORD A G，HUTCHINS D A，SCHINDEL D W.Radiated fields of an air－coupled ultrasonic capacitance transduc?er［J］.Ultrasonics， 1996， 34（2－5）： 169－172.

［5］杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎.第3版［M］.南京：南京大學出版社，2012：144－145

［6］ ASTM E1065 ／E1065M－14，Standard guide for evalu?ating characteristics of ultrasonic search units［S］.ASTM Interna?tional， West Conshohocken， PA， 2014

［7］鄭暉，林樹青.超聲檢測.第2版［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：56－62

［8］趙建華，羅明，吳時紅，等.超聲波噴水穿透法在先進復合材料檢測中的應用［J］.宇航材料工藝，2012，42（4）：105－108.