超聲換能器聲場的激光可視化研究

郭佩文，史亦韋，盧超，梁菁，王曉

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063；2.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

0 引言

超聲檢測是國內外無損檢測技術中使用頻率最高、應用最為廣泛且發展較快的一種技術方法[1]。超聲換能器的聲場分布情況直接影響檢測結果，為了更好地了解超聲換能器的聲場分布，對超聲換能器聲場進行探測進而實現可視化研究至關重要。

聲場指的是充滿聲波的空間，或在介質中聲振動所波及的質點占據的范圍。通常采用聲場中各質點的聲壓、聲強、聲阻抗、位移或速度等物理量對聲場進行描述[2]。本文主要通過質點的微小振動位移來表征聲場，進而實現對超聲換能器產生的超聲場的可視化。

目前，對于超聲場的可視化主要有以下手段：第一，基于波動方程，建立超聲波聲場的數學模型，并進行模擬仿真成像，這種方法理論性強，并非實測結果[3]；第二，利用水聽器測量超聲波在水中的三維聲壓分布，可對三維聲場進行實時和精確成像。但它必須盡可能是寬帶、線性和無方向性的，且測量結果受水聽器特性的影響較大[4]；第三，通過測量鋁箔因超聲作用而產生的變形情況，實現超聲場的二維定量表征及成像。這種方法能形成聲場圖像信息，但不能形成隨時間變化的動態圖像，同時所測聲場必須達到使鋁箔變形的強度[5]；第四，采用紋影成像法實時獲得換能器的全部聲場分布，它是基于超聲波產生的密度梯度使光束發生偏轉，利用紋影法配合高速照相機使液體中的瞬態聲場可視化。但是對于低頻換能器，需要的紋影儀器必須具備高靈敏度，儀器要求較高[6]。此外，還有球靶法和基于光彈性原理的動態光彈數字化成像法，但都分別局限于液體介質和透明介質中[7-8]。

由于運用光學方法對聲場和聲源極少存在干擾，又能利用光波短波長這一特性對聲場參數進行高精度絕對測量而深受人們關注[9-10]。本文立足于超聲換能器聲場的激光可視化研究，搭建了超聲換能器聲場激光可視化平臺，利用激光散斑干涉測振技術對試樣表面質點一段時間內的微小振動位移進行探測，通過區域掃查，得到一定范圍內全部質點在一段時間中的振動情況，以此表征超聲換能器產生的超聲聲場。分別從聲場隨時間變化，聲場隨厚度變化，聲場隨超聲換能器晶片直徑變化等三個方面，對試驗結果進行了分析，最后將實測聲場擴散特征與理論分析的聲場擴散特征進行比較，以驗證該方法的準確性。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

根據超聲聲場理論，超聲換能器近場區的聲壓分布不均勻，聲場軸線上的聲壓出現極大值和極小值的交替變化，其變化過程和相關性質較為復雜，缺少一定的規律性，且在實際檢測過程中一般避免在近場區進行操作，因此全部試驗所使用的試樣的厚度都大于換能器聲場近場區的長度。

試驗采用實際檢測中最為常用的V110和V109兩種型號的超聲換能器，其中心頻率均為5 MHz，晶片直徑分別為0.635 cm和1.27 cm。由兩種超聲換能器的參數可知，V109換能器的晶片直徑大，產生的振動能量高，同時，換能器晶片直徑大，半擴散角減小，聲束指向性好，使得振動能量更為集中，而V110換能器的特點則與之相反。

根據已知的鋁合金試樣中的聲速、換能器的晶片直徑和換能器的頻率得到波源直徑Ds和波長λ，近場區長度的計算公式為

(1)

求出試驗用的V109換能器和V110換能器的近場區長度N分別為32 mm和8 mm。因此，取一個長244 mm、寬80 mm、高90 mm的長方體鋁合金厚板，且沿長度方向為其軋制方向。垂直于軋制方向將厚板分割成厚度為32，50，65.5，96 mm的四個試樣并將其表面磨光，如圖1所示。

1.2 試驗方法

試驗搭建的超聲換能器聲場激光可視化平臺如圖2所示。該試驗平臺由計算機、信號發生器(泛美5800)、超聲換能器、激光接收器和干涉儀搭建組成。

圖1 鋁合金試樣示意圖

圖2 激光可視化平臺結構圖

試驗利用以激光干涉原理為基礎的激光散斑干涉測振技術，對試樣表面質點的微小振動位移進行探測。激光散斑干涉是指被測物體表面的散射光產生的散斑與另一參考光相干涉，當被測試樣的表面發生微小振動時，散斑與參考光之間的光程差發生變化，輸出的干涉條紋也會隨之移動[11-14]。通過對輸出的干涉條紋進行分析處理，就可以得到試樣表面質點的微小振動位移信號[15-18]。試驗中采用的激光散斑接收器的輸出信號電壓與所測表面質點的位移滿足關系式

V=F·s

(2)

式中：V為輸出電壓；s為質點的離面位移；F為光電轉換系數。

試驗中，通過調節激光焦距，使F保持在100 V/μm左右。實驗平臺的具體工作流程如下。

在信號發生器給超聲換能器一個激勵信號的同時，給通道1(CH1)一個同步信號，使計算機開始計時并準備接收由通道0(CH0)傳來的信號，實現信號發生器和干涉儀的同步。當激光照射在試樣背面某一位置時，超聲換能器發射的超聲波穿透試樣，試樣背面激光照射位置產生的表面微小振動位移被激光接收器接收，并通過干涉儀形成電信號，通過CH0傳給計算機，最終形成A掃圖形，以此表征某一點的振動位移隨時間的變化情況，如圖3所示。

圖3 某一點的A掃圖

再通過二維掃查(掃查面積50×50 mm)得到各點的A掃圖。采用全波采集記錄下各點的A掃描波形，將所有被掃查點在某一時刻的振動幅值進行成像，得到某一時刻表面振動位移的C掃圖，如圖4所示。對比不同時刻表面振動位移C掃圖，可以反應聲場的擴散情況。

圖4 某一時刻的C掃圖

2 試驗結果與分析

2.1 超聲換能器聲場隨時間變化的激光可視化

不同時刻下，V110換能器在70 mm厚度試樣背面產生的表面振動位移如圖5所示。

圖5 隨時間變化的超聲換能器聲場C掃圖

由圖5可見，當超聲波剛剛傳遞到試樣表面時，質點振動主要集中在軸線附近，隨時間增加，振動逐漸從軸線向外傳遞，且沿各方向的傳遞速度一致，因此形成的質點振動等高線呈現圓形。這一現象還可說明超聲傳播路徑上材料無明顯各向異性。

另一方面，從圖5還可以看到，各質點先遠離表面，然后發生回彈，產生向著表面內部的位移，此后不再有明顯的遠離表面的位移，這是由于超聲換能器激勵的超聲脈沖寬度窄，脈沖之后的振動得到了有效的阻尼，已被雜波覆蓋。

2.2 超聲換能器聲場隨試樣厚度變化的激光可視化

采用V109換能器，在厚度不同的四個試樣中，分別取中心位置振幅最高時刻的各質點振幅并繪制成三維圖，如圖6所示。

圖6 不同厚度試樣在振動峰值時刻的振動三維圖

從圖6中可以看到，不同試樣的表面振幅的分布均呈現出較為規則的圓錐形，軸線位置振幅最大。理論上，換能器遠場區中心軸線上的聲壓最高，偏離中心軸線聲壓逐漸降低，且同一橫截面上聲壓的分布完全對稱[19-20]。又因為聲場的聲壓和質點振幅成正比關系，因此實驗結果與理論分析一致。

各試樣中振幅峰值與厚度的關系如圖7所示。

圖7 厚度-峰值直角坐標圖

由圖7可見，隨著鋁合金試樣厚度的增加，振幅峰值依次遞減。這是由于位于遠場區聲場的聲壓隨距離的增加而單調減小，實驗結果與理論分析結果一致。

根據聲束擴散理論，試樣厚度Z與聲束直徑D的關系式為

(3)

式中：DS為波源直徑；λ為波長。

各試樣中心位置振幅最高時刻的聲場C掃圖如圖8所示。

圖8 不同厚度試樣在振動峰值時刻的聲場C掃圖

由圖8可測得各試樣中聲束直徑，根據聲場擴散理論計算的各試樣中的理論聲束直徑與實測值對比如表1所示

表1 聲束直徑理論計算值與實測值對比 mm

由表1可見，實測聲束直徑與理論計算的聲束直徑保持基本一致。

2.3 超聲換能器聲場隨換能器晶片直徑變化的激光可視化

在70 mm厚鋁合金試樣上，V109換能器和V110換能器中心位置振幅最高時各質點振幅如圖9所示。

可以看到，不同晶片直徑超聲換能器在同一試樣上產生的振動存在明顯差異。V109換能器產生的質點振動位移約為V110產生的位移的4倍，振動所影響的面積也遠大于后者。這是因為，V109的晶片直徑大，產生的振動能量高，同時，換能器晶片直徑大，半擴散角減小，聲束指向性好，使得振動能量更為集中。

圖9 不同晶片直徑下超聲換能器聲場的最高峰值時刻3D圖

這一結果說明利用該方法可以實現超聲換能器聲場的有效檢測。

3 結論

在遠場區超聲換能器聲場呈軸對稱分布，微小振動位移的最大值位于中心軸線上，聲場的能量主要集中在軸線附近，隨著時間的變化，超聲換能器聲場的微小振動位移逐漸從中心軸線向外傳遞。利用搭建的激光可視化平臺，能夠形象直觀的檢測到超聲換能器聲場隨時間變化這一動態過程。

超聲換能器聲場強度隨傳播距離增加而減小，聲軸線上的微小振動位移量相應地隨試樣厚度增加而減小，利用搭建的激光可視化平臺，能夠直觀的反映出這一變化趨勢。通過聲束直徑的實測值與理論值對比，證實了利用此激光可視化方法對超聲換能器聲場測量的準確性。

超聲換能器晶片直徑越大，超聲換能器聲場軸線上的微小振動位移越大，整個超聲換能器聲場也就越強。利用激光可視化平臺，能夠反映上述規律，驗證了該方法的有效性。

[1] 王淑蓮.超聲檢測技術的發展與應用[C]//99全國機電一體化學術研討會論文集，上海.1999:135-137.

[2] 蒙海英.基于MATLAB的超聲波聲場模擬及可視化研究[D].大連:大連理工大學，2008.

[3] 景妮，楊錄，張艷花.超聲聲場的三維模擬及可視化研究[J].山西電子技術,2012(5):90-91，94.

[4] 朱雨虹，潘強華.基于水聽器的超聲探頭聲場研究方法[C]//第五屆無損檢測高等教育發展論壇學術交流會論文集，重慶.2014:215-220.

[5] 郭璇，楊艷玲，李星，等.基于Matlab的超聲空化場測量與可視化分析[J].中國環境科學，2016，36(3):719-726.

[6] 徐崢，陳皓，錢夢騄，等.線聚焦超聲在液體中的聲場成像與數值模擬[C]//2013年全國功率超聲學術會議論文集.昆山:2013:3-5.

[7] 李雄兵，胡宏偉，倪培君，等.基于圖像處理的超聲探頭聲場測量[J].圖學學報，2011，32(4):27-30.

[8] 張秀奇，李燕山，連紅運，等.超聲脈沖縱波在固體中傳播的可視化研究[J].河南科學，2006，24(6):813-816.

[9] Nagai S.Acoustic power measurement using an optical heterodyne method[J].Ultrasonics,1985,23(2):77-82.

[10] Reibold R.The Measurement of Ultrasonic Power Using an Acousto-Optic Method[J].Acta Acustica United with Acustica,1976,36(3):214-220.

[11] 曹勇，熊偉，沈斌，等.激光干涉原理在振動測量中的應用[J].現代電子技術，2009，32(21):210-212.

[12] 錢夢騄，高文，胡文祥.低頻功率超聲換能器輻射聲場的激光干涉檢測[J].聲學學報，2001，26(2):97-103.

[13] 姚肇康，張立，梁華翰.散斑全息干涉法測量面內位移和應變[J].上海力學，1980(4):52-62.

[14] 何小東.剛體微小橫向位移的激光散斑干涉測量法[J].廣西物理，1997，18(1):33-35.

[15] 吳健，嚴高師.光學原理教程[M].北京:國防工業出版社，2007.

[16] 李小兵.激光散斑法實時測量目標角振動的研究[D].成都:電子科技大學，2004.

[17] 段小艷，任冬梅.激光干涉法微位移測量技術綜述[J].計測技術，2012，32(6):1-5.

[18] 鄭柱.電子散斑相關技術及其在工程檢測中的應用研究[D].廣州:廣東工業大學，2008.

[19] 鄭輝，林樹青.超聲檢測[M].2版.北京:中國勞動社會保障出版社，2008.

[20] 彭應秋，李堅，權義萍，等.超聲檢測中的聲場特性及應用分析[J].無損檢測，2003，25(12):612-615.