國內(nèi)外超聲相控陣探頭測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較與分析

潘強(qiáng)華，孔祥夷2，侯金剛，朱雨虹，嚴(yán)志海

(1.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029；2 河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，鄭州 450000)

超聲相控陣探頭是超聲探頭晶片的組合，由多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列。激發(fā)時(shí)，其按照預(yù)先設(shè)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)整體波陣面，來有效地控制發(fā)射超聲束(波陣面)的形狀和方對(duì)面，從而實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。在確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向方面，能提供出比單個(gè)或多個(gè)探頭系統(tǒng)更大的能力。因此相控陣探頭的性能對(duì)整個(gè)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。

筆者主要針對(duì)國內(nèi)外超聲相控陣探頭性能測(cè)試與評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，從超聲相控陣探頭的適用范圍、測(cè)試條件、測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試方法和驗(yàn)收要求等幾個(gè)方面進(jìn)行了比較分析，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的一些規(guī)定進(jìn)行了分析。通過分析，幫助使用者了解有關(guān)超聲相控陣探頭性能方面的測(cè)試方法及差異，并可以有效地選擇超聲相控陣探頭。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國際上具有一定影響力的標(biāo)準(zhǔn)體系主要有： ASTM(美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)、ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)國際標(biāo)準(zhǔn)和EN(歐洲標(biāo)準(zhǔn))等。關(guān)于超聲相控陣探頭的性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，ISO國際標(biāo)準(zhǔn)與EN標(biāo)準(zhǔn)相差不大。國內(nèi)大部分標(biāo)準(zhǔn)是參照這些國際標(biāo)準(zhǔn)制定的，關(guān)于超聲相控陣探頭性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如下所述。

(1) EN 16392-2-2014Non-destructiveTestingCharacterisationandVerificationofUltrasonicPhasedArrayEquipmentPart2Probes。

(2) ASTM E2904-2017StandardPracticeforCharacterizationandVerificationofPhasedArrayProbes。

(3) ASTM E2491-2013StandardGuideforEvaluatingPerformanceCharacteristicsofPhased-ArrayUltrasonicTestingInstrumentsandSystems。

(4) JB/T 11731-2013 無損檢測(cè) 超聲相控陣探頭通用技術(shù)條件。

(5) GB/T 29302-2012 相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能與檢驗(yàn)(修改采用ASTM E2491)。

2 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、測(cè)試條件、測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試方法和驗(yàn)收要求的比較

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

第一部分介紹了國內(nèi)外超聲相控陣探頭的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中EN 16392-2-2014、ASTM E2904-2017和JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)為探頭的性能標(biāo)準(zhǔn)。ASTM E2491-2013和GB/T 29302-2012標(biāo)準(zhǔn)為相控陣儀器和探頭組合性能要求的標(biāo)準(zhǔn)。文章主要介紹EN 16392-2-2014、ASTM E2904-2017和JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)，該3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定適用的范圍見表1。

表1 各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

2.2 測(cè)試條件

ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014以及JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)都嚴(yán)格規(guī)定了所采用的電子設(shè)備及測(cè)試試塊，其中電子設(shè)備包括：數(shù)字式示波器、信號(hào)發(fā)生器、高壓脈沖發(fā)生器、阻抗分析儀、頻譜分析儀和接收器等。各標(biāo)準(zhǔn)所采用的電子設(shè)備相差不大。各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中都嚴(yán)格規(guī)定了測(cè)試條件，但測(cè)試步驟不夠詳細(xì)。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試儀器的具體要求見表2。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試儀器的具體要求

2.3 測(cè)試項(xiàng)目

相控陣探頭性能指標(biāo)要求大致分為兩部分。第一部分：探頭基本物理性能，主要包括探頭型號(hào)、探頭尺寸、探頭電纜線長度、探頭陣元數(shù)量等基本物理信息。第二部分：探頭特性性能參數(shù)，主要包括探頭的電阻抗或靜電容、脈沖波形、脈沖持續(xù)時(shí)間、探頭靈敏度、串?dāng)_、陣元焦距和聚焦長度，陣元一致性等相關(guān)性能參數(shù)。

ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于探頭的基本物理性能，測(cè)試項(xiàng)目要求基本相同。其中EN 16392-2-2014和ASTM E2904-2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探頭線直徑和材料有相應(yīng)要求，而JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探頭線直徑和材料沒有要求。

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)探頭特性性能參數(shù)的測(cè)試項(xiàng)目基本相同。標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11731-2013除了含有ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014測(cè)試項(xiàng)目要求外，還包括以下測(cè)試項(xiàng)目：焦距、防滲漏性、環(huán)境適應(yīng)性、性能一致性以及楔塊波束角等。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試項(xiàng)目的要求見表3。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試項(xiàng)目的具體要求

2.4 測(cè)試方法的比較

ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)中涉及的測(cè)試項(xiàng)目主要為兩類。第一類為基本物理性能，該部分的測(cè)試項(xiàng)目為基本的規(guī)格尺寸，其測(cè)試方法未進(jìn)行敘述。第二類為探頭特性，關(guān)于探頭特性各測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試方法，筆者經(jīng)過對(duì)比分析，將其分為兩部分:第一部分為探頭特性——共性參數(shù)(指ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)中相同的測(cè)試項(xiàng)目)，主要包括脈沖波形、脈沖持續(xù)時(shí)間、中心頻率和相對(duì)帶寬、探頭靈敏度、陣元靈敏度一致性和串?dāng)_；第二部分為探頭特性——非共性參數(shù)(指JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)中不同于其他兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試項(xiàng)目)，主要包括背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、性能一致性、防滲漏性和楔塊波束角。

2.4.1 探頭特性——共性參數(shù)

探頭特性——共性參數(shù)主要包括脈沖波形、脈沖持續(xù)時(shí)間、中心頻率和相對(duì)帶寬、探頭靈敏度、陣元靈敏度一致性和串?dāng)_。下面簡要介紹各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)試方法。

(1) 脈沖持續(xù)時(shí)間、中心頻率和相對(duì)帶寬

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014標(biāo)準(zhǔn)僅給定了簡要的測(cè)試條件和測(cè)試方法，并沒有詳細(xì)的測(cè)試步驟說明。而JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)中較詳細(xì)地介紹了測(cè)試條件及測(cè)試方法。主要測(cè)試方法如下：采用外部的高壓信號(hào)發(fā)生器(指函數(shù)發(fā)生器)，將探頭置于參考試塊上，另一端連接高壓信號(hào)發(fā)生器。使用數(shù)字示波器觀察探頭回波信號(hào)(將數(shù)字示波器與高壓信號(hào)發(fā)生器同步)，高壓信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)電壓，并接收探頭的回波信號(hào)。數(shù)字示波器讀取高壓信號(hào)發(fā)生器的回波信號(hào)，然后采用數(shù)字示波器進(jìn)行分析或連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行頻譜分析，儀器連接示意見圖1(a),各測(cè)試裝置示意如圖1(b)(e)所示。

圖1 超聲脈沖反射法檢測(cè)的測(cè)試裝置示意

針對(duì)不同探頭類型，選用合適的測(cè)試方法。測(cè)試時(shí)，應(yīng)記錄高壓信號(hào)發(fā)生器的設(shè)置參數(shù)，測(cè)量發(fā)射脈沖的峰-峰振幅。所有的陣元都測(cè)試，脈沖持續(xù)時(shí)間示意見圖2(h為峰-峰振幅;L為脈沖持續(xù)時(shí)間)。

圖2 脈沖持續(xù)時(shí)間示意

采用頻譜分析儀或離散型傅里葉變換，以閘門監(jiān)控反射體回波并確定頻譜。來自探頭楔塊、殼體、阻尼塊等的虛假回波不要與來自參考試塊的回波一起分析。閘門內(nèi)應(yīng)至少包括兩倍的脈沖持續(xù)時(shí)間,并使脈沖最大值居中。測(cè)量回波振幅下降6 dB的高低端頻率(高端頻率為fu，低端頻率為f1)，根據(jù)高低端頻率計(jì)算中心頻率fc和相對(duì)帶寬Δfrel。

fc=(fu+f1)/2

(1)

(2)

(2) 探頭靈敏度和陣元靈敏度一致性

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014標(biāo)準(zhǔn)分別給出了探頭靈敏度和陣元靈敏度一致性的測(cè)試條件和測(cè)試方法，且測(cè)試方法相差不大。而JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)僅介紹脈沖回波靈敏度的測(cè)試條件及測(cè)試方法。

① EN 16392-2-2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于陣元靈敏度一致性和探頭靈敏度測(cè)試方法如下所述。

采用如圖1所示的測(cè)試設(shè)備及方法，陣元靈敏度一致性Sel按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：Uel為來自規(guī)定反射體回波放大前的峰-峰電壓(單個(gè)陣元)；Uav為所測(cè)所有陣元Uel的平均值。

(4)

式中：Uav為所測(cè)所有陣元Uel的平均值；Uref為施加到單個(gè)陣元上的峰-峰電壓。

② JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于脈沖回波靈敏度測(cè)試方法如下所述。

脈沖靈敏度Srel按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：Uc為來自規(guī)定反射體回波放大前的峰-峰值電壓，最好是平面反射體；Ua為施加到探頭上的峰-峰值電壓。

圖3 串?dāng)_測(cè)試示意

(3) 串?dāng)_

按照如圖3所示裝置進(jìn)行測(cè)試，高壓信號(hào)發(fā)生器輸出頻率設(shè)置為探頭的中心頻率，采用連續(xù)正弦波工作模式，高壓信號(hào)發(fā)生器輸出端接探頭的某一陣元，用示波器測(cè)量此陣元帶載荷條件下的激勵(lì)信號(hào)幅度，此值標(biāo)為A1，再用示波器另一通道測(cè)量與之相鄰的陣元所接收到的信號(hào)幅度，此值標(biāo)為A2，串?dāng)_值為20lg(A2/A1)。

檢查頭尾2對(duì)陣元，中間均勻間隔取2對(duì)陣元。

2.4.2 探頭特性——非共性參數(shù)

探頭特性——非共性參數(shù)主要包括：背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、性能一致性、防滲漏性能和楔塊波束角。JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該5項(xiàng)性能指標(biāo)做了詳細(xì)敘述，下面簡要介紹各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)試方法。

(1) 背襯回波量

測(cè)量背襯材料聲速與厚度后，利用靈敏度余量超過100 dB的相控陣超聲檢測(cè)儀或A型脈沖反射式超聲檢測(cè)儀，將換能器調(diào)至焦點(diǎn)處，調(diào)節(jié)增益，將第一次回波幅度調(diào)至屏幕滿屏高度的50%，記錄此時(shí)的增益B1，加大增益至背面反射回波幅度達(dá)屏幕高度的50%，記錄此時(shí)的增益值B2。背面回波量B按式(6)進(jìn)行計(jì)算。

B=B1-B2

(6)

(2) 陣元焦距和聚焦長度

采用圖1所示的液浸回波模式測(cè)量。利用一個(gè)可視作點(diǎn)聲源的小反射體或小型水聲接收器(靶)，在水中通過探頭與靶之間的相對(duì)移動(dòng)來記錄探頭掃描波束的參數(shù)。如果將靶作為反射體，則使用的是回波模式，探頭的發(fā)射與接收特性都可以得到驗(yàn)證。如果靶是水聲接收器，使用的是發(fā)射模式，則只能驗(yàn)證探頭的發(fā)射特性。

圖4 液浸法測(cè)試焦距原理示意

對(duì)于一個(gè)具體的探頭，所有波束參數(shù)的測(cè)量應(yīng)使用相同的發(fā)射體或水聲接收器。超聲儀器或脈沖接收器的設(shè)置(包括激勵(lì)脈沖電壓、脈沖寬度、阻尼、帶寬和增益)應(yīng)與探頭數(shù)據(jù)表的定義相同。

將換能器固定于液浸槽中，調(diào)整x、y軸，通過調(diào)整角度把換能器調(diào)至回波靈敏度最大的位置，再調(diào)整z軸，把換能器移動(dòng)至回波的最大值位置。液浸法測(cè)試焦距原理示意如圖4所示，記錄回波與始波時(shí)間間隔t，焦距按式(7)進(jìn)行計(jì)算。

FD=vt/2

(7)

式中：v為超聲波在水中的傳播速度。

通過增加和減少探頭與反射體之間的距離找到聚焦區(qū)兩端的極限。如果使用的是反射體，應(yīng)找到回波峰-峰值減少6 dB的兩個(gè)位置；如果使用的是水聲接收器，則減少3 dB，液浸探頭聲場(chǎng)的周向輪廓與橫向輪廓如圖5，6所示。其中，zL1和zL2是這些點(diǎn)在z軸上的坐標(biāo)。聚焦區(qū)的長度FL按式(8)進(jìn)行計(jì)算。

FL=|zL2-zL1|

(8)

圖5 液浸探頭聲場(chǎng)的周向輪廓

圖6 液浸探頭聲場(chǎng)的橫向輪廓

(3) 性能一致性

根據(jù)陣元靈敏度、中心頻率和相對(duì)帶寬的測(cè)試值，靈敏度一致性的計(jì)算方法為

(9)

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)差；n為陣元數(shù)；為算術(shù)平均數(shù)；xi為1至n陣元性能測(cè)試值。

(10)

式中：C×V為變異系數(shù)。

(4) 防滲漏性能

對(duì)于非液浸探頭，把探頭浸于深1 m的水下，12 h后取出探頭，將探頭表面擦拭干凈。再把探頭放入真空缸中，抽真空至-1 kPa以下，持續(xù)5 min，用5～20倍放大鏡檢查探頭表面是否滲漏。

對(duì)于液浸探頭，把探頭浸于深1 m的水下，48 h后取出探頭，把探頭表面擦拭干凈，再把探頭放入真空缸內(nèi)，抽真空至-1 kPa以下，持續(xù)5 min，用5～20倍放大鏡檢查探頭表面是否有滲漏。

(5) 楔塊波束角

楔塊波束角測(cè)量原理示意如圖7所示，利用1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)試塊測(cè)量，首先前后平移探頭，找到R100圓弧反射回波的最大位置，此位置即為探頭入射點(diǎn)位置；再平行移動(dòng)探頭，找出圓孔回波最大位置，對(duì)應(yīng)角度刻度即楔塊的波束角。

2.5 驗(yàn)收要求的比較

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014標(biāo)準(zhǔn)探頭特性參數(shù)基本相同，主要包括：脈沖持續(xù)時(shí)間、中心頻率和相對(duì)帶寬、探頭靈敏度、陣元靈敏度一致性和串?dāng)_。其中EN16392-2-2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該5項(xiàng)指標(biāo)都具有明確的驗(yàn)收要求，ASTM E2904-2013標(biāo)準(zhǔn)中該5項(xiàng)指標(biāo)大部分都是根據(jù)用戶協(xié)商確定的。

JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)除了對(duì)以上5項(xiàng)指標(biāo)有明確要求外，還對(duì)探頭的電阻抗或靜電容、背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、防滲漏性能、性能一致性以及楔塊波束角等都有驗(yàn)收要求。各標(biāo)準(zhǔn)探頭特性性能指標(biāo)驗(yàn)收要求見表4。

圖7 楔塊波束角測(cè)量原理示意

表4 各標(biāo)準(zhǔn)探頭特性性能指標(biāo)驗(yàn)收要求

3 結(jié)語

(1) 在標(biāo)準(zhǔn)適用范圍方面：ASTM E2904-2017標(biāo)準(zhǔn)和 EN 16392-2-2014標(biāo)準(zhǔn)適用于中心頻率范圍在0.5 MHz～10 MHz的線陣超聲相控陣探頭，檢測(cè)過程中可采用楔塊、不采用楔塊或水浸方式。而標(biāo)準(zhǔn)JB/T 11731-2013適用于中心頻率范圍在0.5 MHz～10 MHz、陣元數(shù)為4～256的超聲相控陣探頭的型式檢驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)。

(2) 在采用電子設(shè)備及試塊方面：ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)都嚴(yán)格規(guī)定了所采用的電子設(shè)備及測(cè)試試塊，電子設(shè)備幾乎相同(主要包括：數(shù)字式示波器、信號(hào)發(fā)生器以及頻譜分析儀等)，而試塊不盡相同。

(3) 在測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法方面：大致分為兩類，第一類為探頭基本物理性能，以上3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試方法幾乎相同。第二類為探頭特性性能參數(shù)，筆者經(jīng)過對(duì)比分析，JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)中具有不同于其他兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試項(xiàng)目，主要包括：背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、性能一致性、防滲漏性和楔塊波束角等。

(4) 在標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收要求方面：EN16392-2-2014標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)脈沖持續(xù)時(shí)間、中心頻率和相對(duì)帶寬、探頭靈敏度、陣元靈敏度一致性、串?dāng)_等都具有明確的驗(yàn)收要求；ASTM E2904-2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該6項(xiàng)指標(biāo)驗(yàn)收要求主要根據(jù)用戶協(xié)商確定；而JB/T 11731-2013標(biāo)準(zhǔn)除了對(duì)以上6項(xiàng)指標(biāo)有明確要求外，還對(duì)探頭的電阻抗或靜電容、脈沖持續(xù)時(shí)間、背襯回波量、陣元焦距和聚焦長度、防滲漏性、性能一致性以及楔塊波束角等都有驗(yàn)收要求。