基于聲場仿真技術的TRL相控陣探頭設計與驗證

丁松 余小俠 陶鑄

【摘 要】TRL相控陣探頭具有聲束控制靈活、聚焦效果好等優點，廣泛應用于粗晶材料的檢測中。相控陣探頭的選用直接影響了檢測的有效性和可靠性。由于TRL相控陣探頭參數設計復雜？成本較高，需要事先對檢測對象進行分析研究，選用合適的探頭參數進行聲場仿真，以確定最優的檢測探頭，提高檢測工藝的可靠性和降低加工后測試產生的成本。本文介紹了利用聲場仿真技術進行TRL相控陣探頭的設計方法和試驗驗證，經實例表明，聲場仿真技術可作為復雜相控陣檢測技術開發的可靠的輔助手段，提高相控陣檢測工藝的開發效率，為探頭各項參數的選取、檢測方法等提供參考。

【關鍵詞】相控陣探頭;聲場仿真;粗晶材料

中圖分類號： TB553 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）25-0005-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.002

Design And Verification Of TRL Phased Array Probe Based On Sound Field Simulation Technology

DING Song YU Xiao-xia TAO Zhu

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation Ltd， Wuhan Hubei 430223， China）

【Abstract】TRL phased array probe has the advantages of flexible acoustic beam control and good focusing effect， which is widely used in the detection of coarse crystal materials. The selection of phased array probe directly affects the validity and reliability of detection. Due to the complex design and high cost of TRL phased array probe parameters， it is necessary to analyze and study the detection object in advance. Sound field simulation is conducted with appropriate probe parameters to determine the optimal detection probe， improve the reliability of detection process and reduce the cost of post-processing testing. This paper introduces the use of sound field simulation technology for TRL phased array probe design methods and experimental verification， the examples show that the acoustic field simulation technology can be used as a complex phased array inspection technology to develop a reliable auxiliary means， improve the development efficiency of phased array inspection technology， to probe the selection of parameters， such as detection method to provide the reference.

【Key words】Phased array probe; Sound field simulation; Coarse crystalline material

0 前言

奧氏體不銹鋼的晶粒粗大，各向異性，高衰減使常規超聲檢測存在信噪比底、草狀回波多等，影響檢測效果，超聲相控陣檢測技術是一種先進的超聲檢查技術，相比常規超聲檢測，相控陣技術具有聚焦能力強、聲束可調等優點，可以通過設定不同的深度聚焦法則，實現對奧氏體不銹鋼不同厚度的有效檢測[1]。如針對奧氏體不銹鋼環焊縫的超聲相控陣檢測技術應用進行了研究[2];針對核電站主管道奧氏體不銹鋼焊縫，制定了相控陣超聲檢測方法，實現了相控陣在核電站主管道焊縫中的應用[3]等。以上檢驗技術中TRL相控陣探頭設計是檢測技術開發中的重要組成部分。在TRL相控陣探頭的設計中，聲場分析是檢驗其檢測能力的有效途徑。通過聲場仿真技術可以判斷探頭的有效檢測深度以及參數的合理性，提高探頭設計的成功率。聲場分析軟件具有探頭參數設計、楔塊參數設計、聚焦法則計算以及聲場仿真等功能，具有界面友好，操作方便等優點[4]。本文利用聲場仿真技術對TRL相控陣探頭進行仿真模擬，并經試驗驗證，其理論聲場特征和實測結果吻合較好，表明該軟件可作為奧氏體不銹鋼焊縫相控陣檢測工藝設計優化的工具，具有廣泛地應用價值。

1 TRL相控陣探頭結構特點

TRL相控陣探頭根據晶片設置模塊不同分為線陣探頭和面陣探頭。線陣探頭只能在一個方向上對聲束進行控制并獲得聚焦效果，且需要楔塊帶有roof角來加強聚焦效果;面陣探頭為二維矩陣，可在兩個方向上進行聲束控制，實現三維空間內的偏轉和聚焦[5]。如圖1所示。