超聲C掃描用噴水系統設計及其檢測穩定性?

周慶祥 李經明 李建奎 蔡桂喜 張雙楠

(1 中車青島四方機車車輛股份有限公司 青島 266111)

(2 中國科學院金屬研究所 沈陽 110016)

0 引言

在高速列車等先進制造領域，高性能金屬材料與具有優異性能的復合材料獲得了廣泛應用[1]。在這些先進材料的生產制備和加工成型過程中，難以完全避免產生裂紋及內部界面分離等缺陷。這些缺陷的存在會導致材料的使用性能顯著下降，而無損檢測技術是保障新材料及構件安全服役的重要措施。

噴水式超聲檢測是某些大型的金屬構件和復合材料制件無損檢測的常用方法，甚至是唯一可行方法。相比于水浸式超聲檢測，噴水式超聲檢測具有以下優勢：(1)不需要龐大的耦合水槽；(2)可以用于檢測某些不適合長時間浸泡在水中的材料構件[2]。波音、空客等飛機制造商已普遍采用大型噴水超聲C 掃描技術對大型復合材料構件進行快速自動檢測；ICI Fiberite公司采用九軸C掃描對蜂窩泡沫夾心等復雜結構的復合材料構件進行無損檢測。麥道公司專為曲面構件設計的第五代自動超聲掃描系統可在9 個軸向運動，并能同時保證探頭與工件表面垂直[3?4]。中國哈飛集團也采購了英國超聲波科學有限公司(USL)生產的超聲波C 掃噴水復合材料檢測系統用于復合材料層壓板和蜂窩夾心材料的檢測[5]。

噴水耦合式超聲C 掃檢測技術近年來發展迅速，國內相關學者已開展過相關研究。如王柄方等[6]研究了檢測工藝參數對噴水C 掃檢測結果的影響；周正干等[7]對檢測系統的組成進行相關研究，并自主研制了檢測設備。與水浸超聲檢測技術相比，噴水耦合超聲的缺點是聲耦合穩定性不高，因此，研究噴水耦合超聲檢測的聲耦合穩定性的影響因素是該技術得以應用的關鍵。噴水式超聲的聲耦合穩定性與耦合水柱“質量”直接相關，耦合水的流動狀態、氣泡、流速等因素都影響水柱“質量”。這些因素與噴水系統的設計相關，例如超聲探頭耦合噴頭的結構設計仍掌握在少數國外設備制造商手中，受國外專利保護[8]。復合材料由于衰減較大，常采用低頻(1 MHz)探頭，其直徑相對較大，影響檢測分辨率，并需加長噴嘴長度才能形成層流，因此需要根據應用需求進行探頭結構設計。國內關于噴水系統的設計依據和技術相關性的研究較少。本文計劃基于噴水式超聲耦合檢測原理，開展噴水探頭結構及耦合水循環系統設計研究工作，并結合試驗分析檢測工藝對檢測性能的影響。

1 噴水式耦合超聲C掃噴水系統設計

1.1 噴水式耦合超聲檢測原理

噴水式耦合超聲檢測是將探頭安裝在特殊設計的水套內，如圖1所示。具有一定壓力的耦合水在水套的腔體內匯集，然后經噴嘴噴出形成射流水柱。探頭激發的超聲波先后經過水套腔體、噴嘴流道、射水柱最后到達工件表面，再通過水-工件界面進入工件內部，實現聲耦合過程。

圖1 噴水式超聲耦合檢測示意圖Fig.1 The detection method of ultrasonic squirter transmission

噴水式耦合超聲檢測的檢測方法分為反射法和穿透法。反射法是只有一個噴頭和一個探頭，既發射超聲波又接收超聲波。根據脈沖反射回波來判斷是否存在缺陷，根據回波幅度對缺陷進行定量，根據回波時序對缺陷進行定位。穿透法是兩個噴頭和兩只探頭分別置于工件相對的兩側，一個發射超聲波，另一個接收超聲波，根據脈沖波穿透工件之后的能量變化來判斷有無缺陷，根據超聲波穿透工件后能量變化情況來判斷工件的內部質量；當工件內無缺陷時，超聲波穿透工件后被接收探頭所接收；當工件內部有缺陷存在時，聲波被缺陷部分或完全遮擋，這樣就可以根據接收探頭接收到的超聲波能量的衰減程度來判定缺陷嚴重程度。對于厚度尺寸較大和衰減系數較強的材料，常采用噴水穿透法進行檢測。

1.2 噴水系統組成

噴水式耦合超聲檢測設備需要一套提供穩壓、穩流的耦合水柱的水循環系統。本文設計的噴水系統主要由儲水槽、過濾器、增壓泵、穩壓罐、泄壓閥、壓力表、流量計、節流閥、分流器、流速計、噴頭、水管等組成，如圖2所示。系統包括兩個獨立的噴頭，當兩個噴頭同時工作時，可用于穿透法檢測；任意一個噴頭單獨工作時，可用于反射法檢測。系統的流量調節范圍為0～13 L/min，流量調節精度為0.1 L/min，系統的水壓調節最大值為0.5 MPa。為保證進入噴頭中的水是穩壓的、穩流的、無氣泡的耦合水，該系統設計有穩壓罐、水氣分離裝置等。

圖2 噴水耦合系統設計Fig.2 Design of the coupling system with jetted water stream

1.3 噴頭結構與參數設計

噴水式耦合屬于一種“動”水耦合，與水浸式的靜水耦合相比，超聲波聲場分布會受到腔體結構和出水水柱形狀兩部分空間內耦合環境的影響。受流體特性的影響，耦合水的層流狀態有利于超聲傳播的穩定性，而耦合水的湍流狀態會導致超聲噪聲信號增加。噴水式耦合法相比于水浸式耦合法，超聲波的傳播是在受約束的空間內傳播，噴頭內部的水-腔體、射流水柱中水-空氣等諸多界面都會造成超聲波的反射和折射和超聲波在傳播過程中的能量衰減。因此，噴頭的結構設計會影響超聲檢測的性能，是檢測系統設計的關鍵。噴頭中通過水套腔體安裝超聲探頭，并應能根據需要更換不同口徑的噴嘴。

根據復合材料檢測的工藝要求，本文使用的探頭晶片直徑為?19 mm，頻率為1 MHz，探頭外殼直徑為?25.4 mm。下面以6 mm口徑的噴嘴為例進行噴頭設計。

(1)水套腔體

噴頭的水套腔體通常包括3部分，即進水腔、配水盤(也叫導流盤)、耦合腔，如圖3所示。當具有一定壓力的耦合水從狹窄的進水管路流入相對“寬敞”的進水腔后，流速會減慢，同時流動方向發生紊亂。為此設計一個配水盤將紊亂的水流適當地進行導流進入耦合腔，并將配水盤設計成多孔反沖結構，這種結構一方面使水流的流動狀態變得穩定，盡量形成層流狀態；另一方面，它將水流導向沖向超聲探頭，可沖消可能吸附在探頭上的微氣泡，這是噴水超聲耦合穩定性的必要保證。本文根據探頭的直徑而設計的進水腔的直徑為?28 mm-?30 mm 的階梯形如圖3所示。

(2)噴嘴設計

噴嘴通常設計成錐形收縮型結構[9?10]，噴嘴的入口參數、出口參數以及長徑比等參數都會影響噴嘴出口射流的質量。但噴嘴內部流道型線對射流流場的影響也不可忽視。在錐型噴嘴中，當流體斷面減小時，流體質點受流動方向一致的正壓差作用而加速流動，由于慣性作用，在邊壁轉折突變處后方與邊壁分離，形成漩渦區[11]。由于漩渦區是紊流狀態，所以會嚴重影響超聲波的傳播。當流道型線為維多辛斯基曲線時，在入口截面產生的橫向壓力梯度和徑向分速度逐漸減小，并在出口之前趨于零，從而獲得均勻的出流速度場[12]，因此可獲得優質出射射流束，對超聲波傳播影響小。但是，維多辛斯基曲線噴嘴不易加工，所以本文設計的噴嘴的前段腔體呈“喇叭”狀，近似于維多辛斯基曲線，并在其后設計一直筒管段用于對可能出現的發散水流進行準直。通常錐形收縮型噴嘴的直筒段的長徑比一般設計為3～7[13]，本文由于采用了“喇叭”段代替錐形段，因此將直筒段的直徑和長度之比設計為3，這樣既使耦合水在噴出后在一定距離下形成穩定的射流水柱，又可適當減小噴嘴的長度。考慮以上影響因素并結合實際設計經驗，本文設計的噴嘴結構如圖3所示。噴嘴喇叭形弧段半徑R為30 mm，噴嘴流道直徑?6 mm。

(3)進水管路設計

由于噴嘴與超聲探頭的軸線必須同軸，噴頭中的進水口只能設計在平行于探頭的旁側，或垂直于進水腔。為減小噴頭所占用的空間和方便夾持，采用如圖3所示的平行式進水管路設計。進水管路的數量也會影響進入水套腔體的耦合水的流量和分布狀態。理論上，進水管路越多，流入進水腔的耦合水流量越大，流場分布越均勻。但由于前述的配水盤具有導流功能，并且其均勻的“多孔反沖”結構與喇叭形流道相結合，可對側邊進水口所帶來的渦旋流場進行較好的約束，因此，本文設計的進水管路數量為1通道。

圖3 噴頭結構設計示意圖(單位：mm)Fig.3 Design of the nozzle(Unit:mm)

2 噴水耦合穩定性研究與試驗

為了探究噴頭的結構設計及檢測工藝參數對檢測性能的影響，本文采用理論分析和試驗相結合的方法，利用幾何聲學原理分析噴水超聲檢測射水柱的耦合性能，然后結合檢測試驗進行討論。試驗采用的檢測方法為超聲噴水穿透法。超聲波穿透工件后聲能的衰減量是表征缺陷嚴重程度的參量，因此，除由缺陷引起超聲衰減外，凡是能導致超聲波衰減的其他因素都是影響檢測性能的參量。下面將分析噴頭結構、耦合水流量、射水距離及檢測方式對檢測性能影響的規律。

試驗采用的試塊是某復合材料層壓板試塊。試塊長度為100 mm，寬度為70 mm，厚度為10 mm。試塊中預埋了6 處人工缺陷，分別為?3 mm、?4 mm、?5 mm的圓形缺陷，和4 mm×6 mm、7 mm×8 mm、8 mm×8 mm 的矩形缺陷，分布在試板的上層、中層和下層，如圖4所示。

圖4 復合材料層壓板試塊示意圖(單位：mm)Fig.4 The composite sample reinforced by carbon fiber(Unit:mm)

2.1 噴頭結構對超聲波傳播的影響

探頭的結構設計既要考慮結構對流場的影響，也要考慮結構對聲場的影響。從探頭發出的超聲波會在噴頭中形成具有一定形狀的聲場。探頭中心部分與直筒口徑相等的聲束L0沿聲束軸線向前傳播，不受噴嘴結構的影響，經過射流水柱進入工件中進行檢測。而聲束中部分擴散的聲束L1會在噴嘴弧面處產生反射波L1L2，對檢測無貢獻，屬于噴頭結構對聲束聲能造成固定量的衰減。聲束中還有部分擴散聲束L2，會在噴嘴弧面處產生反射波L2L2，并在流道內不斷產生反射波L2L2L3，以及L2L2L3L4等等后續的反射波，如圖5所示，這部分聲束在較長的傳播路徑上會不斷衰減，并且，耦合水從噴嘴噴出后形成射水柱，射水柱與空氣形成“界面”，當流速過快時，會使射水柱表面產生不規則曲面，如反射波L2L2L3L4L5L6的界面，也會增加超聲傳播的衰減，這部分聲束對檢測幾乎也沒有貢獻。因此，噴頭的結構對超聲束會造成一定量的固定衰減。

圖5 噴水耦合超聲衰減因素分析模型Fig.5 Analysis of the causes of ultrasonic attenuation

如前所述，在探頭與喇叭口之間的耦合腔會存在不均勻的紊流場，紊流場就會造成超聲衰減，而且紊流越激烈，對超聲衰減的波動的影響就越大。

2.2 射水距離對檢測性能的影響

試驗研究采用控制變量法，即：研究某一參量的影響時，其他變量固定不變，在一定范圍內對該參量進行調整。由于噴水耦合超聲在對異形的構件或空間受限的結構區域進行檢測時，需要較長的射水距離，因此，結合實際檢測工況，需要調整噴水耦合系統的射水距離。試驗是對試塊中各分層缺陷進行穿透法檢測，設定掃查區域為100 mm×50 mm，間距為0.5 mm×0.5 mm，水循環系統水壓為0.36 MPa，流速為1.47 m/s，以上參量保持不變，改變噴嘴末端至復合材料板的距離(射水距離L)分別為2 mm、6 mm、10 mm、15 mm。根據圖3，換算成探頭距工件表面的距離分別為76 mm、80 mm、84 mm、89 mm。試驗結果采用超聲C掃顯示，不同距離下的部分檢測結果圖像如圖6所示。由于檢測系統中探頭聲束直徑和掃查步進精度會影響成像的分辨率，所以缺陷的檢測圖像輪廓較模糊。由于橫向分辨率和縱向分辨力與換能器的性能有關，一般是不相等，所以對于圓形缺陷而言，測量顯示圖像是不規則圓形，本試驗取圖像的x方向和y方向值平均值作為直徑測量值；對于矩形缺陷而言，分別取x方向和y方向兩個測量值。同時，在每個射水距離工況下，重復測量10次，再將測量值取平均值，同時計算平均值與真實值的偏差值?，列入表1中。

表1 不同射水距離下的各人工缺陷的直徑測量結果Table 1 The measurement results of the defect diameters with different water distance

圖6 各人工缺陷檢測結果部分圖像Fig.6 Parts of the C-scan result of the artificial defects

通過表1結果分析，隨著噴嘴端至復合材料板距離的增加，測量值與真實值的偏差也逐漸變大。原因主要包括以下幾個方面：首先，隨著距離的增加，超聲波在水中的傳播距離增大，聲束發生擴散；其次，本實驗系統采用的掃描步進為0.5 mm×0.5 mm，導致結果成像的像素較粗略；第三，由圖6的圖像質量可知，隨著噴嘴端至復合材料板距離的增加，超聲C 掃圖中的背景噪聲信號也逐漸增加，不利于識別缺陷的邊界；最后，從表1的結果還可以看出，在相同水層距離條件下，測量較小尺寸的缺陷時偏差較大，這是由于本實驗系統的噴嘴直徑為?6 mm，產生的聲束約等于噴嘴直徑，聲束較粗。本文為了分析本檢測系統中射水距離L對測量絕對偏差平均值的影響，對二者采用最小二乘法擬合進行一元線性回歸處理，發現射水距離與絕對偏差平均值約滿足條件：?= 0.3132+0.0923L，式中?為絕對偏差平均值，L為射水距離。

因此，在實際檢測中可采取如下措施提高檢測精度：(1)在確實需要長射流檢測時，應增加水壓(流速)以得到足夠長的射流水柱；否則，若噴嘴不受被檢構件的空間限制，在確保噴嘴不與工件表面接觸的情況下，宜適當減小水層距離，減少聲束擴散，以減少因水層距離對檢測精度的影響。(2)在實際檢測時，在選定探頭、噴嘴孔徑、射水距離等檢測條件下，需利用人工缺陷對比試塊實測絕對偏差值，以便對測量結果進行或加或減的修正。(3)為了提高檢測精度，在保證超聲波能量滿足檢測需求的前提下，應減小噴嘴直徑(即減小聲束直徑)或采用聚焦探頭。(4)減小掃查步進值，以提高采樣密度，增加結果圖像的像素值，提高成像的分辨率。

2.3 流速對檢測性能的影響

試驗對試塊中?4 mm 分層缺陷進行水平式穿透法檢測，掃查區域為20 mm×20 mm，間距為0.5 mm×0.5 mm，射水距離為10 mm，水循環系統水壓為0.36 MPa，以上參量保持不變。使耦合水在噴嘴出口處的流速在0.5～4 m/s之間調節，試驗結果采用超聲A掃顯示，波形如圖7所示。

圖7 流速為2.5 m/s 條件下的超聲A 掃波形Fig.7 A-scan signals with the current velocity of 2.5 m/s

在不同流速下，分別記錄無缺陷處和有缺陷處所接收的透射波信號的幅值50次，然后得到不同流速下，對應無缺陷處和有缺陷處所接收到的透射波信號的最大值、最小值，繪制在圖8中，得到在噴水狀態下信號的波動范圍；同時，作為耦合穩定性對比試驗，將噴頭組件全部置入水槽中，使探頭在全部水浸的狀態下，再記錄無缺陷處和有缺陷處所接收的透射波信號的幅值50次，也求得噴頭在全部水浸狀態下，對應無缺陷處和有缺陷處所接收到的透射波信號的最大值、最小值，也繪制在圖8中，得到在水浸靜水狀態下信號的波動范圍。上述不同流速下的噴水與水浸檢測狀態下的無缺陷處和有缺陷處所接收到的透射波信號的波動范圍圖，可以用于表征不同流速對信號穩定性的影響，如圖8所示。再將上述最大值和最小值做差，得到不同流速下無缺陷處和有缺陷處所接收到的透射波信號的波動曲線，如圖9所示。

圖8 噴水狀態和水浸狀態下不同流速時透射波信號波動范圍Fig.8 The range of the transmissive waves with water-immersion ultrasonic or squirter ultrasonic on the condition of different velocity

圖9 噴水狀態和水浸狀態下不同流速時透射波信號波動曲線Fig.9 The curve of the transmissive waves with water-immersion ultrasonic or squirter ultrasonic on the condition of different velocity

由圖8和圖9曲線可知，在水平式穿透法檢測時，水柱受重力影響，當流速低于0.5 m/s 時，無法進行檢測；流量在0.8～3 m/s 區間時，有缺陷區和無缺陷區的透射信號具有明顯的差別，透射波信號波動小，檢測效果較好；當流速大于3 m/s時，透射信號的波動明顯，無缺陷區信號最小值與缺陷區信號最大值幾乎相交，容易導致超聲C 掃圖像產生“花點噪聲”，缺陷圖像邊緣模糊，這對檢測性能影響較大。在不同流量下，對?4 mm 的人工缺陷進行缺陷直徑測量，在每種流速下重復測量5 次，將測量值繪制在圖10中。由圖10可知，當流速在0.8～3 m/s 范圍時，缺陷直徑的測量值分布范圍是?4～?7 mm；當流速大于3 m/s 時，缺陷直徑測量值分布范圍是?5.5～?8 mm，測量值比真實值偏大。

圖10 不同流速時缺陷直徑的測量值Fig.10 The measurement results of defect diameters on the condition of different velocity

透射信號的波動與耦合水的流動狀態有關，當流速低于0.5 m/s 時，射流水柱已不能保持水平，發生彎曲，無法進行檢測，水柱狀態如圖11(a)所示；當流速在0.8～3 m/s 區間時，射流水柱剛性良好，射流水柱表面平整，流動平穩，工件表面的“水盤”噴散穩定，水柱如圖11(b)所示，水盤狀態如圖11(c)所示；當流速大于3 m/s 時，射流水柱表面變得不平整，水柱中混有少量氣泡，噴射至工件表面的“水花”產生劇烈飛濺，如圖11(d)所示；當“水花”濺落至入射探頭的水柱時，會影響入射波的傳播聲路，當“水花”濺落至接收探頭的水柱時，會使透射波產生噪聲干擾，所以超聲波信號變得不穩定，透射波波動范圍增加，測量值偏大，不利于檢測。

圖11 不同流速下耦合水柱或水盤狀態Fig.11 The shape of waterspout on the condition of different velocity

流速對檢測性能的影響，除與耦合水流動狀態有關外，還與檢測方式有關。在射水距離一定的情況下，采用水平穿透方式進行檢測時，水柱會受重力影響，當流速較小時，水柱剛性不足，發射探頭與接收探頭不能很好地保持一條水平線上，會影響檢測性能；采用垂直穿透方式檢測時，當流速較小時，下方探頭水柱射水高度受重力影響，因此也會影響檢測性能。

3 結論

(1)采用喇叭+直筒型的噴嘴結構設計可獲得優質出射流束，并可減小噴嘴的尺寸。

(2)理論分析表明：采用喇叭+直筒型的噴嘴結構設計對超聲束會造成一定量的固定衰減，且其耦合腔中的紊流會造成超聲衰減，并隨著紊流度增加而會加劇檢測信號的波動。該分析結論得到了試驗驗證。

(3)為保證檢測性能良好，在調整水距時，應使受檢件處于發射和接收探頭聲場聲壓較高位置處。同時隨著水距的增加，超聲信號的衰減加劇，噪聲信號會增加。在本試驗條件下，探頭端距離工件表面的距離在76～84 mm區間時，檢測效果較好。

(4)流速會影響耦合水的流動狀態，對超聲波的傳播產生影響，流速過快會產生噪聲信號，流速過慢會降低射水柱的剛性，造成穿透信號不能被完全接收，引起能量衰減。在本試驗條件下，檢測效果較好的流速范圍是0.8～3 m/s區間。

(5)工作方式也會對檢測性能造成影響，豎直噴射立式檢測時，需要調節下部噴頭的流速，以保證射流水柱能夠與工件充分接觸；橫向噴射水平檢測時，需要同時提高兩側噴頭流速，以克服射流水柱受重力的影響。因此，在橫向噴射水平檢測時，應提高水柱剛度，保證發射端射流水柱與接收端射流水柱的在同一直線上，使耦合穩定。

因此，在制定噴水式超聲C 掃描檢測工藝規范時，宜進行噴水耦合穩定性試驗，以選擇在規定檢測水距條件下的流速及其允許的流速變化范圍，并評價這些參數對檢測結果的影響。