超聲波激發參數對檢測結果的影響

詹紹正，楊鵬飛，王丹，張偉，寧寧，樊俊鈴

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

引言

超聲波檢測是工業無損檢測技術中應用最廣泛的方法之一，技術的廣泛應用也推動了檢測設備的快速發展。近年來市面上的超聲檢測設備層出不窮，設備性能也由早期單參量的純應用型設備向現代多參量的綜合研究型設備發展。如此一來，檢測中如何合理設置各參量參數值以獲得理想的檢測效果，對檢測操作人員提出了更高的要求。

實際的超聲波檢測工作中，在特定的探傷儀和探頭等硬件資源條件下，檢測參數的設置對檢測效果有著決定性的影響。對于現代超聲波探傷設備而言，檢測參數設置通常包括基本參數、激發參數和接收參數設置等內容，其中激發參數對檢測結果的影響極為關鍵，它直接決定著檢測系統的靈敏度、分辨力等性能指標。因此，筆者結合檢測工作實際，研究了超聲波探傷儀中激發參數設置對檢測結果的影響規律，以幫助無損檢測人員在實際檢測工作中設置合理的激發參數。

1 超聲波探傷儀的構成

超聲波探傷儀又叫超聲波A掃描儀，是利用超聲波的聲學特性對材料缺陷和損傷進行非破壞性檢測的一種電子儀器，是進行超聲波檢測的最基礎設備。它主要由同步電路、發射電路、接收電路、時基電路、顯示及報警電路、電源及輔助電路等七大部分組成[1]，其基本工作原理見圖1所示。

圖1 A型顯示脈沖超聲波探傷儀基本工作原理

同步電路也稱作同步脈沖發生器，其作用是產生周期性的同步脈沖信號，作為發射電路、時基電路以及其它輔助電路的觸發脈沖，使各電路在時間上協調一致工作。發射電路是一個電脈沖信號發生器，在同步脈沖信號的觸發下產生高達幾百伏的高壓電脈沖，施加到超聲波探頭的壓電晶片上產生脈沖超聲波。接收電路是對經壓電晶片轉換后得到的微小電脈沖進行放大、檢波，使其能夠在顯示器上得到足夠的顯示。時基電路又稱掃描電路，用來產生時基線。顯示電路對處理后的信號進行顯示輸出。電源電路用來給儀器供電。輔助電路包括閘門電路以及距離幅度補償電路等。

在超聲波探傷儀的構成中，發射電路是其核心部分，它對整個探傷儀系統的檢測范圍、靈敏度余量、分辨力等綜合性能指標有著重要影。 因此，在實際超聲波檢測中，應合理的設置激發參數，以獲得最優化的檢測結果[2-6]。

2 超聲波激發參數對檢測結果的影響分析

目前市面上的A型顯示脈沖超聲波探傷儀發射部分的主要激發參數包括激勵方式、激勵脈沖寬度、激勵電壓、脈沖重復頻率和阻尼大小等[7]。下文作者將分別針對各激發參數對檢測結果的影響開展研究。

2.1 激勵方式對檢測結果的影響

尖脈沖和方波是目前超聲波探傷儀中兩種最常見的激勵方式，現代的超聲波探傷儀一般都同時集成了尖脈沖激勵和方波激勵兩種激發方式可供用戶設置，以應對不同的檢測對象和需求。

為了研究不同脈沖激勵方式對實際超聲檢測效果的影響，第二炮兵學院的楊劍等人研究了兩種激勵方式對不同材料檢測的效果，并獲得了在合適的方波激勵條件下得到的檢測信號幅值是尖脈沖得到信號幅值的兩倍左右的結論。圖2所示為其采用尖脈沖和方波激勵分別對碳纖維增強樹脂基復合材料試樣和鋁合金試樣測試的試驗結果。對于碳纖維增強樹脂基復合材料，受結構各向異性和纖維界面的影響，超聲波在其中的傳播衰減大，探頭接收到的回波信號較弱，基于信號分析與處理要求，方波激勵要優于尖脈沖激勵。而對于鋁合金試樣，超聲波在其中傳播時衰減較小，回波信號較強，尖脈沖激勵已經能夠滿足實際的檢測要求，而且其回波信號噪聲明顯比方波激勵模式下要小[8]。

圖2 不同激勵方式下測試結果

因此，基于楊劍等人的研究結果可知，在實際的超聲檢測中，對于樹脂基碳纖維增強復合材料等高衰減材料，為了獲得較大的聲波激發能量和較好的回波信號幅度，提高超聲脈沖幅度和穿透能力，更適合采用方波激勵方式；而對于鋁合金等材質均勻、超聲傳播衰減小的金屬材料，宜采用尖脈沖激勵方式，以獲得較好的檢測信噪比和分辨率。

2.2 方波激勵脈沖寬度對檢測結果的影響

對于方波激勵而言，其一次激勵可以使超聲探頭產生兩次振動，見圖3。調節激勵方波的寬度可以使兩次振動進行疊加或減弱，當激勵方波信號的脈沖寬度為所用超聲波探頭中心頻率的1/2周期時，此時探頭兩次振動產生的信號相位相同，通過兩次振動信號的疊加，合成后的信號幅值達到最大值（理論條件下，此時方波激勵產生的波形幅度將是同等激勵電壓下尖脈沖激勵所產生的波形幅度2倍，即高12 dB），此時的檢測靈敏度最高；當激勵方波脈沖寬度設置為所用探頭頻率的一個周期時，兩個振動信號的相位相反，疊加后的合成信號振幅最弱，此時的檢測靈敏度最差，見圖4。

圖3 激勵方波使超聲探頭產生兩次振動過程

圖4 不同方波脈沖寬度下的信號疊加示意圖

圖5 所示為采用GE-USM GO+探傷儀匹配OLYMPUS 5 MHz探頭（周期為200 ns）在不同激勵方波脈沖寬度下的信號特征圖譜，圖6為在不同激勵方波脈沖寬度下的測得的回波幅度和回波寬度曲線。

從圖5、圖6可以看出，對于方波激勵，在激勵脈沖寬度小于探頭額定頻率1/2周期時，隨著激勵脈沖寬度的增加，信號回波幅度增加；當脈沖寬度達到探頭額定頻率1/2周期后，回波信號幅度達到最大，當繼續增大脈沖寬度，信號幅值逐漸下降，當脈沖寬度增大到一定值時，檢測信號最終被分成兩個波形，這兩個波形代表著對兩個相同幅度和頻率下尖脈沖激勵的響應信號。而且隨著激勵脈沖寬度的增加，超聲探傷儀上的始波寬度變寬，導致檢測的上盲區增大，檢測深度分辨率變差。

圖5 5 MHz探頭在不同激勵方波脈沖寬度下的回波信號圖譜

圖6 不同激勵脈沖寬度下的波幅和回波寬度比對曲線

由于實際探頭具有一定的帶寬，從圖7所示的曲線中可以看出，激勵脈沖寬度在探頭額定頻率1/2周期點附近，改變激勵脈沖的寬度對幅值變化的影響較小。因此，在實際采用方波激勵進行檢測時，激勵脈沖的寬度應設置在探頭額定頻率的1/2周期附近，以獲得最佳的檢測靈敏度與分辨率組合。

同時，方波激勵脈沖的上升時間或下降時間會直接影響到超聲檢測的精度和分辨率，方波上升時間和下降時間越短，激發脈沖的帶寬越寬，越能激發探頭的高頻振蕩，使探頭響應的相對帶寬也越大，發出的脈沖寬度更窄。因此，在實際超聲波探傷儀選購中，要求激勵方波上升時間或下降時間一般不超過20 ns[9,10]。

2.3 激勵電壓對檢測結果的影響

超聲探頭發射的超聲波是由超聲波探傷儀發出的激勵脈沖電壓施加到超聲探頭的晶片上使晶片振動而產生的，其振動的幅度直接影響著超聲波輸出能量的大小，超聲波探傷儀給探頭所施加的激勵電壓又決定著超聲波振動的幅度。激勵電壓越高，激發的超聲能量也越大，獲得的回波幅度越高。圖7所示為對相同直徑不同埋深的缺陷，方波激發電壓與回波信號幅度間的關系曲線，從中可以看出回波幅度與激發電壓呈線性關系。

圖7 方波激發電壓與回波幅度間的關系

然而，對于超聲檢測系統而言，所施加的激勵電壓直接影響著超聲波探頭的使用壽命。施加的激勵電壓越高，壓電晶片的振幅越大，但當振幅過大時，導致壓電晶片內部應力太大超過了材料本身的抗拉強度，就會造成探頭壓電晶片材料開裂或斷裂，從而導致探頭損壞失效。此外，過高的激勵電壓也容易造成壓電晶片的擊穿；這種情況在高頻探頭中發生的概率更高，探頭頻率越高，其晶片材料就越薄，越容易破碎和擊穿，耐壓能力也就越弱。所以，在采用高頻探頭進行檢測時，激勵電壓不能過高。

因此，在實際無損檢測中，應選擇適中的激發電壓。激發電壓過小，對超聲波探頭的驅動能力較弱，造成靈敏度余量不足。激發電壓過大，容易出現過沖現象，導致噪聲電平增大和動態范圍縮小，而且過高的電壓對探頭也不利。

2.4 重復頻率對檢測結果的影響

重復頻率通常指的是超聲波探傷儀發射激勵脈沖的頻率（在模擬式儀器中也等于每秒鐘發射同步脈沖的次數），即每秒鐘發射激勵脈沖的次數，它決定了每秒鐘向被測結構內發射超聲波的次數。重復頻率對于自動化檢測尤為重要，自動化檢測的優勢之一就是可以自動記錄超聲信號，因而可以實現高速掃查，這就需要有較高的重復頻率以保證不發生漏檢。而在手工檢測的目視觀察的情況下，對于傳統的模擬式超聲波探傷儀而言，提高重復頻率可以使波的亮度增加，便于觀察。

然而，過高的重復頻率會導致兩次激發脈沖間隔時間變短，容易使超聲波探頭在受到前一激發時所產生的脈沖回波信號未來得及完全衰減消失而被落入到后一次的觸發周期內顯示（見圖8所示），在儀器顯示屏幕上形成干擾信號，如幻象波、虛假缺陷信號等，從而造成對檢測結果的誤判。

圖8 幻象波產生原理示意圖

圖9 所示為155 mm厚的30CrMnSiA試件在同等發射功率、不同重復頻率下檢測獲得的信號特征。當采用較高的重復頻率進行檢測時，在上表面波和底波間存在較強的、跳動的干擾波信號，影響檢測結果的判定。在其它檢測參數不便，逐步降低檢測重復頻率，當降低到一定程度時，干擾信號消失，檢測信號的可識別性大大增強。

圖9 重復頻率2 000 Hz和500 Hz時的信號特征

因此，在實際超聲檢測中，應選擇合適的重復頻率。在不產生干擾信號的前提下采用較大的重復頻率可提高檢測效率，尤其對于自動化檢測，高的重復頻率可以避免因掃查速度過快導致的漏檢問題。

2.5 阻尼電阻對檢測結果的影響

超聲波探傷儀的發射電路通常分為調諧式和非調諧式兩種，其中非調諧式發射電路具有發射脈沖短（尖脈沖、方波等不同形式）、脈沖頻帶寬、可適應探頭頻帶范圍廣等優點，是目前常見超聲波探傷儀主要采用的發射電路方式。圖10所示為典型的非調諧式發射電路原理圖，其中的可調電阻R0即為阻尼電阻；阻尼電阻主要有兩個作用，一是調節電容放電時間和發射功率，二是作為阻尼作用，調節探頭發出的超聲脈沖寬度。阻尼電阻值越小，發射的功率越小，發射的超聲脈沖寬度越窄。阻尼電阻值越大，發射的功率越大，發射的超聲脈沖越寬。

圖10 非調諧式發射電路原理

實際檢測中，超聲波探傷儀上會提供了阻尼電阻的不同阻值檔位供用戶選擇，用戶可根據不同的材料、厚度和所采用的探頭類型，選擇合適的阻尼值，以獲得良好的分辨率和檢測效果。

3 結論

激勵方式、激勵脈沖寬度、激勵電壓、脈沖重復頻率和阻尼電阻是超聲波檢測的幾個主要激發參數，在實際無損檢測工作中，應根據不同的檢測對象材料和所使用的探頭型號，設置合適的檢測參數，以確保獲得良好的檢測效果。

1）在其它參數相同的情況下，方波激勵得到的檢測信號幅度是尖脈沖激勵的兩倍，方波激勵可以用于厚工件或衰減較大材料的檢測，尖脈沖激勵可以用于薄工件或對超聲波衰減較小材料的檢測。

2）激勵方波脈沖寬度應設置在探頭中心頻率的1/2周期附近，以獲得最佳的檢測靈敏度與分辨率組合。

3）回波幅度與激發電壓呈線性關系，激發電壓過小，對超聲波探頭的驅動能力較弱，造成靈敏度余量不足。激發電壓過大，容易出現過沖現象，導致噪聲電平增大和動態范圍縮小。在實際無損檢測中，應選擇適中的激發電壓。

4）激發脈沖重復頻率過高，容易出現干擾信號，影響檢測信號的判別。激發頻率過低，影響掃查速度和檢測效率。在實際超聲檢測中，應選擇合適的重復頻率。

5）阻尼電阻值越小，發射的功率越小，發射的超聲脈沖寬度越窄。阻尼電阻值越大，發射的功率越大，發射的超聲脈沖越寬。實際檢測中，應根據不同的材料、厚度和所采用的探頭類型，設置合適的阻尼電阻值，以獲得良好的分辨率和檢測效果。