聚焦深度及偏轉角度對超聲相控陣檢測定量和定位的影響

張新雷

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福州 350100；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350100）

0 前 言

超聲相控陣探頭通常由多個陣元組成，而每個陣元都能獨立賦予不同的激勵開始時間，并且通過一定的延時法則，使得各個陣元的聲束沿一定角度在一定深度處疊加干涉，從而實現超聲相控陣聲束的聚焦與偏轉。因此，聲束的聚焦與偏轉極大影響了相控陣的聲場分布特性，而聲束聚焦和偏轉等相關因素對超聲相控陣檢測的影響也一直是相關研究的重點[1-3]。

Wooh 等[4-6]探究了聲束的指向性與換能器參數的對應關系，并且通過有限元仿真和試驗分析對相控陣的偏轉和聚焦聲場進行了研究分析。Dalichow 與Dennis 等[7]通過稀疏孔徑技術，探究了基于面陣陣元下的聲束聚焦與偏轉，并研究了其三維成像的特性。劉志浩等[8]基于線性陣列陣元，通過建立數值模型模擬聲場，研究了合成聲束的偏轉和聚焦特性以及三維成像的機理與方式。祝清華等[9]主要是通過對比試驗，探究了超聲相控陣扇掃成像的質量與孔徑、偏轉角度和聚焦設置深度等影響因素的關系。

目前針對于超聲相控陣聲束聚焦和偏轉特性的研究，大多是采用數值模擬及對比試驗的方式，分析聚焦深度和偏轉角度對于聲場分布的影響。然而在現場檢測過程中，對于缺陷的準確定量和定位是檢測結果準確性和缺陷評定的關鍵。本研究以此為出發點，以不同深度的Φ3 mm×40 mm橫通孔作為人工模擬缺陷，探究在不同聚焦深度和不同帶楔塊偏轉角度對超聲相控陣檢測缺陷回波強度以及缺陷深度定位誤差的影響，從而為實際現場檢測過程中的聚焦深度和偏轉角度等參數選擇和設置提供一定的試驗基礎和建議。

1 相控陣檢測對比試驗

對比試驗選用的超聲相控陣儀器型號為SIUI SyncScan 32E，探頭型號為5.0L32-0.5-10，楔塊型號為16N5SS，相關參數見表1～表3。

表1 探頭相關參數

表2 楔塊相關參數

表3 其他相關參數

本試驗選用CSK-ⅠA 作為聲速校準、楔塊延遲校準、ACG校準的試塊，TCG校準采用在超聲對比試塊RB-Ⅱ上不同深度的Φ3 mm×40 mm橫通孔進行。該試驗同樣以對比試塊RB-Ⅱ上的Φ3 mm×40 mm橫通孔為檢測對象。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗檢測結果

根據以上試驗參數，聚焦深度設置為20 mm、40 mm、60 mm深度處，測量在不同聚焦深度下，不同檢測深度（10～70 mm）、不同帶楔塊聲束角度（35°～70°）處Φ3 mm×40 mm 橫通孔的回波當量和儀器顯示深度。其試驗數據見表4～表6。

表4 聚焦深度20 mm時的試驗數據

表5 聚焦深度40 mm時的試驗數據

表6 聚焦深度60 mm時的試驗數據

2.2 試驗結果分析

2.2.1 聚焦深度對檢測定量及定位的影響

（1）聚焦深度對檢測定量的影響

試驗以Φ3 mm×40 mm 橫通孔作為靈敏度基準，因此在理論上校準完成后使用超聲相控陣再次測量Φ3 mm×40 mm橫通孔的當量應為Φ3 mm×40 mm+0 dB。但由于耦合、校準、周邊環境、人為因素等等相關因素的誤差影響，在最終測量結果時會出現一定的偏差。根據GB/T 32563《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》，當靈敏度偏差≤ 3dB 時無需重新設置。如圖1 所示，不同聚焦深度下不同深度的Φ3 mm 橫通孔當量基本都在Φ3 mm±3 dB 范圍內，當帶楔塊偏轉角度過大時（65°）有個別數據超出此范圍，且當量數值基本保持一致無明顯差異。這是由于TCG校準時，會對相關缺陷回波幅值進行補償，使得不同深度、不同角度、相同尺寸的缺陷當量保持一致，因此即使聚焦深度發生變化，在經過TCG校準后，不同深度、不同角度的Φ3 mm×40 mm 橫通孔當量測量結果均維持在Φ3 mm×40 mm+0 dB附近。同時可以看到在非校準孔深度處（20 mm、40 mm、60 mm）檢測的橫通孔當量大多略低于校準孔深度處（10 mm、30 mm、50 mm、70 mm）檢測的橫通孔當量。因為在非校準孔深度位置處，TCG校準采用的是插值補償的方法，會與實際值形成一定的偏差。

圖1 不同聚焦深度下Φ3 mm橫通孔當量

（2）聚焦深度對檢測定位的影響

據圖2可知，因定位相較于缺陷定量來說更加精確，所以可以看到不同聚焦深度對于測量不同深度橫通孔的定位有所差異。對于在聚焦深度位置附近的橫通孔，測量定位誤差相對較小。如圖2（a），在測量深度為10 mm 的橫通孔時，聚焦深度為20 mm時定位誤差比聚焦深度40 mm和60 mm 時相對較小。同樣在測量深度為60 mm 的橫通孔時，聚焦深度為60 mm時的定位誤差比聚焦深度為20 mm和40 mm時普遍較小。而相對處于中間位置的30 mm及40 mm深的橫通孔時，聚焦深度的不同在定位上并沒有顯現明顯的差異。因此對于聚焦深度的選擇，應選擇在缺陷深度的附近可提高超聲相控陣檢測缺陷定位的精確度。

圖2 不同聚焦深度下Φ3 mm橫通孔定位深度誤差

2.2.2 帶楔塊偏轉角度對檢測定量及定位的影響

（1）帶楔塊偏轉角度對檢測定量的影響

如圖3 所示，隨著帶楔塊偏轉角度的變化，橫通孔當量變化并沒有顯示明顯的規律性，且雖不同帶楔塊偏轉角度間的定量測量結果有所偏差，但數據大多保持在Φ3 mm×40 mm±3 dB范圍內。這同樣是由于TCG 校準時的補償設定已經排除了偏轉角度對檢測定量的影響，與聚焦深度對超聲相控陣檢測定量的影響結果保持一致。

圖3 不同帶楔塊偏轉角度下Φ3 mm橫通孔當量

（2）帶楔塊偏轉角度對檢測定位的影響

如圖4 所示，在聚焦深度分別為20 mm、40 mm、60 mm 的情況下，不同深度橫通孔檢測定位誤差的總體趨勢均隨著帶楔塊偏轉角度的增大而增大。以定位誤差5%為基準，可以看到大多數情況下，當帶楔塊偏轉角度≥ 65°時，超聲相控陣檢測缺陷定位的誤差＞5%，多數都在10%附近。因此為保證超聲相控陣檢測缺陷定位的準確性，建議在本試驗所用探頭和楔塊參數下，帶楔塊偏轉角度不應超過65°。

圖4 不同帶楔塊偏轉角度下Φ3 mm橫通孔定位深度誤差

3 結 論

（1）設置不同聚焦深度及帶楔塊偏轉角度對超聲相控陣檢測定量及定位影響的對比試驗，由于TCG校準過程中的補償特性，使得不同聚焦深度及不同帶楔塊偏轉角度下超聲相控陣對于相同尺寸及類型的橫通孔檢測定量結果基本保持一致。

（2）由于目前超聲相控陣對于非校準孔深度處采用插值補償會造成一定的誤差，根據試驗結果對于非校準孔深度處的缺陷定量會略低于校準孔深度處的缺陷定量。

（3）對于聚焦深度附近處的缺陷檢測，通常會取得更好的定位精確性，因此對于處于不同深度的缺陷應采用接近于該缺陷深度的聚焦深度。

（4）隨著帶楔塊偏轉角度的不斷增大，缺陷定位誤差有增大的趨勢。因此在實際檢測中需要控制帶楔塊偏轉的最大角度，不同儀器和探頭參數均會對其產生影響，建議在檢測前通過試驗確定。在本例中建議帶楔塊角度不超過65°。