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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-04-24 11:00
超聲探頭是超聲檢測(cè)系統(tǒng)的重要組件，其性能會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果。超聲探頭性能參數(shù)分為使用特性參數(shù)和聲學(xué)性能參數(shù)。使用特性參數(shù)主要有脈沖寬度、中心頻率、相對(duì)帶寬、相對(duì)脈沖回波靈敏度、阻抗與斜探頭入射點(diǎn)等。聲學(xué)性能是不同類型超聲探頭在被檢材料中輻射聲場(chǎng)的表征。平探頭使用特性參數(shù)主要有近場(chǎng)長度、聲束直徑和擴(kuò)散角等；聚焦探頭參數(shù)主要有焦點(diǎn)、焦距和場(chǎng)深等。
1、國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范
國內(nèi)外現(xiàn)行超聲探頭性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范有：
ISO 12715:2014(E) Non-destructive Testing - Ultrasonic Testing - Reference Blocks and Test Procedures for the Characterization of Contact Probe Sound Beams
ISO 10375:1997(E) Non-destructive Testing - Ultrasonic Inspection - Characterization of Search Unit and Sound Field
EN 12668-2:2010 Non-destructive Testing - Characterization and Verification of Ultrasonic Examination Equipment - Part 2: Probes
ASTM E1065(08):2014 Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units
GB/T 18694-2002 無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 探頭及其聲場(chǎng)的表征
GB/T 18852-2002 無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 測(cè)量接觸式探頭聲束特性的參考試塊和方法
GB/T 27664.2-2011 無損檢測(cè) 超聲檢測(cè)設(shè)備的性能與檢驗(yàn) 第2部分：探頭
JJF 1294-2011 超聲探傷儀換能器校準(zhǔn)規(guī)范
JJF 1650-2017 超聲探傷儀換能器聲場(chǎng)特性校準(zhǔn)規(guī)范
目前,國內(nèi)外現(xiàn)行的超聲探頭性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范眾多，但每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋的探頭類型、測(cè)試參數(shù)及方法各不相同。以測(cè)試斜探頭入射點(diǎn)為例，ISO 10375:1997(E)利用IIW試塊的R100mm圓弧面的最大反射回波校準(zhǔn)斜探頭入射點(diǎn)；EN 12668-2:2010利用斜探頭校驗(yàn)試塊的四分之一圓弧的最大反射回波校準(zhǔn)斜探頭入射點(diǎn)，見下圖：
圖1 斜探頭入射點(diǎn)校準(zhǔn)試塊
ISO 12715:2014(E)針對(duì)的是直接接觸式探頭聲學(xué)性能的測(cè)試，ISO 10375:1997(E)針對(duì)的是液浸式探頭聲學(xué)性能的測(cè)試。
表1 國內(nèi)外超聲探頭性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范的測(cè)試參數(shù)匯總和比較
注：GB/T 18694-2002等同采用ISO 10375: 1997(E)；GB/T 27664.2-2011修改采用EN 12668-2:2010。
2、使用特性測(cè)試參數(shù)
01、脈沖寬度
脈沖寬度，在GB/T 18694-2002標(biāo)準(zhǔn)中又稱為脈沖持續(xù)時(shí)間TPD。其是根據(jù)反射體第一個(gè)波峰起點(diǎn)到最后一個(gè)波峰的時(shí)間間隔來確定的，通常以ns為單位。
不同的是：JB/T 12466-2015和JJF 1294-2011中是指在最大脈沖峰值幅度兩側(cè)10%(即-20dB)處第一個(gè)波峰起點(diǎn)至最后一個(gè)波峰終點(diǎn)間的時(shí)間間隔，而GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)中是指在最大脈沖峰值幅度兩側(cè)20%(即-14dB)處的時(shí)間間隔。
02、中心頻率和相對(duì)帶寬
中心頻率和相對(duì)帶寬是以頻率響應(yīng)為基礎(chǔ)，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，測(cè)出回波頻譜下降6dB時(shí)的高低端截止頻率fu和f1后計(jì)算得出的。ISO 10375:1997(E)和JJF 1294-2011中的中心頻率f0和相對(duì)帶寬Δfrel由式(1)和式(2)得出。EN 12668-2:2010和GB/T 27664.2:2011中的中心頻率f0由式(3)得出，相對(duì)帶寬Δfrel由式(2)得出。
式中：f0為中心頻率；Δfrel為相對(duì)帶寬；fu，f1分別為回波下降6dB時(shí)的高低端截止頻率。
03、相對(duì)脈沖靈敏度
相對(duì)脈沖靈敏度是度量探頭在脈沖回波模式下相應(yīng)介質(zhì)中電聲轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。用示波器測(cè)出探頭上輸入的電壓峰-峰值Vin和反射波放大前的電壓峰-峰值Vout，根據(jù)式(4)可以計(jì)算出相對(duì)脈沖回波靈敏度Sr。ASTM E1065(08):2014規(guī)定Vin和Vout均在探頭制造商所標(biāo)示的標(biāo)稱頻率下測(cè)試，ISO 10375:1997(E)規(guī)定在探頭中心頻率下測(cè)試。
Sr=20lg(Vout/Vin) (4)
04、斜探頭入射點(diǎn)和折射角
斜探頭入射點(diǎn)和折射角是與斜探頭相關(guān)的固定屬性。斜探頭入射點(diǎn)一般是根據(jù)斜探頭在相應(yīng)試塊的R100mm圓弧面上的最大反射回波來確定的，但不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用不同的試塊。
GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)是以IIW試塊上R100mm圓弧面上的反射回波來確定的，而JJF 1294-2011是用斜探頭校準(zhǔn)試塊的R100mm 扇形圓柱面上的反射回波來確定的，但原理類似。
同理，斜探頭折射角度也是根據(jù)這兩種試塊上的橫孔反射回波來確定的。在JJF 1294-2011標(biāo)準(zhǔn)中，斜探頭折射角稱為斜探頭聲束角度。
05、阻抗
探頭的電特性用輸入阻抗來描述，按照GB/T 18694標(biāo)準(zhǔn)的要求或者用阻抗分析儀進(jìn)行測(cè)量。探頭的阻抗分析是利用阻抗分析儀在專用DB-R試塊上進(jìn)行的。測(cè)試結(jié)果需要有探頭諧振點(diǎn)和反諧振點(diǎn)的阻抗和相角值。
圖2 阻抗測(cè)試布置示意
3、聲學(xué)性能測(cè)試參數(shù)
超聲探頭的聲學(xué)性能，也稱聲場(chǎng)特性。超聲探頭的聲學(xué)性能包含近場(chǎng)長度?擴(kuò)散角?遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)?偏向角?聚焦探頭的焦距?焦區(qū)長度和焦區(qū)寬度等。與使用特性相比，聲學(xué)性能的測(cè)試更為復(fù)雜。
ISO 10375:1997(E)標(biāo)準(zhǔn)用液浸法測(cè)試頻率為0.5~15MHz的直探頭?斜探頭的聲學(xué)性能；ISO 12715:2014(E)標(biāo)準(zhǔn)用接觸法測(cè)試頻率為1~15MHz的直探頭?斜探頭?聚焦探頭和雙晶探頭的聲學(xué)性能；ASTM E1065(08):2014用水聽器法測(cè)試頻率范圍為0.5~15MHz的平探頭和聚焦探頭的聲學(xué)性能。
01、液浸法
ISO 10375:1997(E)中，平探頭測(cè)試的自由聲場(chǎng)特性參數(shù)有近場(chǎng)區(qū)和擴(kuò)散角；聚焦探頭的聲學(xué)性能參數(shù)通過聲壓分布圖來表示，表征聚焦探頭聲壓分布的參數(shù)有：焦點(diǎn)?焦距和場(chǎng)深。
(1)近場(chǎng)長度
近場(chǎng)長度可根據(jù)公式(5)計(jì)算得出。需要指出的是，ISO 10375:1997(E)中規(guī)定：對(duì)于脈沖較寬，靈敏度較高的窄帶探頭應(yīng)按中心頻率f0的波長來計(jì)算近場(chǎng)長度N0；對(duì)于脈沖寬度較小?深度分辨力好?靈敏度較低的寬帶探頭的近場(chǎng)長度N0存在一個(gè)范圍，應(yīng)按照高低端截止頻率fu和f1的波長來分開計(jì)算。
N0=D2/4λ (5)
式中：λ為波長；D為晶片直徑。
(2)擴(kuò)散角
在探頭的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，聲束直徑與聲束軸線的距離成正比增大，因而常用擴(kuò)散角來表示聲束的發(fā)散程度。ISO 10375:1997(E)中對(duì)于圓晶片平探頭的擴(kuò)散角可用式(6)來計(jì)算。不同形狀晶片的擴(kuò)散角的表達(dá)式也不同，圓晶片同方晶片類似，可用式(7)來計(jì)算，而對(duì)于矩形晶片的擴(kuò)散角，則應(yīng)該根據(jù)其兩側(cè)邊長l1，l2來分開計(jì)算，如式(8)所示。
(3)液浸聚焦聲壓分布
ISO 10375:1997(E)中采用脈沖回波來測(cè)試探頭聲場(chǎng)。在探頭上施加脈沖信號(hào)，探頭置于水中并對(duì)準(zhǔn)浸在水中的鋼球，然后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)回波測(cè)量的一個(gè)重要參數(shù)是聲軸上的聲壓分布。
圖3 探頭聲學(xué)性能的液浸法測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)框圖
探頭聲壓性能的測(cè)量是指使探頭保持在同一軸向距離上移動(dòng)，從而獲取聲束橫截面分布圖的操作。在每一個(gè)探頭移動(dòng)的位置，記錄球靶反射的峰值幅度，便可得到給定距離處的截面上各點(diǎn)相對(duì)于軸線上的聲壓相對(duì)值的聲束橫截面分布圖，沿著聲束軸向繪制不同軸向距離處的峰值幅度曲線。
圖4 液浸聚焦探頭聲束軸線上的聲壓分布示意
如圖4所示，表征聚焦探頭聲壓分布的參數(shù)有：焦點(diǎn)?焦距和場(chǎng)深(焦柱長度)。焦點(diǎn)是指聲壓最大幅度處的位置，焦距是探頭表面至焦點(diǎn)的距離，場(chǎng)深(焦柱長度)是探頭從焦點(diǎn)處來回移動(dòng)至幅度降為峰值幅度50%(-6dB)時(shí)兩點(diǎn)間的距離，這些表征參數(shù)可以通過液浸法試驗(yàn)獲得。
02、接觸法
ISO 12715:2014(E)標(biāo)準(zhǔn)中主要是用接觸法測(cè)試探頭聲學(xué)性能的。其用半圓階梯試塊(HS試塊)和橫孔試塊(SDH試塊)測(cè)試探頭在固體內(nèi)的聲學(xué)性能。探頭在固體中的聲學(xué)性能用聲束輪廓和幅度分布圖來表示。圖5為接觸式探頭聲場(chǎng)特性的測(cè)試試塊尺寸示意，圖5(b)中的SDH表示對(duì)應(yīng)的橫孔，如SDH2表示第二個(gè)橫孔。
圖5 接觸式探頭聲場(chǎng)特性的測(cè)試試塊尺寸
直探頭和聚焦直探頭的聲學(xué)性能測(cè)試均在SDH試塊上進(jìn)行。圖6為直探頭的聲束輪廓和幅度分布。如圖6所示，在接觸式直探頭的聲束輪廓和幅度分布曲線中，可用近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)來表征直探頭聲學(xué)性能，近場(chǎng)聲壓比較復(fù)雜，遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓隨距離的增大而減小。類似，接觸式聚焦直探頭的聲束輪廓和幅度分布曲線可用來表征聚焦直探頭的聲學(xué)性能。通過分布曲線可獲得焦距?焦柱長度和焦區(qū)寬度等參數(shù)，最大峰值處是焦點(diǎn)，焦距是焦點(diǎn)至檢測(cè)面的距離，焦柱長度是聲軸方向上焦點(diǎn)前后的兩個(gè)-6dB點(diǎn)的距離，焦區(qū)寬度是垂直平面內(nèi)兩個(gè)-6dB點(diǎn)的距離。直探頭的表征參數(shù)可以通過在試塊上測(cè)試做出圖6來獲得。
圖6 直探頭的聲束輪廓和幅度分布
直探頭與斜探頭產(chǎn)生的都是縱波。斜探頭是以一定的角度入射到材料中的，產(chǎn)生折射縱波?折射橫波，或同時(shí)產(chǎn)生這兩種折射波。因?yàn)檎凵渲敛牧蟽?nèi)部波形的區(qū)別，斜探頭的聲場(chǎng)特性測(cè)試分為縱截面輪廓和幅度分布以及橫截面輪廓和聲軸上的幅度分布?？v截面輪廓聲場(chǎng)特性在SDH試塊上測(cè)試，橫截面輪廓聲場(chǎng)特性適合在HS試塊上測(cè)試。聚焦斜探頭測(cè)試類似于普通斜探頭。
表征聚焦斜探頭聲束的參數(shù)有：縱截面焦距，縱截面焦柱長度和縱截面焦區(qū)寬度。
03、水聽器法
ASTM E1065(08):2014標(biāo)準(zhǔn)中通過水聽器法及其他方法測(cè)試探頭聲場(chǎng)特性參數(shù)。以水聽器法為例，平探頭聲學(xué)性能的測(cè)試參數(shù)有近場(chǎng)長度?聲束直徑和聲束擴(kuò)散角；聚焦探頭聲學(xué)性能的測(cè)試參數(shù)有焦距?聲束直徑?聲束擴(kuò)散角和場(chǎng)深等。
水聽器法的測(cè)試裝置框圖如圖7所示，主要儀器設(shè)備有信號(hào)發(fā)生器?水聽器?數(shù)字示波器以及滿足自由度調(diào)節(jié)的水槽等。
圖7 探頭聲場(chǎng)特性的水聽器法測(cè)試裝置框圖
(1)聲束直徑
聲束直徑的測(cè)試是通過自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水聽器對(duì)探頭的輻射聲場(chǎng)進(jìn)行垂直于聲軸方向的橫向剖面掃描，從而得到聲壓場(chǎng)的二維圖來實(shí)現(xiàn)的。然后，在二維圖中找到聲壓場(chǎng)最大點(diǎn)，在最大點(diǎn)范圍內(nèi)找出幅度比最大點(diǎn)位置下降3dB或6dB的數(shù)據(jù)點(diǎn)的封閉曲線，通過數(shù)據(jù)擬合得到規(guī)則的圓，該圓的直徑便是聲束直徑。
(2)近場(chǎng)長度
近場(chǎng)長度的測(cè)試是通過自由度調(diào)節(jié)機(jī)制帶動(dòng)水聽器對(duì)探頭的輻射聲場(chǎng)進(jìn)行沿聲軸方向的縱向剖面掃描，得到沿聲軸方向的聲壓場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到的。
(3)聲束擴(kuò)散角
聲束擴(kuò)散角可通過探頭在聲軸上聲壓分布圖計(jì)算得到：在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)選擇位置A和C，如圖8所示，通過計(jì)算得到A和C處-3dB的聲束直徑。
圖8 聲束擴(kuò)散角計(jì)算示意
圖中d為晶片尺寸；θ為聲束擴(kuò)散角；φ為半擴(kuò)散角；zA，zC分別為聲軸上A，C兩點(diǎn)距換能器表面的距離（zC>zA）；W為zC處-3dB聲束直徑比zA位置處-3dB聲束直徑增加值的一半
考慮A，C點(diǎn)間的距離，利用式(9)可以得到聲束擴(kuò)散角：
(4)聚焦探頭焦距和場(chǎng)深
聚焦探頭的聲學(xué)性能參數(shù)除了以上的聲束直徑和聲束擴(kuò)散角，還需用焦距和場(chǎng)深(焦柱長度)表征。通過測(cè)試沿聲軸方向的聲壓場(chǎng)數(shù)據(jù)，得到聲軸上聲壓場(chǎng)的分布，可獲得焦距和場(chǎng)深(焦柱長度)。
圖9 聚焦探頭聲軸上聲壓分布及近場(chǎng)長度的測(cè)量示意
結(jié)語
(1) 探頭性能的測(cè)試可以用使用特性和聲學(xué)性能來表示，檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)檢測(cè)使用的需求，購買和選擇滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的探頭。
(2) 超聲探頭性能直接影響超聲檢測(cè)系統(tǒng)的最后檢測(cè)結(jié)果，好的探頭在使用特性和聲學(xué)性能方面均有優(yōu)異的表現(xiàn)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有積極影響。同時(shí)，超聲探頭在檢測(cè)過程中又屬易耗品，容易出現(xiàn)磨損等物理損傷，影響聲學(xué)性能，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生偏差。檢測(cè)人員應(yīng)定期對(duì)超聲探頭性能進(jìn)行測(cè)試，以保證超聲檢測(cè)的有效進(jìn)行。
來源：無損檢測(cè)NDT
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