安兆亮 陳繼紅 陳文王 鄧崢 周子煒 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

小球法測(cè)量超聲水浸探頭聲場(chǎng)底座影響分析*

安兆亮 陳繼紅 陳文王 鄧崢 周子煒 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

使用平面、斜面、圓錐和無(wú)底座幾種類型的小球反射體，對(duì)平面超聲水浸探頭的遠(yuǎn)近場(chǎng)分界點(diǎn)和聲束寬度參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，分析了當(dāng)下主流測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中小球反射法測(cè)量時(shí)底座設(shè)定的發(fā)展趨勢(shì)和合理性。

小球反射法；超聲水浸探頭；底座；遠(yuǎn)近場(chǎng)分界點(diǎn)；聲束寬度

0 引言

超聲水浸探頭的測(cè)量方法有小球反射法、水聽(tīng)器法、輻射力法、光學(xué)檢測(cè)法等[1]幾種，小球反射法作為最接近實(shí)際測(cè)量狀況的測(cè)試方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，無(wú)需考慮水聽(tīng)器等傳感器的配置，一直受到廣大技術(shù)人員的喜愛(ài)，應(yīng)用廣泛。小球通常由球狀靶、支桿和底座三部分構(gòu)成，底座作為穩(wěn)定部件[2]，必須有足夠大的體積，同時(shí)也成為反射體，對(duì)測(cè)量會(huì)造成影響。

1 測(cè)量裝置和選用的底座

裝置如圖 1所示。采用 ARS401超聲發(fā)射接收儀作為信號(hào)提供和接收裝置，電動(dòng)掃描架的步進(jìn)為0.1 mm。被測(cè)選用的平面超聲水浸探頭晶片直徑為6 mm，施加在其上的信號(hào)頻率為5 MHz。球靶直徑都為4 mm，支桿直徑1 mm，長(zhǎng)度50 mm。實(shí)驗(yàn)用水為經(jīng)加熱去氣處理的飲用水，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水溫20 ℃。

小球底座選用以下幾種：

1）平面底座：水聲橡膠，圓盤(pán)直徑100 mm，厚10 m。

2）斜面底座[3]：傾斜角度40°，材質(zhì)水聲橡膠，底面方形100 mm×100 mm。

3）圓錐底座：水聲橡膠，半頂角40°，底面直徑100 mm。

4）無(wú)底座：球靶由另一機(jī)構(gòu)夾持懸與水槽中，見(jiàn)圖2。

2 遠(yuǎn)近分界點(diǎn)的測(cè)量

調(diào)節(jié)被測(cè)超聲水浸探頭，使其沿中心軸（z軸）移動(dòng)時(shí)始終對(duì)準(zhǔn)測(cè)試水槽中的球靶，測(cè)量探頭和球靶間不同距離的回波幅度，標(biāo)出回波最高時(shí)對(duì)應(yīng)的距離就是遠(yuǎn)近場(chǎng)的分界點(diǎn)Lf0。

圖1 常規(guī)小球反射法測(cè)量超聲水浸探頭聲場(chǎng)特性示意圖[4]

圖2 無(wú)底座小球反射法測(cè)量超聲水浸探頭聲場(chǎng)特性示意圖[5]

具體的遠(yuǎn)近場(chǎng)分界點(diǎn)位置見(jiàn)表1，可見(jiàn)四種類型的測(cè)量結(jié)果很接近，但后三種類型的的反射回波更為明顯，更容易找尋判斷分界點(diǎn)，這在圖3中可直觀地看到。

3 聲束寬度的測(cè)量

在遠(yuǎn)近場(chǎng)的分界點(diǎn)Lf0所在剖面，移動(dòng)超聲水浸探頭在其正負(fù)x，y四個(gè)方向掃查，測(cè)量球靶回波幅度最高的點(diǎn)（即Lf0）和回波幅度下降6 dB時(shí)的探頭移動(dòng)距離Wx+，Wx-，Wy+，Wy-，可以得到探頭x方向和y方向的聲束寬度[6]。

表1 幾種類型小球反射法測(cè)量得到的超聲水浸探頭遠(yuǎn)近場(chǎng)分界點(diǎn)

圖3 幾種類型小球反射法測(cè)量得到的超聲水浸探頭z軸距離-回波聲壓歸一化值曲線

表2 幾種類型小球反射法測(cè)量得到的超聲水浸探頭聲束寬度

可見(jiàn)平面底座和無(wú)底座的測(cè)量結(jié)果形狀比較一致，較為對(duì)稱，斜面和圓錐底座的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)不規(guī)程的畸變。斜面底座畸變應(yīng)為兩側(cè)高低不同反射不一致所致，圓錐底座畸變則是支桿與圓錐連接時(shí)難于保證其絕對(duì)正中，從而造成反射不對(duì)稱。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，底座對(duì)小球反射法測(cè)量超聲水浸探頭聲場(chǎng)特性有著較明顯的影響，較早的JB/T 10062-1999《超聲探傷用探頭性能測(cè)試方法》采用圓錐底座用于距離幅度測(cè)量，在GB/T 18694-2002《無(wú)損檢測(cè)超聲檢驗(yàn) 探頭及其聲場(chǎng)的表征》中卻采用了平面底座的設(shè)定。說(shuō)明平面底座雖然在找尋遠(yuǎn)近場(chǎng)分界點(diǎn)時(shí)，回波對(duì)比相對(duì)較弱，但在焦平面測(cè)量時(shí)卻有著優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮后取代了圓錐底座。在最新的 ASTM E 1065-2014《Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units（評(píng)估超聲波探測(cè)裝置特性的標(biāo)準(zhǔn)指南）》中采用了無(wú)底座的設(shè)定，這是一個(gè)更好的選擇，但也對(duì)測(cè)量的實(shí)施提出了更高的要求。

[1]韓波，梁菁，史亦韋，等.國(guó)內(nèi)外超聲波探頭測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較與分析[J].無(wú)損檢測(cè)，2014，35（2）：71-74+80.

[2]馮若.超聲手冊(cè)[M].南京：南京大學(xué)出版社，1999.

[3]周世圓，徐圓飛，徐春廣，等.用于提高超聲液浸換能器聲場(chǎng)測(cè)量精度的反射座的制作方法.中國(guó)：ZL 200810172296.X[P].2009.3.18.

[4]全國(guó)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 18694-2002無(wú)損檢測(cè) 超聲檢驗(yàn) 探頭及其聲場(chǎng)的表征[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[5]汕頭超聲儀器研究所.JB/T 10062-1999 超聲探傷用探頭性能測(cè)試方法[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

Effect of base on measurement results of acoustic field characteristics of ultrasonic immersion probe by ball target reflection method

An Zhaoliang，Chen Jihong，Chen Wenwang，Deng Zeng，Zhou Ziwei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing technology）

The base as large volume support, its shape have great influence on the measurement.In this paper, far and near field boundary points and beam width parameters of a planar ultrasonic immersion probe are measured,by using plane base、inclined base、conical base and no base. The development trend and rationality of regulation in the current mainstream testing standards are analyzed.

Ball target reflection method; ultrasonic immersion probe;base; far and near field boundary points; beam width

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016QK115）