姚立恒 林嘉財(cái) 李隆廣(汕頭超聲儀器研究所有限公司，廣東 汕頭 515041)

0 引言

在化工行業(yè)中，由于生產(chǎn)工藝中經(jīng)常有高溫高壓的要求，所以必須保證相關(guān)設(shè)備的安全性和可靠性，為此引入日常的檢測工作非常重要，但由于停機(jī)拆解檢測代價(jià)極高，方便有效的超聲無損檢測就是一種可以比較好滿足相關(guān)需求的方式。[1]在超聲檢測中，使用最多的是脈沖回波法，這種方法的特點(diǎn)是能夠簡單的從被檢部件的單側(cè)表面直接進(jìn)行，不需要像X 射線一樣考慮穿透布置等問題，且對于大部分的金屬材料都有非常好的相容性。但是由于對于某些高衰減合金制作的部件，如果只是簡單的使用單探頭的脈沖回波，檢測能力就非常受限。因此人們考慮了各種改進(jìn)的方案，如使用更大尺寸的探頭提供更高的發(fā)射能量，或者使用更低頻率的去彌補(bǔ)衰減。但這些方案都有各有相當(dāng)?shù)木窒扌?。為了更好的解決問題，人們開始嘗試使用相控陣的方式去控制發(fā)射和接收的聲信號，這帶來了超聲檢測的一次革命。[2]

相控陣檢測憑借其使用的陣列式探頭，以及精確可控的聚焦效果，從相當(dāng)程度上解決了原有使用單探頭情況下的靈敏度、分辨率和信噪比不足問題。在相同尺寸的探頭下，實(shí)現(xiàn)了更好的穿透深度，滿足了高衰減材料的使用要求。但只簡單的套用為通用檢測準(zhǔn)備的相控陣方案，仍不能最好的解決我們對于各種高衰減工件的檢測要求。現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)為了解決這個(gè)問題，普遍采取的是雙面陣探頭(Double Matrix Array，即DMA 探頭)的解決方案[3]。但該方案是用的是二維面陣探頭，而且需要成對使用，同時(shí)儀器還需要有收發(fā)獨(dú)立控制的二維聚焦能力，無論從探頭還是儀器，現(xiàn)階段都是高端產(chǎn)品的存在，檢測需要投入的設(shè)備成本非常高，在日常應(yīng)用中推廣使用有限制。所以需要我們設(shè)計(jì)提供一套新的解決方案，即能滿足高衰減環(huán)境的使用要求，又可以盡可能的減低成本并兼容常規(guī)只有一維控制能力的相控陣儀器。

1 方案設(shè)計(jì)

如上面背景介紹中所述，為了能更好的兼容市場上所有常用的相控陣檢測設(shè)備，我們決定將探頭陣列仍限制在一維的方式上，同時(shí)采用自發(fā)自收的方式。在滿足這個(gè)條件的前提下，從設(shè)計(jì)上去實(shí)現(xiàn)我們的需求。首先從探頭陣列的幾個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)出發(fā)，我們認(rèn)為應(yīng)該兼顧好幾個(gè)互為掣肘的方面：在頻率選取上兼顧分辨力和穿透能力，在尺寸上兼顧能量強(qiáng)度和尺寸大小，在陣列設(shè)計(jì)上兼顧主機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動能力以及構(gòu)建成本，在工藝實(shí)現(xiàn)上兼顧高性能和可生產(chǎn)性。根據(jù)超聲的理論特性，結(jié)合材料本身的物理聲學(xué)特性，再綜合我們長期的生產(chǎn)檢測經(jīng)驗(yàn)，我們設(shè)計(jì)了以下參數(shù)的超聲相控陣探頭：中心頻率3.5MHz，陣元數(shù)量32，陣元中心距0.5mm，被動孔徑10mm，被動孔徑方向曲率R35mm，主動總孔徑長度：16mm。

對于參數(shù)的設(shè)計(jì)，我們具體的考慮如下：中心頻率選取3.5MHz，比常規(guī)的中頻率5.0MHz 稍低，可以在更好的滿足穿透的需求的同時(shí)兼顧分辨力；0.5mm 中心距的設(shè)計(jì)在滿足相控陣陣元中心距半波長的情況下，適當(dāng)進(jìn)行縮小，一方面彌補(bǔ)了頻率較低造成的分辨率降低，另一方面配合32 個(gè)陣元，使得主動總孔徑長度在16mm，為保持較小的整體尺寸打下基礎(chǔ)。32個(gè)陣元的設(shè)計(jì)，配合市場上主流的32 通道設(shè)備，可以最大程度的發(fā)揮出相控陣探頭的性能[4]。在被動孔徑的設(shè)計(jì)上，除了在有限的外殼尺寸下盡量的增加能量外，還增加了一個(gè)R35 的曲率設(shè)計(jì)，使得探頭在主機(jī)系統(tǒng)無法控制的被動孔徑方向也產(chǎn)生了一個(gè)聚焦能力，而常規(guī)的相控陣探頭在被動孔徑方向是沒有設(shè)計(jì)聚焦能力的，所以我們設(shè)計(jì)的這種探頭又被稱之為自聚焦探頭。聚焦能力的加入，降低了探頭與被檢工件界面處的回波，減少了常規(guī)相控陣因界面波產(chǎn)生的近場盲區(qū)，同時(shí)兼顧了近表面的檢測要求。

常規(guī)相控陣探頭往往搭配的是橫波楔塊(通過楔塊材料與被檢材料的聲速差異，實(shí)現(xiàn)在傾斜入射時(shí)實(shí)現(xiàn)波形變換，由探頭直接產(chǎn)生的縱波于楔塊與被檢工件的界面處轉(zhuǎn)換出橫波)，這是因?yàn)闄M波的聲速較低、波長較短，在允許的情況下，使用橫波能獲得更好的分辨力。但注意到我們面對的是高衰減的材料，如奧氏體中的粗晶結(jié)構(gòu)，對于橫波會有明顯的衰減作用，所以我們?yōu)檫@個(gè)探頭設(shè)計(jì)了一款縱波的55 度折射楔塊。雖然更小的角度可以避免更多的聲衰減，實(shí)現(xiàn)更多的能量入射，但過小的角度也會增加界面波的反射強(qiáng)度，會抵消我們之前的一些設(shè)計(jì)改進(jìn)。另外55 度也介于最常用的折射角范圍40 度到70 度中間，便于滿足實(shí)際的使用要求。

圖1 探頭及縱波楔塊的搭配設(shè)計(jì)

完成探頭陣列方面的參數(shù)設(shè)計(jì)后，我們再具體對探頭單個(gè)陣元的聲學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。單個(gè)陣元的聲學(xué)性能是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，決定了整個(gè)系統(tǒng)方案性能的上限，每個(gè)陣元聲學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)情況和各個(gè)陣元間的一致性，決定了整個(gè)探頭最終成像的效果。通過上面構(gòu)建好的陣列參數(shù)，我們開始在陣列參數(shù)的框架內(nèi)對單個(gè)陣元進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，我們同樣遵循理論與實(shí)際相結(jié)合的方式，理論上利用KLM 模型對探頭進(jìn)行細(xì)致仿真，優(yōu)化調(diào)整探頭聲學(xué)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)組成部分。作為基礎(chǔ)能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合材料，我們放棄了直接使用常規(guī)的壓電陶瓷，設(shè)計(jì)開發(fā)了電聲性能都為該探頭參數(shù)進(jìn)行專門調(diào)整的1-3復(fù)合材料，并根據(jù)該1-3 復(fù)合材料的聲學(xué)特性，專門為其開發(fā)了負(fù)責(zé)吸收背面反射波的背襯衰減材料和負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)透聲的發(fā)射面匹配層材料。當(dāng)三者組合起來后，再結(jié)合適當(dāng)?shù)碾娖ヅ湔{(diào)諧電路，我們完成了整個(gè)基礎(chǔ)的構(gòu)建。根據(jù)各項(xiàng)材料的實(shí)際參數(shù)，我們先使用了Piezo-CAD 對探頭預(yù)先進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真，結(jié)果如圖2。

圖2 Piezo-CAD模擬的探頭性能

2 實(shí)際測試

根據(jù)上面整體的設(shè)計(jì)方案，我們制作了一款探頭樣品以及配套的縱波楔塊，實(shí)物樣品如圖3。

圖3 探頭及縱波楔塊的實(shí)物樣品

探頭性能達(dá)到我們在設(shè)計(jì)方案時(shí)預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，我們下來將探頭及楔塊與SIUI 的32 通道工業(yè)相控陣儀器Syncscan 32PT 相連，使用中啟動全部32 個(gè)發(fā)射接收通道對探頭進(jìn)行相控陣控制。測試用的試塊是316 奧氏體不銹鋼材料制作，厚度為50mm，試塊內(nèi)有不同深度的Φ3 橫通孔作回波測試。測試出的配機(jī)成像效果如圖4。

圖4 探頭楔塊實(shí)物以及配機(jī)測試效果

3 結(jié)語

我們開發(fā)的這套3.5MHz 自聚焦相控陣探頭及縱波楔塊搭配的檢測方案，外形緊湊堅(jiān)固耐用，配合我們自研的國產(chǎn)相控陣檢測系統(tǒng)，在奧氏體試塊的實(shí)際配機(jī)測試中，表現(xiàn)出良好的成像效果。初步的測試表明，我們這套檢測方案已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，下來我們還需要將這套解決方案進(jìn)一步在生產(chǎn)環(huán)境中的相關(guān)設(shè)備上進(jìn)行檢測應(yīng)用。該方案對比現(xiàn)有用于奧氏體檢測的雙面陣探頭(DMA 探頭方案)方面，無論是在探頭還是系統(tǒng)方面，都大大降低了復(fù)雜度，明顯地降低了檢測成本，有利于在化工領(lǐng)域的各個(gè)無損檢測場合進(jìn)行推廣。在進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證后，我們還將根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境的各種需求，提供各種配附件并進(jìn)行必要的改型，進(jìn)行產(chǎn)品的系列化擴(kuò)展，以更好的滿足化工生產(chǎn)環(huán)境中的多種檢測需求。