線聚焦探頭的聲反射特性和檢測應用的研究

段建剛，熊 瑛

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043）

航空發動機結構件、葉片等零件常用中小直徑棒材（φ8～φ58）進行加工制造，棒材的缺陷檢測成為保證結構件、葉片等零件加工和使用質量的主要手段[1-3]；小直徑棒材為曲界面入射，目前國外航空發動機公司多采用水浸線聚焦超聲檢測方法對小直徑棒材進行缺陷檢測，而棒材直徑>φ58 時接近平界面入射，可采用點聚焦超聲檢測方法，棒材直徑<φ8 時縱波檢測區域太小適宜采用其他檢測方法[4]。線聚焦探頭是針對小直徑棒材曲界面入射的一種特殊應用，點聚焦探頭是用于平界面入射的工件檢測，點聚焦探頭入射到棒材曲界面圓周方向的聲束進入棒材后會迅速發散，導致聲束指向性變差，檢測靈敏度和信噪比均低于線聚焦探頭。超聲波從聲透鏡經歷折射后進入水介質[5]，然后入射到水-金屬圓柱界面進入棒材，期間聲束發生了多次變化[6-7]，探頭選擇和使用不當會造成檢測靈敏度和信噪比降低，特別是檢測鈦合金棒材時容易引起雜波升高造成誤判。目前，有關點聚焦探頭在平面工件的檢測研究[8-9]，可參考進行平面工件水浸超聲聚焦檢測時探頭的選擇和使用；有關點聚焦探頭在球體工件上的檢測研究[10]，可參考進行球體工件水浸超聲聚焦檢測時探頭的選擇和使用；但未開展線聚焦探頭在圓柱體工件（棒材）的相關研究，因此開展線聚焦探頭在圓柱體工件中的研究對中小直徑棒材水浸超聲檢測時探頭的選擇和使用具有重要意義。

針對上述問題，本研究對線聚焦探頭聲場不同區域的聲束反射特性和棒材中聲束指向性等影響檢測靈敏度和信噪比的因素展開研究。

線聚焦探頭聲反射特性測量方法的確定

線聚焦探頭的聲反射特性與x、y和z3 個方向有關，綜合考慮測量反射體足夠小和直度的情況下選擇φ1.5mm 鋼棒作為測量反射體，以焦距F處y和z兩個方向的聲反射特性測量進行測量方法示意，如圖1所示，其中晶片長度L、寬度d，聲透鏡為圓柱面，可分別測量聲束的（-2dB）寬度、（-3dB）寬度和（-6dB）寬度；由于（-6dB）寬度測量時反射波幅降低50%，試驗可操作性更強，測量結果更準確，故測量時選擇（-6dB）寬度。

圖1 測量示意圖Fig.1 Sketch map of measurement

x與y方向是線聚焦探頭聚焦特性的主要方向，決定棒材中聲能的分布情況，進而影響檢測靈敏度，而z方向決定探頭在棒材軸線上的螺距設置，如圖2所示（其中S為螺距），故研究線聚焦探頭檢測靈敏度應對探頭x與y方向的聲反射特性進行測量。

圖2 線聚焦探頭z 方向對棒材檢查的影響Fig.2 Effect of z-direction of line focusing probe on bar inspection

通過測量線聚……