超聲應力換能器指向性校準方法研究

牛 淼，吳德林，姚 磊，鄭慧峰，高申平，俞醒言

(1.中國計量大學 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018; 2.浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310018;3.國家市場監管重點實驗室(聲學振動精密測量技術)，浙江 杭州 310018;4.浙江省聲學振動精密測量技術研究重點實驗室,浙江 杭州 310018)

0 引言

近年來，超聲應力廣泛應用于栓體、燃氣管道、高壓容器焊縫等被測件的應力檢測。超聲應力采用縱波與臨界折射縱波進行應力檢測，是最便捷、準確、經濟的方法，亦是目前各國研究的熱點和今后超聲應力檢測的主要發展方向[1-3]。通過超聲對應力的敏感度分析表明，沿應力方向的縱波與臨界折射縱波敏感度較高，應力的檢測精度最高[4]。但實際檢測時，超聲波與應力在方向上存在一定的夾角，影響應力的測量結果。因此，換能器指向性校準方法的研究對超聲應力檢測具有重要意義。

換能器指向性的理論分析是校準方法研究的重要組成部分。張明等計算出5種典型活塞聲源輻射聲場的遠場聲壓分布和指向性函數[5]。超聲換能器聲束指向性的校準，常在水介質中進行測量。采用水聽器法進行聲場特性的校準，利用掃描定位裝置帶動水聽器對若干平面進行掃描，得到的-3 dB聲束擴散角是描述聲場指向性的重要參數[6]。將被校換能器固定在旋轉軸上并置于水中，在一定距離處放置標準水聽器，通過旋轉待測換能器來記錄信號繪制指向性圖[7]。在水中校準超聲換能器指向性的方法較成熟，但有些超聲應力換能器因水密性問題而不能置于水中，另外某些基于電磁超聲轉換原理的超聲應力換能器無法往水中輻射聲波，在水中的測量方法不適用于此類超聲應力換能器指向性的校準。因此，許多學者選擇超聲探傷儀標準試塊進行臨界折射縱波聲束指向性的實驗測量，實驗結果與理論結果保持一致[8-9]。標準試塊法利用其相對平面對縱波聲束擴散角進行測量，但各角度下接收換能器與被校換能器的距離不同，以此表征換能器的指向性會帶來較大的誤差。

本文提出采用半圓柱試塊法，被校換能器向半圓柱試塊內部進行聲波輻射，在同一水平面下接收換能器在圓柱面圍繞被校換能器進行各角度等距離接收信號，進而分析被校換能器的指向特性。相比水中測量方法，該方法更符合超聲應力檢測的實際使用工況，適用于任意型號的超聲應力換能器指向性校準，方便快捷且適用于現場。

1 半圓柱試塊法

半圓柱試塊法可以測量縱波與臨界折射縱波聲場指向性，如圖1所示。測量縱波指向性時，被校換能器向半圓柱試塊內部進行聲波輻射，在同一水平面下接收換能器在圓柱面圍繞被校換能器進行各角度等距離接收信號，進而分析被校換能器的指向特性。在此基礎上測量臨界折射縱波的指向性，需要將被校換能器更換為臨界折射縱波換能器，臨界折射縱波入射點對準試塊圓心，接收換能器在圓柱面端點處開始各角度等距離下接收信號。臨界折射縱波換能器由縱波換能器與聲楔塊螺紋配合組成，入射縱波以第一臨界角為入射角，在試塊圓心處產生臨界折射縱波。

2 縱波指向性

為了對縱波進行指向性測量，通過半圓柱試塊法設計了如圖2所示的實驗系統。試塊為半圓柱體，表面光滑，在其上面貼合半圓刻度盤，便于精準角度調整。被校換能器放在試塊平面中心保持不變，接收換能器與被校換能器中心對準后，接收換能器在半圓柱面同一水平面圍繞被校換能器各個方向接收信號。被校換能器和接收換能器表面均涂有耦合劑。在激勵源選擇上，為了避免試塊邊緣的反射波對接收信號產生影響，且保證接收信號的穩定，故采用脈沖波。由信號發生器生成10個周期幅值為10 V、頻率5 MHz正弦脈沖信號激勵被校換能器。采用泰克數字示波器測量接收信號，得到的換能器縱波指向性如圖3所示。

為了驗證半圓柱試塊法的可行性，利用水聽器法對換能器的指向性進行測量。以被校換能器的正對方向為中心，水聽器繞被校換能器各個方位轉動掃描[6]。縱波活塞式換能器的指向性由貝塞爾函數得出:

(1)

式中：k為超聲波波數；a為活塞半徑；θ為位置矢量與換能器聲軸的夾角。

由圖3可知，實驗所用縱波換能器的聲場靠近中心軸線的周圍區域，能量幅值較高，其余區域能量幅值較低，在中心軸線的兩側聲場基本呈現對稱分布的特點，且具有明顯的指向性分布。縱波換能器的聲場主要集中于中心軸線兩側-5°～5°區域。

通過半圓柱試塊法、水聽器法與理論計算得到-3 dB的波束寬度，即主聲束兩側下降到主極大值0.707處的夾角。利用半圓柱試塊法校準得到縱波換能器指向性，其-3 dB波束寬度為5.01°，與水聽器法測量值、理論值相對偏差分別為3.09%、2.66%。實驗值與計算仿真的結論一致，這說明了半圓柱試塊法的可行性，同時驗證了換能器指向性在聲場中分布的理論。

3 臨界折射縱波指向性

3.1 聲場仿真

低頻的聲波信息傳輸常采用固體力學中的邊界載荷，但是超聲波頻率高，波長短，繼續使用結構力學分析，則計算量大，且難以收斂。因此，采用彈性波時域顯式物理場模擬波在線彈性介質中的傳播。構造的臨界折射縱波仿真模型如圖4所示，其中聲楔塊材質為有機玻璃，半圓柱試塊材料為鋼。通過計算得到第一臨界角為28°。

換能器的中心頻率為2.5 MHz時，激勵波形的周期數目需要考慮兩方面：一是接收的波形達到穩態；二是試塊的邊界反射不會對接收的直達波形產生影響。

通過有限元軟件對臨界折射縱波傳播特性進行仿真，得到臨界折射縱波在不同時刻的快照圖，如圖5所示。3.5 μs時，超聲波在有機玻璃聲楔塊與半圓柱試塊表面發生折射，產生了臨界折射縱波與折射橫波，在半圓柱試塊中圓弧形波紋就是其波陣面。因為臨界折射縱波的速度最快，在一定深度下近似平行沿著試塊平面進行傳播，所以在10.5 μs時第一個到達圓柱面。試塊內部還有頭波、折射橫波與表面波，其中近似斜線的波紋是頭波。

3.2 實驗測量

為了測量臨界折射縱波的指向性，在縱波指向性實驗系統的基礎上，被校換能器更換為2.5 MHz的臨界折射縱波換能器，入射角為28°。接收換能器從圓柱面端點處開始各角度測量。實驗中，橫波向試塊內部進行傳播，通過計算得出橫波折射角為34°，故選取0°～30°進行測量，排除橫波的干擾。采取適合的耦合劑進行涂抹，使接收信號較穩定。

通過計算得出臨界折射縱波指向性的仿真值與實驗值，如圖6所示。聲場基本呈現軸對稱分布，仿真值的主瓣指向角為16°，實驗值的主瓣指向角為15°，兩者較一致，符合相關研究(10°～20°)的結論[10]。利用半圓柱試塊法校準得到臨界折射縱波換能器指向性，其-3 dB波束寬度為10.55°，與仿真值相對偏差為2.23%。

4 結論

1)半圓柱試塊法校準得到縱波換能器指向性，其-3 dB波束寬度為5.01°，與水聽器法測量值和理論值相對偏差分別為3.09%、2.66%。實驗值與計算仿真的結論保持一致，說明了半圓柱試塊法的可行性，同時驗證了換能器指向性在聲場中分布的理論。

2)利用有限元軟件仿真臨界折射縱波的傳播特性，仿真值的主瓣指向角為16°，實驗值的主瓣指向角為15°，兩者較一致。利用半圓柱試塊法校準得到臨界折射縱波換能器指向性，其-3 dB波束寬度為10.55°，與仿真值相對偏差為2.23%。臨界折射縱波的指向性為超聲應力檢測的滲透深度提供了依據。

3)與水中測量方法相比，半圓柱試塊法更符合超聲應力檢測的實際使用工況，不受換能器水密性、換能器工作原理等限制，可適用于任意型號的超聲應力換能器，且校準更為方便快捷。