近場對相控陣超聲TCG校準的影響

喬江偉，李 健，劉春杰，李寶超，黃 旭

(1.北京思派特檢測技術咨詢有限公司，北京 100176；2.河北中躍檢驗檢測有限公司，廊坊 065000；3.廊坊市新思維科技有限公司，廊坊 065000)

相控陣超聲檢測(PAUT)技術因具有靈活控制檢測聲束、無輻射污染、檢測可靠高效、受人為因素影響較小、檢測結果圖像化且可保存等特點廣泛應用于工業無損檢測中。在焊接接頭的相控陣超聲檢測應用中，目前有兩種驗收方法，第一種主要依據缺陷的波幅及測量長度進行驗收，如標準NB/T 47013.15-2021 《承壓設備無損檢測 第15部分 相控陣超聲檢測》 和ISO 19285-2017 《焊縫的無損檢測 相控陣超聲檢測 驗收等級》 中均介紹了基于波幅及長度的驗收方法；另一種是依據斷裂力學基于缺陷長度及高度的驗收方法，如ASME標準就采用了此類驗收方法。在相控陣超聲檢測中，考慮到其基本原理與常規超聲檢測相同，依據波幅的測高方式受到波束角度、缺陷走向、缺陷反射面積等因素的影響，因此多選取依據缺陷波幅及長度的驗收方法。

對于基于缺陷波幅和長度的驗收方法，無論采用-6 dB測長還是選用絕對靈敏度測長方法，缺陷的波幅本身直接決定著驗收結果，為缺陷長度測量的唯一依據。由此可見，靈敏度的準確性直接決定了驗收結果的準確性。因此，在所有相控陣超聲檢測標準中，均要求或推薦使用TCG(時間校正增益)校準，將所有波束在不同深度的反射體回波校準到同一波幅高度位置，從而保證檢測覆蓋的不同區域具有相同的檢測靈敏度。

文章基于幾何聲學的方法，計算了不同探頭、參數設置及偏轉角度下的近場深度，并通過試驗驗證了超聲近場、聚焦深度等因素對于TCG校準的影響，為焊接接頭相控陣超聲檢測時探頭與楔塊的選擇以及參數設置提供參考。

1 相控陣超聲檢測TCG校準

超聲波在介質中傳播時，受聲束擴散、晶粒散射和介質吸收等因素影響，會出現能量逐漸衰減的現象。對于相同形狀、大小的反射體，其深度不同時，得到的超聲反射回波能量也不同。為有效評估反射回波與參考反射體當量的關系，在超聲檢測中通常繪制距離波幅曲線(DAC)來描述相同反射體在不同深度反射回波能量衰減的趨勢，進而依據不同深度缺陷反射回波與DAC曲線的相對位置關系，結合驗收標準確定最終的評定結論。

在相控陣超聲檢測中，無論是線掃描還是扇掃描，最終都會通過二維彩圖的方式顯示被波束覆蓋的區域，從而識別出檢測區域內不同位置的缺陷回波信號，也可通過顏色判斷反射回波的高度，但前提是檢測范圍內的靈敏度一致；另一方面，相控陣超聲檢測通常會連接編碼器，通過一次單線掃查的方式采集存儲每個位置的數據，因此無法像常規超聲一樣在檢測過程中實時調節儀器的增益值，這就要求其檢測范圍內所有深度處的初始靈敏度不宜過低，以免較深位置的反射回波過低，無法分析評定數據。鑒于此，在相控陣超聲檢測中，通常會使用TCG校準替代DAC曲線進行靈敏度的調節設置。

TCG是一種超聲波信號處理中常用的增益控制的方式，可使不同深度下相同反射體的超聲回波得到不同的放大倍數，從而得到相同的靈敏度。TCG曲線可以通過理論計算或者采集不同深度上的相同反射體的回波信號來繪制。目前，工業領域的相控陣超聲檢測設備基本都是利用采集實際回波信號的方式進行TCG校準補償，校準后覆蓋深度范圍內的靈敏度一致。DAC和TCG校準結果示例如圖1所示，DAC校準曲線描繪了相同反射體在不同深度位置處回波高度；TCG校準將相同反射體在不同深度位置處的回波波幅調整為同一高度水平(圖中橫坐標為深度，縱坐標為波幅,FSH為滿屏幕高度)。

圖1 DAC與TCG校準示意

2 相控陣超聲檢測的近場計算

近場是指波源附近，由于波的干涉出現的一系列聲壓出現極大值和極小值的區域，又稱菲涅爾區。由于近場區存在聲壓極大值和極小值的點，故常規超聲檢測時，通常使用遠場區(大于近場長度的聲場區域)進行缺陷檢測。相控陣超聲檢測原理同樣遵循超聲基本原理，只是相控陣超聲通過在不同晶片上施加激勵延遲，控制每個晶片激發的時間，從而通過聲波的相互干涉疊加實現波束的偏轉和聚焦。在焊接接頭的相控陣檢測中，通常將相控陣探頭安裝在帶有固定傾斜角度的楔塊上，其輻射聲場至楔塊中，并在楔塊-工件界面上發生模式轉換，產生橫波進入待檢工件中[1]。為了能夠計算得到相控陣超聲斜入射波束在工件中的聲場長度，首先需要計算晶片組的激活孔徑，PAUT探頭偏轉波束的有效孔徑如圖2所示，相同晶片組在產生不同角度的波束時，其有效的激活孔徑也不相同，有效孔徑Aeff可表示為

圖2 PAUT探頭偏轉波束的有效孔徑示意

(1)

通過有效孔徑能夠計算出探頭在楔塊中輻射聲場的近場區長度，再減去聲波在楔塊中傳播的等效距離后，即可得到相控陣超聲及楔塊組合系統輻射偏轉波束時，在待檢工件中的近場長度N，即

(2)

式中：f為探頭頻率；A為晶片組激活孔徑；ct為工件中的聲速；α為楔塊物理角度；θi為工件中折射角對應的入射角度；θt為工件中的折射角度；Li為聲波沿聲軸線在楔塊中的傳播距離[2-3]。

相比近場長度，焊接接頭檢測中常用的是檢測深度，近場深度Ndepth可表示為

Ndepth=N·cosθt

(3)

扇形掃描是焊接接頭相控陣超聲檢測最為常用的一種掃描方式，其通過在一組晶片上施加不同的聚焦法則，得到不同角度的超聲波束。對于一個特定的相控陣超聲探頭，在設置檢測工藝時，當使用的晶片組、激活晶片數量、楔塊型號、波束角度發生變化時，其對應的近場也會隨之變化。

筆者選擇兩組相控陣超聲設置進行近場計算，探頭及楔塊參數設置如表1所示。根據設備中給定的探頭及楔塊參數，通過試驗單獨激發第一晶片確定波束出射位置，從而確認第一晶片高度值，最終確定晶片在楔塊中的相對位置，進而計算得到兩組設置中不同角度波束楔塊中的傳播距離Li，不同折射角度波束在楔塊中的傳播距離如表2所示。

表1 探頭及楔塊參數設置

表2 不同折射角度波束在楔塊中的傳播距離 mm

為了便于后面的試驗，對楔塊及工件的聲速進行了測定，楔塊中縱波聲速ci=2 330 m·s-1，工件中的橫波聲速ct=3 231 m·s-1。根據測定的聲速及表1，2中對應的參數，利用式(2)，(3)計算得到設置A和設置B中不同折射角度波束的近場深度(見表3)。

通過對計算得到的數據進行分析，發現雖然兩組設置中不同角度波束在楔塊中的傳播距離較為接近，但設置B采用的是頻率更大的7.5 MHz探頭，且其晶片中心距為1.0 mm，與設置A相比，其激活孔徑更大，近場深度也更大。不同折射角度波束在工件中的近場深度如表3所示，可見65°和70°對應的設置A的近場深度出現了負值，說明兩條波束的近場均在楔塊內部。

表3 不同折射角度波束在工件中的近場深度 mm

3 TCG校準試驗

為能有效地對比以上兩項設置的近場深度對TCG校準的影響，設檢測工件厚度為20 mm，焊縫一側PAUT扇形掃描覆蓋如圖3所示，可見扇形掃描中最小的角度40°通過一次底面反射能夠覆蓋探頭同側熱影響區的位置，40°～60°波束范圍通過一次底面反射覆蓋了表面以下大部分焊縫及熱影響區，轉換成超聲傳播的實際深度，二次波有效檢測深度為20～40 mm；扇形掃描中61°～70°大角度波束利用直射法檢測焊縫根部及以上區域，一次波的有效檢測深度為0～20 mm。結合表3可以發現，設置A中各個角度的有效檢測深度均在近場以外；而在設置B中，除70°波束的有效檢測深度在近場附近，其余角度范圍的有效檢測深度均在近場以內。

圖3 20 mm厚焊縫一側PAUT扇形掃描覆蓋示意

按照20 mm工件厚度，二次波檢測應能覆蓋2倍板厚即40 mm深的位置，按照檢測標準要求TCG校準深度應不少于40 mm。TCG是一種補償曲線，實際操作過程中一般至少添加3個點保證曲線的平滑，且在NB/T 47013.15 標準中有明確的TCG校準點數量要求，要求校準所使用的參考反射體一般不少于3個不同深度點，因此，在滿足40 mm深校準范圍的條件下，分別選擇2種TCG校準點添加方案，第一種校準點(深度，下同)選擇為10，30，40 mm，TCG校準完成后測量未校準的20 mm橫通孔的波幅；第二種校準點選擇為10，20，40 mm，TCG校準完成后測量未校準的30 mm橫通孔的波幅。

此外，考慮到相控陣超聲有聚焦設置，而焦點的設置對超聲波束聲場能量分布存在影響，因此對比試驗時加入聚焦與非聚焦的對比。聚焦設置時將焦點設置在最大探測深度40 mm處；非聚焦設置時將焦點設置在深度500 mm處(儀器無法選擇不聚焦，因此將聚焦深度設置在足夠遠處)。為了避免存在損壞晶片以及其他設置參數對試驗結果的影響，分別對兩個相控陣探頭進行了晶片檢查，逐個激活晶片確認2組設置所用探頭無損壞晶片，兩組設置的電壓均為80 V，脈沖寬度均設置為1000/2f(f為探頭標稱頻率)，均以探頭主頻設置帶通濾波及平滑濾波。

3.1 聚焦深度40 mm的TCG校準結果(設置A)

按照既定的試驗內容，將設置A對應的相控陣探頭連接到PAUT主機上，按照表1內容安裝對應的楔塊，并在軟件中輸入相應的設置參數，設置聚焦深度為40 mm，激勵電壓為80 V，脈沖寬度為100 ns，5 MHz帶通濾波及平滑濾波。

使用RB-3試塊上的深度為10，30，40 mm的φ3 mm橫通孔添加3個TCG點，將所有角度在3個點的波幅均校準至滿屏高度的80%±5%，校準結果如圖4所示。

圖4 設置A中聚焦深度40 mm的TCG校準結果

TCG校準完成后，將探頭移至非TCG校準點的20 mm深橫通孔上方，前后移動探頭找到每個角度在橫通孔處的最高反射回波(見表4)。

表4 非校準點20 mm深橫通孔不同角度的回波波幅

3.2 其他試驗結果

考慮到試驗過程相似，不對其他試驗過程進行贅述，參考3.1節，分別完成其他試驗內容。為使數據對比結果更加直觀，將試驗1至8得到的全部數據統計記錄在表5中，并通過計算得到所有非TCG校準點波幅與校準目標參考水平80%波幅的dB差，一同記錄在表5中。

表5 TCG校準試驗數據

試驗2：設置A，聚焦深度40 mm，校準點為10，20，40 mm，記錄非校準點30 mm波幅。

試驗3：設置A，聚焦深度500 mm，校準點為10，30，40 mm，記錄非校準點20 mm波幅。

試驗4：設置A，聚焦深度500 mm，校準點為10，20，40 mm，記錄非校準點30 mm波幅。

試驗5：設置B，聚焦深度40 mm，校準點為10，30，40 mm，記錄非校準點20 mm波幅。

試驗6：設置B，聚焦深度40 mm，校準點為10，20，40 mm，記錄非校準點30 mm波幅。

試驗7：設置B，聚焦深度500 mm，校準點為10，30，40 mm，記錄非校準點20 mm的波幅。

試驗8：設置B，聚焦深度500 mm，校準點為10，20，40 mm，記錄非校準點30 mm的波幅。

4 試驗結果分析

對得到的數據進行對比和分析，結果如下。

(1) 設置A所有檢測角度的有效檢測深度(假設工件厚度為20 mm)均在近場外，當聚焦深度設置在500 mm時(試驗3和4)，在非校準點處得到的回波波幅與參考波幅80%的dB差最大值分別為2.3 dB和2.9 dB，聲壓變化較為規律；當聚焦深度設置為40 mm時(試驗1和2)，在非校準點處得到的回波波幅與參考波幅80%的dB差最大值分別為3.2 dB和4.3 dB，顯然聚焦點設置在檢測區域內或附近時，檢測區域內聲場能量分布發生變化，與試驗3和4相比，試驗1和2在非校準點的靈敏度補償精確度有所下降。

(2) 設置B中所有檢測角度的有效檢測深度(假設工件厚度為20 mm)在近場以內或近場附近(70°)，當聚焦深度設置在40 mm時(試驗5和6)，在非校準點處得到的回波波幅與參考波幅80%的dB差最大值分別為4.5 dB和7.4 dB；當聚焦深度設置在500 mm時(試驗7和8)，在非校準點處得到的回波波幅與參考波幅80%的dB差最大值分別為4.9 dB和5.6 dB。分析數據說明盡管相控陣超聲能夠通過延遲控制每個晶片波束的干涉疊加，但近場內聲壓分布不均會導致波束能量變化較大，此時無論焦點設置在檢測區域內還是非聚焦模式，制作的TCG曲線均無法對非校準點深度進行有效增益補償，檢測靈敏度差異較大。

(3) 不同標準中對于靈敏度變化的要求如表6所示，兩份國內標準要求靈敏度變化不大于3 dB時，無需采取措施或僅使用軟件進行糾正；ISO標準中要求靈敏度變化不大于4 dB時，無需采取措施，可用軟件糾正。結合標準對靈敏度變化的要求，試驗數據中僅設置A聚焦深度在500 mm時的數據(試驗3和試驗4)滿足標準的核查要求。以國內標準要求的±3 dB為參考線，可以更加直觀地看到不同設置或操作方法導致各個角度TCG校準補償準確度的差異。試驗波幅與參考波幅80%的dB差值曲線如圖5所示。

表6 不同標準中對靈敏度變化的要求

圖5 試驗波幅與參考波幅80%的dB差值曲線

5 結論

通過計算2種典型相控陣探頭的近場區長度，并進行試驗對比了不同設置和操作方式下的TCG校準在非校準點位置的靈敏度核查結果，驗證了近場區和聚焦設置均會影響相控陣超聲檢測聲束能量的分布，由于近場內存在極值變化，衰減的非線性會直接影響TCG校準補償的精確度和有效性。

目前，無論是PAUT設備還是波束模擬軟件均沒有說明當前設置下的近場，且檢測標準中也沒有對TCG添加點深度間隔的要求，實際檢測中通常僅對TCG校準點的靈敏度進行核查，因此極易忽略TCG曲線在非校準點深度的補償有效性。分析試驗結果可以發現，在相控陣超聲工藝制定時，了解并計算選用設置下的近場深度是十分必要的。當檢測區域在近場以外，而聚焦深度設置在檢測區域附近時，會造成檢測區域內聲場能量分布的變化，添加TCG點的深度間隔不應過大；當檢測區域在近場以內時，不應局限于3個TCG點的最少添加要求，應結合檢測厚度控制TCG校準點的間隔，確保TCG校準曲線能夠有效補償到檢測區域的各個深度，保證相控陣超聲檢測靈敏度的一致性。