Page 73 - 无损检测2021年第二期

孙浩然, 等:

双金属结合面缺陷的凸面相控阵超声检测

径 × 壁厚) 的涡轮盘空间仿真模型, 使用声场计算模
块计算相控阵探头在涡轮盘内的超声声场, 并对相
控阵探头不同阵元激发个数、 不同阵元间距以及频
率进行仿真。考虑到涡轮盘内径较小, 为保证相控
阵探头在涡轮盘内的使用性能, 初步设计圆柱形凸

面相控阵探头直径为 15mm , 阵元间距为 0.5mm 。
2.1 激发阵元个数对声场分布的影响
综合考虑相控阵换能器的横向分辨率、 纵向分
辨率与检 测 灵 敏 度 的 要 求, 按 照 镍 基 合 金 声 速 为
6078m · s , 换能器半径为 7.5mm , 探头聚焦深度

-1

为52.5mm 来计算, 要求横向分辨率约为2mm , 可

, 经式( 3 ) 计算得到
以计算出换能器的中心频率 f 0
图 4 涡轮盘凸面相控阵检测原理及 A 扫波形示意
换能器中心频率约为 5.3MHz 。
,
100% , 此时在 T 1 与 B 2 中间将出现缺陷反射波 B 1 c 1 z
f 0 = ( 3 )

以该回波信号可判定涡轮盘结合层质量的好坏。
2d L a 1
由于该涡轮盘内孔直径小、 检测距离较大, 油层 式中: c 1 为声速; z 为探头聚焦深度; d L 为横向分辨
较厚, 耦合时会产生多次油 - 涡轮界面的反射回波, 为探头直径。
率; a 1

因此采用接触式检测既可以增强透射波能量, 同时 选取激发频率为 5 MHz , 阵元宽度为 0.4mm ,
界面反射回波几乎与始波重叠, 又可避免多次界面 阵元间距为 0.5mm , 偏转角度为 0° 为不变量, 将焦

波对检测信号的干扰。 点设置在距内孔 52.5 mm 处, 改变相控阵阵 元 个
数, 分别对 4 , 8 , 16 , 32 个激发阵元的声场分布进行
2 凸面相控阵 CIVA 声场仿真
仿真, 其仿真结果如图 5 所示( 图中 N 为激发阵元

利 用CIVA软 件 建 立 121mm×52.5mm ( 直 的个数)。

ϕ

图 5 不同激发阵元个数的声场分布( CIVA 仿真结果)
由图 5 可知, 激发阵元个数越多, 相控阵在涡轮 虑多种影响因素。
盘内的聚焦性能越好, 但同时由于个数增多, 该内孔 2.2 阵元尺寸对声场分布的影响
直径较小, 部分阵元能量无法偏转到指定焦点处, 在 阵元间距d 、 阵元长度 L 与阵元宽度a 统称为

主声束的基础上产生栅瓣向两边扩散, 呈“ 个” 字型。 阵元尺寸, 在这 3 个因素中, 影响相控阵聚焦的主要
由几何规律可知, 向两边扩散的超声信号行进路程 因素是阵元宽度与阵元间距。一般情况下为了尽可
与主声束超声行进的路程相等, 这会导致栅瓣信号 能抑制旁瓣, 设计换能器时应尽量使阵元宽度与阵
与主声束信号叠加并被共同接收。当激发阵元个 元间距保持一致。由于涡轮盘孔径限制, 较大阵元
数为 32 时, 声 束 产 生 严 重 的 栅 瓣; 当 激 发 阵 元 个 尺寸会使阵元个数受到限制。现选取 4 , 8 , 16 个阵
数为 16 时, 产 生 一 定 程 度 的 栅 瓣; 当 激 发 阵 元 个 元, 分别对 a=0.4 mm , d=0.5 mm ; a=0.7 mm ,

数为 4~8 个时, 产生轻微的栅瓣。基于涡轮盘结 d=0.8mm ; a=1.1mm , d=1.2mm 的3 组不同阵
构的特殊性, 为保证涡轮盘中不出现严重的旁瓣, 元尺寸进行声场仿真, 仿真结果如图 6 所示。
宜 采 用 8~16 个 激 发 阵 元, 具 体 选 择 时 应 综 合 考 从图 6 可以看出, 随着阵元尺寸与阵元间距的
9
3
2021 年 第 43 卷 第 2 期

无损检测