Page 74 - 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

增大,“ 个” 字型声场愈来愈明显, 而当阵元尺寸很小 际的孔径大小与声束在涡轮盘中的聚焦情况。虽然
时, 阵元能量不足以在远距离实现聚焦。为保证涡 N=4 时, 声束几乎不出现旁瓣, 但是其聚焦点并未
轮盘中不出现明显的“ 个” 型声场, 并且声速能实现 达到指定点; N =8 或 N =16 时, 超声波在工件中

远距离聚焦, 宜采用a=0.4 mm , d=0.5 mm 的阵 可以很好地聚焦, 但会产生一定程度旁瓣和栅瓣, 因

元尺寸。在选择激发阵元 N 时, 应该考虑涡轮盘实 此阵元的选择需要根据具体工艺试验来确定。

图 6 不同激发阵元个数及阵元尺寸的声场分布( CIVA 仿真结果)
2.3 检测频率对声场分布的影响 展相较于激发频率为10MHz时的较小。因此, 应该

在设计相控阵探头参数时, 对于频率的选择十 综合考虑探头的聚焦能力、 分辨力与超声波衰减情况
分重要, 换能器频率的大小决定了其检测能力的高 等因素来设计探头参数, 在保持良好的探头分辨力前
低。较高的频率能使检测灵敏度增大, 聚焦点变小, 提下, 适当增加阵元个数提高探头的聚焦性能。
但同时超声波的衰减也将变大, 也容易产生栅瓣与
3 凸面相控阵缺陷响应
旁瓣; 较低的频率能使超声波传播得更远, 但限制了
检测灵敏度。 根据上述对凸面相控阵探头的声场分析与优

现 选 取 阵 元 宽 度 为 0.4 mm , 阵 元 间 距 为 化, 为满足孔直径为 16 mm , 厚度为 52.5 mm 的航
0.5mm , 长度为 10mm , 偏转角为 0° 的相控阵参数 空涡轮盘结合层的检测要求, 选择阵元个数为 8 , 阵

对阵元数分别为 4 , 8 , 16 的凸面相控阵探头进行仿 元尺寸a 为 0.4mm , d 为 0.5mm 。根据 1mm 标

真, 选 取 焦 点 位 于 涡 轮 盘 深 度 ( 由 内 孔 向 外 ) 为 准当量以上缺陷的分辨率要求, 结合声场仿真结果,

52.5mm 处, 分 别 对 频 率 为 3.5 MHz , 5 MHz , 选取激发频率为 5 MHz 。现通过 CIVA 软件对该
10MHz进行声场仿真, 仿真结果如图 7 所示。 涡轮盘缺陷响应进行模拟仿真, 在结合层处预制了

从图 7 可以看出, 选择激发频率为 10 MHz时, 位于外轮廓的直径为 1mm 平底孔缺陷。仿真缺陷
可以实现在指定焦点区域的聚焦, 聚焦效果较好, 但 响应结果如图 8 所示。
是不可避 免 地 出 现 旁 瓣 和 栅 瓣; 选 择 激 发 频 率 为
4 检测结果及分析

3.5MHz时, 声束几乎不扩散, 只产生轻微的旁瓣,
但聚焦能力较差, 无法在预定焦点处实现声束聚焦; 4.1 超声激励接收系统
选择激发频率为 5MHz时, 也会产生一定程度的旁 试验设备为 SUPOR-32P 型超声检测成像仪,

瓣, 激发阵元越多, 产生的旁瓣越严重, 但该频率能 相控阵探头经委托汕头超声仪器研究所进行制造,
实现声束在指定焦点处的聚焦, 并且产生的声束扩 最终得到如图 9 所示的专用凸面相控阵换能器。
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2021 年 第 43 卷 第 2 期

无损检测