Page 71 - 无损检测2022年第四期

宋双官,等:
不同激活孔径和聚焦深度对相控阵超声横波检测灵敏度的影响

( 4 )试块: CSK-IIA-3 试块, 目标反射体为不同 钢中折射波的波长; α 为声束在楔块中的入射角;
β
深度的 ϕ 2mm×60mm 长横孔。 为声束在钢中的折射角; L 1 为楔块中波源到声束入

( 5 )耦合剂: 机油用于楔块与工件的耦合, 凡士 射点的长度。
林用于探头和楔块的耦合。 需要根据楔块参数进行计算, 因为试验中所
L 1
2.2 试验过程 有激发方式均相对探头中心线对称, 所以只需要计算
采用 8 , 16 , 32 mm 等 3 种激活孔径进 行检测 , 其计算公式为

探头中心处距声束入射点的距离L 1
试验。
H 1 +Asinα / 2
L 1 =
( 2 )
试验分为 3 组, 第一组试验分别采用 8 mm× cosα
1mm 和16mm×0.5mm 激活设置, 激活孔径均为 式中: H 1 为楔块上第一晶片高度; A 为探头的总激

8mm ; 第 二 组 试 验 分 别 采 用 16 mm×1 mm 和 活孔径。

32mm×0.5mm 激活设置, 激活孔径均为 16mm ; 通过上述计算得到 'N 后, 用三角函数计算即

第三组试验采用 32 mm×1 mm 激活设置, 激活孔 可得到近场区深度

径为 32mm 。
N
D N = ' · cos β ( 3 )
为了避免不同孔径尺寸的声束在楔块内传播的 经计算, 3 组不同激活孔径下钢中近场区长度
声程变化, 所有组的激活孔径均以探头中心为中心 及深度如表 1 所示。

对称分布, 如8mm×1mm 的激活孔径是激发5L32- 表 1 3 组不同激活孔径下钢中近场区

A32探头的13~20号晶片, 16mm×0.5mm 的激活 长度及深度 mm
孔径是激发5L64-A32探头的25~40号晶片。
激活孔径 近场区长度 近场区深度
通常的横波检测是有角度范围的扇形扫查, 不 8 15.1 8.7
同角度的聚焦效果、 灵敏度等也有差异, 不便于直接 16 43.1 24.7
比较。试验 使 用 的 是 自 然 折 射 角 为 55° 横 波 的 楔 32 99.1 56.9
块, 因此测量的是无需电子偏转的 55° 横波下的灵敏 3.2 相同激活孔径下聚焦深度对灵敏度的影响

度。同时为了避免不同楔块磨损程度不同等因素带 图5为第一组8mm 激活孔径下, 检测灵敏度与

来的灵敏度差异, 两个探头使用了同一个楔块。 聚焦深度的关系; 图6为第二组16mm 激活孔径下,

第一组激活孔径尺寸较小, 分别聚焦在 10 , 20 , 检测灵敏度与聚焦深度的关系; 图7为第三组32mm

40mm 深处, 检测 1 , 20 , 40 , 60 , 90mm 深的目标反 激活孔径下, 检测灵敏度与聚焦深度的关系。图 5~
射体。 7中点的高度越高, 代表该点达到80%高度时所需增
后两组激活孔径尺寸较大, 分别聚焦在 20 , 40 , 益越大, 检测灵敏度越低。

60 , 90 , 130 , 180 mm 深处, 检测 10 , 20 , 40 , 60 , 90 ,

130 , 180mm 深处的目标反射体。
将每 个 目 标 反 射 体 回 波 调 整 至 满 屏 高 度 的
80% , 记录增益并以此作为检测灵敏度。每个点测
试 3 次, 求其平均值作为该点的灵敏度。
3 试验结果及讨论
3.1 近场区计算
尽管笔者在设置聚焦深度时并未考虑近场区的
问题, 但近场区长度对分析实际测定的数据仍有很
大意义, 因此首先进行了近场长度及深度计算。在
不使用电子偏转条件下, 可使用常规超声横波斜探
头对第二介质中的近场区长度进行计算 [ 3 ] , 如式( 1 )

F s cos β tan α
'=
N · -L 1 ( 1 ) 图 5 8mm 激活孔径下检测灵敏度与

πλ s2 cosα tan β
为 聚焦深度的关系
式中: 'N 为钢中近场区长度; F s 为波源面积; λ s2
7
3
2022 年 第 44 卷 第 4 期
无损检测