Page 72 - 无损检测2022年第四期
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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
20mm 处更高。造成这种现象的一种可能原因是
近场区内声束能量较为均匀, 聚焦带来的灵敏度增
加并不明显, 同时由于 10mm 处声程近, 衰减小, 因
而波幅反而高于焦点处的。除了聚焦 20mm 外, 其
他所有聚焦深度中均是 20mm 孔深处灵敏度最高。
其原因如表 1 所示, 激活孔径为 16 mm 时, 近场区
终点深度 为 24.7 mm , 意 味 着 未 聚 焦 的 声 束 在 深
24.7mm 处声压达到最大值, 因此当聚焦设置在近
场区之外时, 深度为 20mm 的孔附近灵敏度最高。
另一个值得注意的现象是, 聚焦在 20mm 的声
束在远场区域的灵敏度明显低于其他声束, 而且曲线
倾斜程度更大。也就是说, 当聚焦在近场区内时, 焦
点附近可以获得更高的灵敏度, 但是在越过焦点之
后, 声束的能量降低得也更快。
第三组只有激活孔径为 32mm×1mm 的一组
图 6 16mm 激活孔径下检测灵敏度与
数据, 可以看到, 由于激活孔径增大, 该组的聚焦效
聚焦深度的关系
果更加明显, 当聚焦深度为 20mm 时, 孔深 20 mm
处的检测灵敏度较同曲线其他孔深及不同聚焦深度
的20mm 孔深处的检测灵敏度都有了 10dB 以上
的显著提升, 同时可以看出, 聚焦 40mm 深处时, 孔
深 40mm 处的检测灵敏度也显著优于同曲线的其
他孔及其他聚焦深度的 40mm 孔深处的灵敏度。
该组近场区深度为56.9mm , 因而聚焦在60mm
以上的声束在 60mm 以外区域曲线逐渐重合, 而聚
图 7 32mm 激活孔径下检测灵敏度与聚焦深度的关系
焦在 20 , 40 , 60mm 处的曲线在越过各自焦点后, 其
第一组试验中 5L32 探头在不同聚焦深度设置
灵敏度也快速下降。与图 6 的情况类似, 当聚焦在
下的灵敏度 曲线几乎 完 全 重 合, 5L64 探 头 也 是 如
近场区以内时, 声束在越过焦点之后快速衰减, 焦距
此, 同时两幅图中曲线形状几乎完全相同, 只是图 5
越小越过焦点后的灵敏度越差。
( b ) 的数据比图 5 ( a ) 的数据整体高了大约 10dB 。
值得注意的是, 如图 7 所示, 当声束处于未聚焦
曲线几乎重合是因为当激活孔径只有 8 mm 时, 理
论上钢中 55° 的近场区深度只有 8.7mm , 聚焦深度 状态时, 其灵敏度在整个深度范围内更均匀, 意味着
无论设置为 10 , 20mm 还是 40mm , 声束均为非聚 在检测大厚度工件时, 将声束设置为未聚焦状态时
焦状态, 其声场实际上是相同的, 所以曲线形状相同。 可以在更大范围内得到较为均匀的灵敏度。
两组曲线高度有差异是由于在相同激活孔径下, 晶片 然而, 当聚焦深度为 90 , 130 , 180 mm 时, 按照
数多的探头, 晶片间隙更多, 实际的晶片面积占比更 理论计算结果, 其聚焦深度已远远超过近场区深度,
小, 造成激发能量下降, 产生了灵敏度的差异。 声束应该都是非聚焦状态, 这 3 条曲线应该是完全
第二组试验中, 图 6 ( a ),( b ) 两幅图的情况与第 重合的, 但 3 条曲线在差异最大的地方( 60 mm 深
一组试验相似, 同聚焦深度的曲线在图 6 ( a ) 中比图 度处), 增益相差了 4.7dB , 已远远超过了检测数据
6 ( b ) 中低大约 10dB , 即相同激活孔径下晶片数越 的误差范围, 但该现象尚未找到有效的解释。
多, 检测灵敏度越低。 通过对这 3 组数据进行分析, 得出以下结论。
由于该组既有近场区内聚焦也有近场区 外聚 ( 1 )观察近场区内声场的能量变化, 发现同常
规超声一样, 实测的相控阵声场并没有多个能量极
焦, 故可以对比聚焦对灵敏度带来的影响。以图 6
( a ) 为例, 当聚焦点在 20 mm 深处时, 孔深 10 mm 大值, 而是只有一个极大值或没有极大值。出现极
处的增益比 20 mm 处的更低, 意味着其灵 敏度比 大值分为两种情况: 当聚焦在近场区内时, 能量极大
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2022 年 第 44 卷 第 4 期
无损检测
