Page 80 - 无损检测2023年第十二期

曹永朋, 等:

水浸超声聚焦探头性能测试及声场可视化研究

置。即, 水浸超声检测技术具有高灵敏度、 高分辨 探头标称频率为 10 MHz , 主要应用于直径小于

率、 易于实现自动化的优势, 对聚焦声场的有效测量 10mm 棒料的微小缺陷检测 [ 12 ] , 探头晶片直径为
与控制将利于其检测性能的进一步提高。水浸超声 9.53 mm ; 理 论 场 深 为 37.6 mm ; 焦 点 直 径 为

波聚焦检测的专用探头是形成高性能检测声场的关 1.2mm ; 标称焦距为76.2mm 。

键, 对检测灵敏度、 检测精度、 分辨率等重要性能参 1.2 测试平台搭建
数有直接影响 [ 9-11 ] 。探头性能、 发射声场特性及其 测试平台由工控机、 数据采集卡、 运动控制模
测试方法已成为航空零部件无损检测工程应用的重 块、 三维扫描架、 脉冲发射接收仪、 显示器、 水槽、 球
点关注内容。 靶支杆、 探头接头、 示波器、 信号线三通接口等组成;
搭建了一套评估探头性能及发射声场的综合测 其中, 高速数据采集卡安装于工控机内, 采样率为
试平台, 按照国际通用标准开展测试工作, 基于测试 250MHz , 采样精度为 12bit ( 位)。脉冲发射接收

数据分析探头性能参数对发射声场的影响, 分析了 仪激励超声波探头发射超声波并在水中形成聚焦声
探头检测能力及其影响因素并进行对比试验。试验 场, 三维扫描架可带动安装于支杆上的球靶沿 -z
y
结果表明, 超声探头特性测试值及可视化声场能够 面( 声束截面)、 x-z ( 声束轴向剖面) 作平面运动, 探
反映其检测能力, 提出的测试分析方法对评估水浸 头接收的球靶反射回波与球靶所在空间位置的超声
超声检测探头的发射声场和检测能力、 避免探头性 波声压幅度呈正相关, 故球靶反射回波幅度可用于
能退化引起的缺陷误检和漏检、 优选高性能探头及 表征声场分布 [ 13-14 ] 。此外, 脉冲发射接收仪通过三

探头辅助设计具有重要的作用。 通接头与探头、 示波器相连, 可完成回路增益灵敏度
的测量。测试前应调整探头使探头发射声束主轴垂
1 测试平台搭建与测试方法
直于 -z 平面。探头性能及声场分布综合测试系
y
1.1 待测水浸聚焦探头及其声场影响因素 统组成如图1所示。
选择3只短场深、 高分辨率探头作为被测探头,

图1 探头性能及声场分布综合测试系统组成

1.3 测试方法 球反射体; 相对于探头, 较小体积的钢球在水中运动
设备的校准应满足标准ISO10012 — 2003 《 测 对静态水和水中声压的扰动更小。

试管理系统 - 测量过程和测量设备的要求》, 测试标 笔者首先进行轴向声压分布成像, 利用钢球在

准参考标准 ASTME1065 / E1065M — 2014 《 评定超 x-z 面内以“ Z ” 字型作往返步进扫描, 在扫描路径上

声波探测装置特性的标准规程》。 以0.2mm 为间隔采集球靶反射回波信号; 探头 A 、 B
1.3.1 声场可视化及特征测试方法 和 C 的轴向扫查范围分别为 167.5mm×4mm 、

对探头发射声场的截面和轴向声压分布进行可 165mm×4mm 和190mm×4mm ( x 方向 ×z 方

视化成像处理, 可测定焦距、 场深、 焦点直径及不对 向)。基于钢球反射回波的波幅及其空间位置信息可

称度等参数。球靶为直径3.18mm ( 1 / 8英寸) 的钢 进行轴向声压分布成像, 并测定焦距及场深。水中焦
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2023年 第45卷 第12期
无损检测