加楔块超声相控阵的聚焦特性测试

2012-07-01 11:38刘晓睿强天鹏邬冠华
无损检测 2012年11期
关键词:楔块声束晶片

刘晓睿,强天鹏,邬冠华

(1.苏州热工研究院有限公司,苏州 215004;2.江苏省特种设备安全监督检验研究院,南京 210003;3.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室,南昌 330063)

1 相控阵聚焦原理

超声相控阵区别于常规超声的两个重要特性是声束偏转和聚焦。所谓“声束聚焦”是指由于各个晶片距离焦点的声程不同,通过改变晶片间的延时时间,让距离焦点远的晶片先发射信号,而距离焦点近的晶片后发射信号,从而使各个晶片发射的信号同时到达焦点,并在一个小区域内 形成一个高强度声场。假设晶片间的距离为p,聚焦深度为F,介质中的声速为c,则各个晶片的延时时间为:

式中n为晶片序号;t0是为了防止出现一个负的延时时间而设置的时间常数。

2 安装楔块条件下相控阵聚焦能力测试

2.1 测试装置

试验使用的仪器是OLYMPUS公司的OmniScan MX 32:128便携式相控阵检测仪,利用TomoView软件进行数据判读。采用的探头是5L64A2,共有64个晶片,晶片间的距离(pitch)为0.6mm。采用的试块是 ASTM E2491—2008[1]附录中的图A1.1所示的试块,试块中横孔为φ2mm×25mm,相邻孔深度和水平间距均为5mm。此项试验中采用特定角度编码器B扫,安装的楔块是SA2-N55S,折射角度为55°,激发晶片数量是8个、16个和32个,设置的聚焦深度为:10,50,100,150,200mm。

试验条件基于ASTM E2491—2008的附录1,测试相控阵的偏转和聚焦能力,在扫查上使用带编码器线扫。试块及扫查示意见图1。

2.2 近场区计算结果

利用公式:

式中Neff——近场长度;

k矩形——近场长度修正系数;

L——探头长度;

β——声束折射角;

α——声束入射角;

L斜楔——楔块中声程;

v试件——试件声速;

v斜楔——楔块声速。

计算得到不同晶片数和不同折射角的探头的近场区见表1。

图1 相控阵聚焦能力的测试

表1 带有楔块的相控阵探头在工件中的近场区 mm

此次试验激发的起始晶片都是探头的第一个晶片,从表1的数据可以看出,由于激发孔径的近场区是一定的,斜探头加装楔块后,楔块中声程占据了一部分近场区。在激发8个晶片时,近场区都在楔块中,激发16个晶片时,近场区也基本在楔块中,工件中的近场区范围非常小。激发32个晶片时,工件中有一定的近场区,其值随着扫查角度的增大而减小。

2.3 试验结果

试验中利用6dB法测量焦点尺寸,当波幅太低且无法用6dB法测量时,结果用“不能分辨”注释。图2~4、表2给出了加装楔块后的聚焦能力测试结果,此处省略了聚焦深度为150mm的数据。

2.4 分析

通过以上表格中的数据可以看出,不管是激发8个、16个还是32个晶片,同聚焦深度下,角度45°时聚焦焦点最小,聚焦声束最均匀,聚焦效果最好,其余依次是35°,60°和70°。

图3 激发16个晶片不同聚焦深度不同偏转角度的聚焦能力

在8个晶片激发状态下,不同角度相同聚焦深度设置下,聚焦效果基本上相同;在16个晶片激发状态下,只有聚焦深度在10mm时焦点才小于2倍孔径,聚焦深度50,100,200mm下聚焦声束基本相同,且焦点大小都超过2倍孔径;在32个晶片激发状态下,只有聚焦深度在10和50mm时部分角度的焦点小于2倍孔径,聚焦深度100,200mm下聚焦焦点都超过2倍孔径。

在8个晶片激发状态下,所有的结果都不能在所设定的位置聚焦,深度越小焦点越小,深度越大焦点越大,焦点大小都超过2倍孔径;在16个晶片激发状态下,所有的结果都不能在所设定的位置聚焦,不同角度下最小焦点的实际深度只能达到15~30mm;在32个晶片激发状态下,所有的结果实际最小焦点的聚焦深度都小于所设置的聚焦深度,相同的聚焦深度不同角度设置下,角度越小,最小焦点的实际聚焦深度越大。

另外,在16个晶片激发状态下,聚焦深度超过50mm时,改变聚焦深度对聚焦声束改变不明显,在32个晶片激发状态下,聚焦深度超过100mm时,改变聚焦深度对聚焦声束改变也不明显。

图4 激发32个晶片不同聚焦深度不同偏转角度的聚焦能力

表2 加楔块激发不同晶片数的相控阵聚焦的焦点尺寸1) mm

续表2 mm

3 结论

(1)楔块对聚焦能力的影响主要是声束角度和声程(延迟),因此不同的楔块可以改变探头的角度覆盖范围和实际焦点深度,相比无楔块的设置,加装斜楔块进行横波检测时,大部分近场区都在楔块内,工件中近场区很小,致使工件中聚焦能力变差,聚焦范围变小。在相同激发晶片数的情况下,角度越小,在工件中的近场区就越大。在激发晶片数为8和16时,随着角度的增大,聚焦能力变弱。在激发16和32个晶片时,除非聚焦深度过大,一般小角度有较好的聚焦能力。

(2)激发晶片数量越多,聚焦能力越强,能获得的焦点尺寸会越小,实际焦点深度会越大。

(3)焦点尺寸随聚焦深度的增加而增大。随着激发晶片数量的增加,工件中的聚焦能力变强,聚焦范围变大,但是在激发晶片数量过大(激发32个晶片)时,由于晶片孔径的原因,导致深度较浅的孔连在一起,无法分辨。

(4)同样激发晶片数量的情况下,实际焦点尺寸与楔块的角度以及声程有关,同声程时设置角度越接近楔块角度,实际焦点越小;同角度情况下,声程越小,实际焦点越小;二者当中,声程对焦点尺寸的影响大于设置角度的影响。

(5)设置角度越接近楔块的主声束角度,声束越均匀,分辨率更好。

[1]ASTM E 2491—2008 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems[S].

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