基于衍射波的孔类缺陷超声相控阵定量方法研究

陆铭慧　潘文超　刘勋丰

（南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室　南昌　330063）

基于衍射波的孔类缺陷超声相控阵定量方法研究

陆铭慧潘文超†刘勋丰

（南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室南昌330063）

针对常规超声检测方法对小孔型缺陷难以准确定量的问题，利用超声相控阵的声束偏转聚焦和成像技术，基于固体中横孔对声波的衍射特性，提出采用一次反射回波和衍射回波来确定孔类缺陷的直径尺寸。首先，利用动态光弹系统对声波入射横孔的传播规律进行研究，分辨出一次反射回波与衍射回波。其次，采用超声相控阵系统对不同深度下孔径分别为φ1 mm、φ2 mm、φ3 mm、φ4 mm以及同一深度下孔径差值为0.2 mm的等差横孔进行定量实验。研究结果表明利用本文提出的定量方法能快速有效的确定孔型缺陷直径尺寸，对相控阵的定量问题研究具有一定的参考价值。

衍射波，超声相控阵，定量

1　引言

工业超声相控阵技术［1］出现在上世纪80年代，发展迅速，并以其独特的优势在核工业、航空航天等领域得到了广泛应用。目前，超声相控阵技术已经是声学无损检测的重要方法之一，其独有的声束偏转、聚焦特性能够对各种复杂构件形成声束覆盖，能够有效、快速的对构件进行检测［2］，实现构件内部缺陷的定位、成像等。但是，目前关于超声相控阵检测的缺陷定量问题仍然没有有效的方法。

意大利G.Nardoni，M.Certo等人［3-4］对超声相控阵检测缺陷定量方法进行了研究。以横孔代表典型的体积型缺陷，割槽代表典型的面积型缺陷，利用缺陷的反射回波和衍射回波的幅值比对缺陷进行定性。本文参考G.Nardoni和M.Certo的研究方法，以横孔模拟孔型缺陷，利用动态光弹技术［5］对声波在横孔处的衍射规律进行研究，并基于超声相控阵检测技术，提供了一种用于超声相控阵检测孔类缺陷的定量评价方法。

2　超声相控阵技术的特点

超声相控阵检测技术作为一种新型的特殊无损检测技术，相比于常规的超声检测技术，它具有如下特点：

（1）发射/接收方式的改变。超声相控阵检测技术采用阵列式换能器，多个换能器阵元按一定形状、尺寸排列，构成超声阵列换能器。采用多阵元的阵列式换能器，可以发射能量更强，范围更广的超声波束，检测灵敏度和定位精度也比常规方法高［1］。此外，多阵元的换能器设计可以接收到常规方法接收不到的微弱的回波以及衍射回波，通过相控阵特有的S扫描成像，可以很容易的观察到这些微弱回波的存在。

（2）声场工作区域的改变。常规超声检测方法工作在声场的远场区，且远场区的声场能量分布随距离的增加而逐渐衰减，因而可以利用回波幅值特性对缺陷进行定量评价。但回波幅值反映的是反射面积的大小，并不是缺陷的真实尺寸。超声相控阵技术则工作在声场的近场区，发射的子波束在近场区干涉，形成聚焦区域，提高检测灵敏度，但接收波幅值的大小不能真实反映孔类缺陷面积（尺寸）的大小。

因此对于孔型或体积较小的缺陷，采用超声相控阵进行检测，可以利用缺陷的衍射回波对缺陷进行定量，计算出缺陷的真实尺寸。

3　固体中横孔的声波衍射现象

由声波的衍射［5］可知：当声波传播遇到障碍物时，会发生反射、衍射和散射现象，衍射现象的强弱与波长及障碍物的尺寸有关。当横孔直径远远小于波长时，衍射强，反射弱；当横孔直径远远大于波长时，衍射弱，反射强。中科院应崇福教授等人利用光弹系统观察到：平面横波入射到横孔空腔时，将发生有趣的“爬波现象”［6-7］。入射波自上往下传播，碰到孔壁时，大部分声波被反射，当声波到达横孔圆周上切点以后，入射波一部分继续照直前行，另一部分则沿腔壁向阴影区绕行，沿孔壁爬行，该声波被称为爬波。爬波绕着空腔传播，同时还向介质内辐射声波，使几何阴影区充满了声波。图1～2是在实验室利用动态光弹系统观察到的横波斜入射到横孔空腔的不同时刻的声场图。

图1　光弹观测到的横孔对平面横波的散射现象Fig.1 Scattering observation of cross-drilled hole by the photoelastic system

图2　爬波在横孔的传播Fig.2 Propagation of creep wave in cross-drilled hole

入射平面波由上向下传播，开始接触孔壁时入射角为0°，横波在孔壁发生反射，产生镜面反射回波；部分声波继续向前传播，与孔壁的交角不断改变直到扫完上半圈接触到横孔空腔左右两个端点，此时入射角为90°，即与孔壁相切，这时波前与孔壁垂直，形成掠入射，波形转换产生爬波，如图1所示。在图2（a）可以看到，在阴影区爬波的波前仍是垂直于孔壁前进，前进方向随孔壁的法线方向不断调整，表现为环孔的爬行，同时向介质内辐射声波，在阴影区沿孔壁爬行的辐射横波与不受阻挡的入射横波波前连接［7］。图2（b）可以清晰的看到，爬波经过圆孔下顶点后仍继续绕孔壁爬行，同时向介质内辐射声波。本文旨在通过接收到的一次反射回波与爬波辐射回波之间的差值来确定孔径大小。

4　超声相控阵测量孔径理论模型

对于横孔，超声相控阵技术能够接收到缺陷的反射回波与爬波辐射回波，因此，可以利用横孔的一次反射回波与爬波辐射回波之间的关系来确定缺陷直径尺寸。S扫视图是超声相控阵特有的显示方式，它将通道内所有A扫信号经过延时和折射角校正后得到二维图形显示。在扇形扫描图像上，这种爬波辐射回波总是跟在反射回波之后，且沿声束轴线方向，因此能计算出一次反射回波和爬波辐射回波的声程。爬波辐射回波是由于爬波沿着横孔传播产生的，当声波传播到与横孔相切位置时产生爬波，爬波沿着横孔传播，绕过横孔的同时向介质内辐射声波，当爬波传播到另一侧与孔径相切时，探头能接收到的辐射声波最强，在相控阵的扇形扫描视图上显示为紧跟反射波的一个斑点，如图3，在A扫描波形图中也可以看到，只是幅值比反射波要低得多，如图4所示。声波与横孔的作用过程简化模型如图5所示。

由此，利用横孔的一次反射回波与爬波辐射回波可对孔径进行定量评价。

设一次反射回波声程为S1，爬波辐射回波的声程为S2，二者的声程差为ΔS，缺陷的直径为φ，则二者的声程差在数值上近似等于横孔周长的一半。由此可计算得到横孔尺寸为

图3　直径φ3 mm横孔相控阵扫查示意图Fig.3 The scanning of φ3 mm cross-drilled hole by phased array UT

图4　φ2 mm横孔一次反射回波与爬波辐射回波的A型显示波形Fig.4A-scan waveform of reflected echo and creep wave of φ2 mm cross-drilled hole

图5　横孔的声波散射简化示意图Fig.5 Simplified schematic of acoustic scattering diagram in a cross-drilled hole

由于爬波是入射波发生波形转换后产生的，爬波具有频散特性，其速度不同于横波或瑞利波速度，取决于“kr”，即波数与孔径的乘积，所以需要对该公式进行修正。声波的速度与材料的特性相关，不同的材料，其修正系数也不一样。设入射波的声速为CT，爬波的声速为CP，CP=KCT，由此得

φ1=Kφ=K·0.64ΔS.（3）

该公式计算的结果即为修正后横孔的直径尺寸。对于修正系数K值的确定，亦即爬波的声速确定，可以利用声光延时设备，记录时间差的方法测定［7］。实际应用过程中，可以通过实验和计算取一个经验值来替代。

5　相控阵测量孔径方法实验研究

采用汕头超声仪器研究所SIUI supor-32p超声相控阵检测仪。探头频率4 MHz，阵元数量16，晶片间距0.5 mm，楔块角度为36°，楔块材料为有机玻璃。扫描方式为横波扇形扫描，角度范围35°～70°。参考CSK-IIIA试块的几何尺寸，制作孔径分别为φ2 mm、φ4 mm的横孔试块（CSK-IIIA代替φ1 mm横孔、RB-2代替φ3 mm横孔），对不同深度的横孔进行定量试验。图3所示直径为φ3 mm，埋深50 mm的扫查示意图，图像显示方式为S+A。

图3中所示为平面横波入射到深度为50 mm，直径φ3 mm的横孔所产生的镜面发射回波与绕着横孔传播的爬波辐射回波。通过测量两者之间的声程差ΔS，来定量横孔直径φ的大小。图3所示一次反射回波的声程为S1=81.6 mm，爬波辐射回波声程S2=86.3 mm，两者声程之差即为爬波绕着空腔传播的距离ΔS，由此得ΔS=4.7 mm，利用公式（2）得定量结果为3.008 mm。

对不同埋深，孔径分别为φ1、φ2、φ3、φ4的横孔进行扫查，经过公式（2）计算之后，φ2横孔衍射波定量结果如表1所示，其余定量结果如图6所示。

表1　φ2 mm横孔不同深度衍射波定量结果Table 1 The different depth quantitative results of φ2 mm cross-drilled hole by diffracted echo

为了分析定量的准确性与孔径大小的关系，制作深度分别为Da=20 mm和Da=30 mm，孔径为φ0.8 mm～φ4.8 mm，差值为φ0.2 mm的等差横孔。在相同的条件下，利用类似的方法对横孔进行定量，定量结果如表2～3所示，对结果进行绘图，如图7所示。

考虑试块的制作误差影响，形位公差为±0.05 mm，形位公差的相对影响范围如图8所示。对深度分别为Da=20 mm和Da=30 mm，φ0.8 mm～φ4.8 mm等差横孔的定量结果的相对误差进行对比，结果如图8所示。

图6　不同深度下φ1、φ2、φ3、φ4横孔定量结果Fig.6Quantitative results of φ1、φ2、φ3、φ4 cross-drilled hole in different depth

表2　深度为20 mm变孔径定量结果Table 2Quantitative results of different size cross-drilled hole in the depth of 20 mm（单位：mm）

表3　深度为30 mm变孔径定量结果Table 3Quantitative results of different size cross-drilled hole in the depth of 30 mm（单位：mm）

图7　相同深度下φ0.8 mm～φ4.8 mm的定量结果Fig.7 Quantitative results of φ0.8 mm～φ4.8 mm cross-drilled hole in the same depth

图8　定量结果的相对误差影响Fig.8 The relative errors of quantitative results

6　结论与展望

（1）实验验证了衍射波的存在与可识别性，衍射波的特性是定量准确性的关键，了解衍射波的特性即可对爬波速度做出准确预测，从而提高定量准确性。

（2）在一定深度范围内能准确的定量横孔尺寸，定量相对误差不超过10%，并且结果稳定性较好。但此方法对于尺寸较小（≤φ1 mm）的横孔的定量评价不准确，原因是孔径小，反射回波与爬波辐射回波不容易分开。

（3）利用该方法能快速、有效的计算出孔型缺陷的尺寸，对相控阵的定量评价研究具有一定的参考价值。但是文章中得出的数据是在形状、尺寸规则化的试块上得到的。但实际缺陷的形态、分布、性质以及方向等各不相同，也无法预测，从实验到实际，必有一个过渡、转变和综合的过程。现场检测人员当以实验规律为依据，指导实际评断。

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The quantitative method of hole-type defects with diffracted echo by phased array ultrasonic technology

LU MinghuiPAN WenchaoLIU Xunfeng
（Key Laboratory of Nondestructive Testing，Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

For conventional ultrasonic testing of small hole defect accurate quantitative problems，it comes up with a new method by the ultrasonic phased array beam focusing and imaging technology，based on the diffraction characteristics of acoustic wave in a solid，a reflection echo of cross-drilled hole and diffracted echo are proposed to determine the size of the cross-drilled hole.Firstly，the acoustic propagation law of crossdrilled hole in an optical glass was observed by a photoelastic system.A reflection echoes and diffraction were distinguished clearly.And then，the aperture respectively under different depth φ1 mm，φ2 mm，φ3 mm，φ4 mm and the same depth of pore size difference is 0.2 mm cross-drilled hole was tested by phased array ultrasonic system.The results show that the quantitative method proposed in this paper can quickly and efficiently determine the size of defects，which indicates that the idea provides a reference for the quantification study of phased array.

Diffracted echo，Ultrasonic phased array，Quantitation

TG115.28

A

1000-310X（2015）05-0385-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.05.002

2014-12-19收稿；2015-02-17定稿

陆铭慧（1963-），女，黑龙江人，博士，研究方向：声学无损检测技术。†

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