小球法测量超声水浸探头声场底座影响分析*

安兆亮 陈继红 陈文王 邓峥 周子炜 / 上海市计量测试技术研究院

小球法测量超声水浸探头声场底座影响分析*

安兆亮 陈继红 陈文王 邓峥 周子炜 / 上海市计量测试技术研究院

使用平面、斜面、圆锥和无底座几种类型的小球反射体，对平面超声水浸探头的远近场分界点和声束宽度参数进行了测量，分析了当下主流测试标准中小球反射法测量时底座设定的发展趋势和合理性。

小球反射法；超声水浸探头；底座；远近场分界点；声束宽度

0 引言

超声水浸探头的测量方法有小球反射法、水听器法、辐射力法、光学检测法等[1]几种，小球反射法作为最接近实际测量状况的测试方法，结构简单，成本较低，无需考虑水听器等传感器的配置，一直受到广大技术人员的喜爱，应用广泛。小球通常由球状靶、支杆和底座三部分构成，底座作为稳定部件[2]，必须有足够大的体积，同时也成为反射体，对测量会造成影响。

1 测量装置和选用的底座

装置如图 1所示。采用 ARS401超声发射接收仪作为信号提供和接收装置，电动扫描架的步进为0.1 mm。被测选用的平面超声水浸探头晶片直径为6 mm，施加在其上的信号频率为5 MHz。球靶直径都为4 mm，支杆直径1 mm，长度50 mm。实验用水为经加热去气处理的饮用水，实验过程中水温20 ℃。

小球底座选用以下几种：

1）平面底座：水声橡胶，圆盘直径100 mm，厚10 m。

2）斜面底座[3]：倾斜角度40°，材质水声橡胶，底面方形100 mm×100 mm。

3）圆锥底座：水声橡胶，半顶角40°，底面直径100 mm。

4）无底座：球靶由另一机构夹持悬与水槽中，见图2。

2 远近分界点的测量

调节被测超声水浸探头，使其沿中心轴（z轴）移动时始终对准测试水槽中的球靶，测量探头和球靶间不同距离的回波幅度，标出回波最高时对应的距离就是远近场的分界点Lf0。

图1 常规小球反射法测量超声水浸探头声场特性示意图[4]

图2 无底座小球反射法测量超声水浸探头声场特性示意图[5]

具体的远近场分界点位置见表1，可见四种类型的测量结果很接近，但后三种类型的的反射回波更为明显，更容易找寻判断分界点，这在图3中可直观地看到。

3 声束宽度的测量

在远近场的分界点Lf0所在剖面，移动超声水浸探头在其正负x，y四个方向扫查，测量球靶回波幅度最高的点（即Lf0）和回波幅度下降6 dB时的探头移动距离Wx+，Wx-，Wy+，Wy-，可以得到探头x方向和y方向的声束宽度[6]。

表1 几种类型小球反射法测量得到的超声水浸探头远近场分界点

图3 几种类型小球反射法测量得到的超声水浸探头z轴距离-回波声压归一化值曲线

表2 几种类型小球反射法测量得到的超声水浸探头声束宽度

可见平面底座和无底座的测量结果形状比较一致，较为对称，斜面和圆锥底座的测量结果出现不规程的畸变。斜面底座畸变应为两侧高低不同反射不一致所致，圆锥底座畸变则是支杆与圆锥连接时难于保证其绝对正中，从而造成反射不对称。

4 结语

综上，底座对小球反射法测量超声水浸探头声场特性有着较明显的影响，较早的JB/T 10062-1999《超声探伤用探头性能测试方法》采用圆锥底座用于距离幅度测量，在GB/T 18694-2002《无损检测超声检验 探头及其声场的表征》中却采用了平面底座的设定。说明平面底座虽然在找寻远近场分界点时，回波对比相对较弱，但在焦平面测量时却有着优点，综合考虑后取代了圆锥底座。在最新的 ASTM E 1065-2014《Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units（评估超声波探测装置特性的标准指南）》中采用了无底座的设定，这是一个更好的选择，但也对测量的实施提出了更高的要求。

[1]韩波，梁菁，史亦韦，等.国内外超声波探头测试与评价标准的比较与分析[J].无损检测，2014，35（2）：71-74+80.

[2]冯若.超声手册[M].南京：南京大学出版社，1999.

[3]周世圆，徐圆飞，徐春广，等.用于提高超声液浸换能器声场测量精度的反射座的制作方法.中国：ZL 200810172296.X[P].2009.3.18.

[4]全国无损检测标准化技术委员会.GB/T 18694-2002无损检测 超声检验 探头及其声场的表征[S].北京：中国标准出版社，2002.

[5]汕头超声仪器研究所.JB/T 10062-1999 超声探伤用探头性能测试方法[S]. 北京：中国标准出版社，1999.

Effect of base on measurement results of acoustic field characteristics of ultrasonic immersion probe by ball target reflection method

An Zhaoliang，Chen Jihong，Chen Wenwang，Deng Zeng，Zhou Ziwei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing technology）

The base as large volume support, its shape have great influence on the measurement.In this paper, far and near field boundary points and beam width parameters of a planar ultrasonic immersion probe are measured,by using plane base、inclined base、conical base and no base. The development trend and rationality of regulation in the current mainstream testing standards are analyzed.

Ball target reflection method; ultrasonic immersion probe;base; far and near field boundary points; beam width

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目（2016QK115）