空气耦合超声探头声场及其对检测的影响

吴君豪 何双起 罗 明 吴时红 张 颖

0 引言

空气耦合超声检测免除了传统的液体耦合介质，具有非接触、易实现自动化的优点，但缺点是超声频率低、检测灵敏度低［1］。空气耦合超声探头声场存在一个“声照区”，声场的强度、声束的宽度分别影响着穿透能力和横向分辨率。了解探头声场分布，有助于提高检测可靠性，亦可在仿真试验中利用测得的相关声场特性，提高建模准确性。V.KOMMAREDDY等对空气耦合超声声场进行测量，但缺少对声场测量结果的严格评价，也没有深入分析声场对检测效果的影响［2］。孔涛等设计了一套空气耦合超声探头的声场测量系统，但其可移植性较差［3］。本文提出的声场测量方案可以运用在任何二维空气耦合扫查系统上，快速测量探头的声场特性。基于该方案，测量了4种型号的空气耦合超声探头声场的指向性，数据结果丰富，并分析了其对缺陷检测效果的影响。

1 测量方案

1.1 空气耦合超声探头

待测的4种规格压电型空气耦合超声探头的相关参数见表1。

表1 探头参数Tab.1 Probe parameters

1.2 测量系统搭建

空气耦合超声探头声场的测量借鉴了水听器测量超声探头声场的方法，在接收探头前安装一个带小孔的遮声罩作为接收装置，移动得到空间每一点的声压，从而得到探头的声场指向性特性［4］。

声场测量系统在平面二维空气耦合超声检测系统上改造得到。发射探头固定在距离平台一定高度位置且水平放置。接收探头安装在扫查架上且水平放置，能够完成二维运动。将两个探头靠近，调整两者高度和准直度，保证发射探头轴线处于接收探头的运动平面内，如图1（a）。遮声罩良好的隔声能力是准确测量声场的前提条件。用密度较大的金属铼制作遮声挡片，并利用套箍将其安装在接收探头前部，如图1（b）。根据隔声的基本规律［5］，当声波通过中间层，其隔声量为：

式中，t1为声波穿过薄板的声强透射系数，k2为声波在薄板中的波数，D为薄板厚度，R12、R21分别是薄板与空气、空气与薄板的声阻抗之比。对比铼与普通不锈钢的隔声能力，见表 2，在空气声阻抗 409.7 N·s／m3，挡片厚度为1 mm的情况下，铼板隔声量大于87 dB，且比不锈钢高8 dB以上。另外，遮声挡片中心透声圆孔的直径为0.8 mm，与被测探头中心频率对应的最短波长（约0.7 mm）相当，较小的孔径保证了声场测量精度。

图1 空气耦合超声探头声场测量方案Fig.1 Acoustic field measurement scheme for air－coupled ultrasonic probe

表2 不锈钢和铼的隔声能力对比Tab.2 Comparison of acoustic insulation ability between steel and rhenium

发射探头的激励脉冲周期数为3，扫查步进间距为1 mm，扫查速度为100 mm／s，信号的采样频率为5 MHz。由于系统的采样深度800 μs的限制，最远测量距离约为270 mm。

图2 四种探头的声场分布Fig.2 Acoustic fields of four probes

2 结果及分析

四种探头的声场强度分布情况见图2。

对比 140、200 kHz平探头声场［图 2（a）（b）］，可以发现，频率较低的探头声束更宽、更发散，与理论相符。对比200 kHz平探头和聚焦探头声场情况［（图2（b）（c）］，可见平探头的声场整体上声压更高，对材料的穿透能力更好。聚焦探头仍具有活塞声源的特征，200、500 kHz聚焦探头声束存在旁瓣［图 2（c） （d）］。

图3 四种探头核心部分的声场分布Fig.3 Acoustic field in the center region of the four probes

为了观察声场中能量高的中心部位的情况，只将声压在－3～0 dB的部分显示出来，得到的声场分布如图3所示，从该图可以看到声场核心区域的声压分布细节特征。

图3表明，平探头近场区声压存在极大极小值点，与理论相符，特别是200 kHz平探头的近场区干涉效应较明显［图3（b）］。因聚焦探头压电材料是球面状的，所以因声程差异造成的干涉效果较小，在近场区未发现明显干涉效应。500 kHz比200 kHz聚焦探头的声场聚焦效果好，声束宽度更窄，表明其横向分辨率优于后者［图 3（c）（d）］。

通过数据处理，得到四种探头轴线上的声压分布（图4），平探头声压在近场存在波动现象，根据定义，曲线上最后一个峰值所在位置为探头的近场区长度。

图4 四种探头轴线上的声压Fig.4 Acoustic pressure on the axes of the four probes

图4 表明，远场区的声衰减与探头频率有关，频率越高声压衰减更快。500 kHz探头远场轴线声压曲线上能看到球面波的衰减特性，即声压与距离成反比。图4中四种探头轴线上的近场声压的波动反映了干涉效应，140、200 kHz平探头近场区的声压波动明显，而200、500 kHz聚焦探头近场区的声压则较平稳，与图3的分析结果一致。

依据美国材料学会标准ASTM E1065［6］对探头的指向性参数进行评价，平探头的评价参数包括近场区长度、声轴声压特性、声束半扩散角，聚焦探头的评价参数包括焦区范围、声束聚焦角。表3中，平探头的半扩散角、近场区长度的理论值是根据圆盘活塞声源发射声场指向性理论公式［7］计算得到的，聚焦探头焦距的理论值指的是探头的标称焦距。平探头的半扩散角、近场区长度比理论值小，特别是半扩散角测量结果差异较大，说明指向性理论仅可用于探头声场特性的粗略估计，仍需要测量才能得到较准确的结果。聚焦探头声场存在一个焦区，在该范围内声压差异不大，标称焦距在该焦区范围内，说明标称值是可靠的，在检测中可以作为参考。

表3 空气耦合超声探头声场测量结果Tab.3 Acoustic field measurement results of air coupled ultrasonic probes

3 检测结果与声场的关系

超声穿透法通过监测穿透波信号幅度的变化实现对复合材料内部分层缺陷的检测，其检测能力受到声场特性（特别是声束宽度）的影响［8］。

用真空热压罐法制作带有分层缺陷的碳纤维增强树脂基复合材料试样。单层预浸料厚度为0.15 mm，总共铺层20层，中间6层预浸料上切除5个的正方形区域（边长分别为 5、10、20、30、40 mm），用以模拟分层缺陷。固化成型之后得到带有分层的试样，如图5（a）。结合声场特性，对该试样的穿透式空气耦合超声检测效果进行定性分析。

对比同频率（200 kHz）聚焦探头和平探头的检测结果（图5），平探头因为声束发散，缺陷边缘模糊，易产生定量误差。

对比试样在200、500 kHz聚焦探头下的检测结果（图6），后者能检测到材料内部纹理特征，因为后者无论是横向分辨率（与声束聚焦效果有关），还是纵向分辨率（与声波频率有关）都优于前者。所以，在保证穿透能力的前提下，应优先使用高频聚焦探头。

图5 试样及200 kHz平探头和聚焦探头的检测结果Fig.5 Specimen and detection results of the 200 kHz focusing and flat probe

最后考察检测距离的影响。图7为试样放置在距离200 kHz聚焦发射探头10、30、70 mm下的检测结果。30 mm下的检测效果最好，支架铁丝［直径约1 mm，图（b）上方的线条］依然清晰可见。70 mm下接收能量降低，图像信噪比低，小缺陷（F1、F2、F3）不明显，大缺陷（F4、F5）的边缘模糊。所以，材料应该放置在焦区内进行检测。

图7 检测距离对结果的影响Fig.7 Effect of detection distance on the result

4 结论

本文设计的声场测量系统可以便捷、有效地测量空气耦合超声探头声场，分析声场测量结果及其对检测的影响有以下结论。

（1）空气耦合超声探头的声场特性与圆盘活塞声源具有相似之处，如旁瓣、近场区的干涉效应、轴线声压特性。可根据ASTM E1065标准评价探头的声场特性参数。根据圆盘活塞声源理论推导得到的平探头的近场区长度和半扩散角，与实测值相比偏大。聚焦探头的标称焦距在实测焦区范围内，实际检测中，可以为确定检测距离提供依据。

（2）不同型号空气耦合超声探头的声场特性存在较大差异。低频率、平探头的声场能量高，穿透效果好，指向性较差，而高频率、聚焦探头声场能量低，指向性好，检测横向分辨率高。在保证穿透能力的前提下，应尽量选择后者。

（3）根据探头声场分布情况，调整检测距离，使被检材料位于探头的焦区内，能够提高检测灵敏度。

参考文献

［1］周正干，魏东.空气耦合式超声波无损检测技术的发展［J］.机械工程学报， 2008， 44（6）：10－14.

［2］ KOMMAREDDY V， PETERS J J， DAYAL V， et al.Air－coupled ultrasonic measurements in composites［C］ ／／Ameri⁃can Institute of Physics， 2004：859－866.

［3］孔涛，徐春广，张运涛，等.空气耦合超声换能器声场计算与测量研究［J］.机械工程学报， 2011， 47（22）：19－24.

［4］ BASHFORD A G，HUTCHINS D A，SCHINDEL D W.Radiated fields of an air－coupled ultrasonic capacitance transduc⁃er［J］.Ultrasonics， 1996， 34（2－5）： 169－172.

［5］杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础.第3版［M］.南京：南京大学出版社，2012：144－145

［6］ ASTM E1065 ／E1065M－14，Standard guide for evalu⁃ating characteristics of ultrasonic search units［S］.ASTM Interna⁃tional， West Conshohocken， PA， 2014

［7］郑晖，林树青.超声检测.第2版［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2008：56－62

［8］赵建华，罗明，吴时红，等.超声波喷水穿透法在先进复合材料检测中的应用［J］.宇航材料工艺，2012，42（4）：105－108.