超声换能器声场的激光可视化研究

郭佩文，史亦韦，卢超，梁菁，王晓

(1.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063；2.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；4.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095)

0 引言

超声检测是国内外无损检测技术中使用频率最高、应用最为广泛且发展较快的一种技术方法[1]。超声换能器的声场分布情况直接影响检测结果，为了更好地了解超声换能器的声场分布，对超声换能器声场进行探测进而实现可视化研究至关重要。

声场指的是充满声波的空间，或在介质中声振动所波及的质点占据的范围。通常采用声场中各质点的声压、声强、声阻抗、位移或速度等物理量对声场进行描述[2]。本文主要通过质点的微小振动位移来表征声场，进而实现对超声换能器产生的超声场的可视化。

目前，对于超声场的可视化主要有以下手段：第一，基于波动方程，建立超声波声场的数学模型，并进行模拟仿真成像，这种方法理论性强，并非实测结果[3]；第二，利用水听器测量超声波在水中的三维声压分布，可对三维声场进行实时和精确成像。但它必须尽可能是宽带、线性和无方向性的，且测量结果受水听器特性的影响较大[4]；第三，通过测量铝箔因超声作用而产生的变形情况，实现超声场的二维定量表征及成像。这种方法能形成声场图像信息，但不能形成随时间变化的动态图像，同时所测声场必须达到使铝箔变形的强度[5]；第四，采用纹影成像法实时获得换能器的全部声场分布，它是基于超声波产生的密度梯度使光束发生偏转，利用纹影法配合高速照相机使液体中的瞬态声场可视化。但是对于低频换能器，需要的纹影仪器必须具备高灵敏度，仪器要求较高[6]。此外，还有球靶法和基于光弹性原理的动态光弹数字化成像法，但都分别局限于液体介质和透明介质中[7-8]。

由于运用光学方法对声场和声源极少存在干扰，又能利用光波短波长这一特性对声场参数进行高精度绝对测量而深受人们关注[9-10]。本文立足于超声换能器声场的激光可视化研究，搭建了超声换能器声场激光可视化平台，利用激光散斑干涉测振技术对试样表面质点一段时间内的微小振动位移进行探测，通过区域扫查，得到一定范围内全部质点在一段时间中的振动情况，以此表征超声换能器产生的超声声场。分别从声场随时间变化，声场随厚度变化，声场随超声换能器晶片直径变化等三个方面，对试验结果进行了分析，最后将实测声场扩散特征与理论分析的声场扩散特征进行比较，以验证该方法的准确性。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

根据超声声场理论，超声换能器近场区的声压分布不均匀，声场轴线上的声压出现极大值和极小值的交替变化，其变化过程和相关性质较为复杂，缺少一定的规律性，且在实际检测过程中一般避免在近场区进行操作，因此全部试验所使用的试样的厚度都大于换能器声场近场区的长度。

试验采用实际检测中最为常用的V110和V109两种型号的超声换能器，其中心频率均为5 MHz，晶片直径分别为0.635 cm和1.27 cm。由两种超声换能器的参数可知，V109换能器的晶片直径大，产生的振动能量高，同时，换能器晶片直径大，半扩散角减小，声束指向性好，使得振动能量更为集中，而V110换能器的特点则与之相反。

根据已知的铝合金试样中的声速、换能器的晶片直径和换能器的频率得到波源直径Ds和波长λ，近场区长度的计算公式为

(1)

求出试验用的V109换能器和V110换能器的近场区长度N分别为32 mm和8 mm。因此，取一个长244 mm、宽80 mm、高90 mm的长方体铝合金厚板，且沿长度方向为其轧制方向。垂直于轧制方向将厚板分割成厚度为32，50，65.5，96 mm的四个试样并将其表面磨光，如图1所示。

1.2 试验方法

试验搭建的超声换能器声场激光可视化平台如图2所示。该试验平台由计算机、信号发生器(泛美5800)、超声换能器、激光接收器和干涉仪搭建组成。

图1 铝合金试样示意图

图2 激光可视化平台结构图

试验利用以激光干涉原理为基础的激光散斑干涉测振技术，对试样表面质点的微小振动位移进行探测。激光散斑干涉是指被测物体表面的散射光产生的散斑与另一参考光相干涉，当被测试样的表面发生微小振动时，散斑与参考光之间的光程差发生变化，输出的干涉条纹也会随之移动[11-14]。通过对输出的干涉条纹进行分析处理，就可以得到试样表面质点的微小振动位移信号[15-18]。试验中采用的激光散斑接收器的输出信号电压与所测表面质点的位移满足关系式

V=F·s

(2)

式中：V为输出电压；s为质点的离面位移；F为光电转换系数。

试验中，通过调节激光焦距，使F保持在100 V/μm左右。实验平台的具体工作流程如下。

在信号发生器给超声换能器一个激励信号的同时，给通道1(CH1)一个同步信号，使计算机开始计时并准备接收由通道0(CH0)传来的信号，实现信号发生器和干涉仪的同步。当激光照射在试样背面某一位置时，超声换能器发射的超声波穿透试样，试样背面激光照射位置产生的表面微小振动位移被激光接收器接收，并通过干涉仪形成电信号，通过CH0传给计算机，最终形成A扫图形，以此表征某一点的振动位移随时间的变化情况，如图3所示。

图3 某一点的A扫图

再通过二维扫查(扫查面积50×50 mm)得到各点的A扫图。采用全波采集记录下各点的A扫描波形，将所有被扫查点在某一时刻的振动幅值进行成像，得到某一时刻表面振动位移的C扫图，如图4所示。对比不同时刻表面振动位移C扫图，可以反应声场的扩散情况。

图4 某一时刻的C扫图

2 试验结果与分析

2.1 超声换能器声场随时间变化的激光可视化

不同时刻下，V110换能器在70 mm厚度试样背面产生的表面振动位移如图5所示。

图5 随时间变化的超声换能器声场C扫图

由图5可见，当超声波刚刚传递到试样表面时，质点振动主要集中在轴线附近，随时间增加，振动逐渐从轴线向外传递，且沿各方向的传递速度一致，因此形成的质点振动等高线呈现圆形。这一现象还可说明超声传播路径上材料无明显各向异性。

另一方面，从图5还可以看到，各质点先远离表面，然后发生回弹，产生向着表面内部的位移，此后不再有明显的远离表面的位移，这是由于超声换能器激励的超声脉冲宽度窄，脉冲之后的振动得到了有效的阻尼，已被杂波覆盖。

2.2 超声换能器声场随试样厚度变化的激光可视化

采用V109换能器，在厚度不同的四个试样中，分别取中心位置振幅最高时刻的各质点振幅并绘制成三维图，如图6所示。

图6 不同厚度试样在振动峰值时刻的振动三维图

从图6中可以看到，不同试样的表面振幅的分布均呈现出较为规则的圆锥形，轴线位置振幅最大。理论上，换能器远场区中心轴线上的声压最高，偏离中心轴线声压逐渐降低，且同一横截面上声压的分布完全对称[19-20]。又因为声场的声压和质点振幅成正比关系，因此实验结果与理论分析一致。

各试样中振幅峰值与厚度的关系如图7所示。

图7 厚度-峰值直角坐标图

由图7可见，随着铝合金试样厚度的增加，振幅峰值依次递减。这是由于位于远场区声场的声压随距离的增加而单调减小，实验结果与理论分析结果一致。

根据声束扩散理论，试样厚度Z与声束直径D的关系式为

(3)

式中：DS为波源直径；λ为波长。

各试样中心位置振幅最高时刻的声场C扫图如图8所示。

图8 不同厚度试样在振动峰值时刻的声场C扫图

由图8可测得各试样中声束直径，根据声场扩散理论计算的各试样中的理论声束直径与实测值对比如表1所示

表1 声束直径理论计算值与实测值对比 mm

由表1可见，实测声束直径与理论计算的声束直径保持基本一致。

2.3 超声换能器声场随换能器晶片直径变化的激光可视化

在70 mm厚铝合金试样上，V109换能器和V110换能器中心位置振幅最高时各质点振幅如图9所示。

可以看到，不同晶片直径超声换能器在同一试样上产生的振动存在明显差异。V109换能器产生的质点振动位移约为V110产生的位移的4倍，振动所影响的面积也远大于后者。这是因为，V109的晶片直径大，产生的振动能量高，同时，换能器晶片直径大，半扩散角减小，声束指向性好，使得振动能量更为集中。

图9 不同晶片直径下超声换能器声场的最高峰值时刻3D图

这一结果说明利用该方法可以实现超声换能器声场的有效检测。

3 结论

在远场区超声换能器声场呈轴对称分布，微小振动位移的最大值位于中心轴线上，声场的能量主要集中在轴线附近，随着时间的变化，超声换能器声场的微小振动位移逐渐从中心轴线向外传递。利用搭建的激光可视化平台，能够形象直观的检测到超声换能器声场随时间变化这一动态过程。

超声换能器声场强度随传播距离增加而减小，声轴线上的微小振动位移量相应地随试样厚度增加而减小，利用搭建的激光可视化平台，能够直观的反映出这一变化趋势。通过声束直径的实测值与理论值对比，证实了利用此激光可视化方法对超声换能器声场测量的准确性。

超声换能器晶片直径越大，超声换能器声场轴线上的微小振动位移越大，整个超声换能器声场也就越强。利用激光可视化平台，能够反映上述规律，验证了该方法的有效性。

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