国内外超声探头性能测试标准的比较与分析

2019-04-19奚力

无损检测 2019年4期

，，，，，奚力

(上海材料研究所，上海 200437)

超声探头主要通过压电效应来完成电、声转换，实现声波的发射和接收，是超声检测系统的重要组件。超声探头有多种分类方法，如根据声束在被检材料中的入射方向分为直探头和斜探头，根据声束形状分为平探头[1]和聚焦探头，根据耦合方式分为接触式探头和液浸式探头等[2]。

超声探头性能测试是超声检测系统性能测试的主要内容之一，其结果会直接影响到检测结果的准确性。超声探头性能参数分为使用特性参数和声学性能参数[3]。使用特性参数主要有脉冲宽度、中心频率、相对带宽、相对脉冲回波灵敏度、阻抗与斜探头入射点等。声学性能是不同类型超声探头在被检材料中辐射声场的表征。平探头使用特性参数主要有近场长度、声束直径和扩散角等；聚焦探头参数主要有焦点、焦距和场深等。

1 国内外标准和校准规范

国内外现行超声探头性能测试标准和校准规范有：ISO 12715:2014(E)Non-destructiveTesting-UltrasonicTesting-ReferenceBlocksandTestProceduresfortheCharacterizationofContactProbeSoundBeams,ISO 10375:1997(E)Non-destructiveTesting-UltrasonicInspection-CharacterizationofSearchUnitandSoundField, EN 12668-2:2010Non-destructiveTesting-CharacterizationandVerificationofUltrasonicExaminationEquipment-Part2:Probes, ASTM E 1065(08):2014StandardGuideforEvaluatingCharacteristicsofUltrasonicSearchUnits, GB/T 18694-2002《无损检测超声检测探头及其声场的表征》,GB/T 18852-2002《无损检测超声检测测量接触式探头声束特性的参考试块和方法》,GB/T 27664.2-2011《无损检测超声检测设备的性能与检验第2部分：探头》，JJF 1294-2011《超声探伤仪换能器校准规范》和JJF 1650-2017《超声探伤仪换能器声场特性校准规范》。

目前,国内外现行的超声探头性能测试标准和校准规范众多，但每个标准覆盖的探头类型，测试参数及方法各不相同。以测试斜探头入射点为例，ISO 10375:1997(E)利用IIW试块的R100 mm圆弧面的最大反射回波校准斜探头入射点；EN 12668-2:2010利用斜探头校验试块的四分之一圆弧的最大反射回波校准斜探头入射点，见图1。ISO 12715:2014(E)针对的是直接接触式探头声学性能的测试，ISO 10375:1997(E)针对的是液浸式探头声学性能的测试。表1为国内外超声探头标准和校准规范的测试参数汇总和比较。

表1 国内外超声探头性能测试标准和校准规范的测试参数汇总和比较

注： GB/T 18694-2002等同采用ISO 10375:1997(E)； GB/T 27664.2-2011修改采用EN 12668-2:2010。

图1 斜探头入射点校准试块

2 使用特性测试参数

2.1 脉冲宽度

脉冲宽度，在GB/T 18694-2002标准中又称为脉冲持续时间TPD。其是根据反射体第一个波峰起点到最后一个波峰的时间间隔来确定的，通常以ns为单位。不同的是：JB/T 12466-2015和JJF 1294-2011中是指在最大脉冲峰值幅度两侧10%(即-20 dB)处第一个波峰起点至最后一个波峰终点间的时间间隔，而GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)中是指在最大脉冲峰值幅度两侧20%(即-14 dB)处的时间间隔。

2.2 中心频率和相对带宽

中心频率和相对带宽是以频率响应为基础，对回波信号进行频谱分析，测出回波频谱下降6 dB时的高低端截止频率fu和f1后计算得出的。ISO 10375:1997(E) 和JJF 1294-2011中的中心频率f0和相对带宽Δfrel由式(1)和式(2)得出。EN 12668-2:2010和GB/T 27664.2:2011中的中心频率f0由式(3)得出，相对带宽Δfrel由式(2)得出。

(1)

(2)

(3)

式中：f0为中心频率；Δfrel为相对带宽；fu，f1分别为回波下降6 dB时的高低端截止频率。

2.3 相对脉冲灵敏度

相对脉冲灵敏度是度量探头在脉冲回波模式下相应介质中电声转换效率的参数。用示波器测出探头上输入的电压峰-峰值Vin和反射波放大前的电压峰-峰值Vout，根据式(4)可以计算出相对脉冲回波灵敏度Sr。ASTM E 1065(08):2014规定Vin和Vout均在探头制造商所标示的标称频率下测试，ISO 10375:1997(E)规定在探头中心频率下测试。

(4)

2.4 斜探头入射点和折射角

斜探头入射点和折射角是与斜探头相关的固定属性。斜探头入射点一般是根据斜探头在相应试块的R100 mm圆弧面上的最大反射回波来确定的，但不同的标准规范使用不同的试块。GB/T 18694-2002和ISO 10375:1997(E)是以IIW试块上R100 mm圆弧面上的反射回波来确定的，而JJF 1294-2011是用斜探头校准试块的R100 mm扇形圆柱面上的反射回波来确定的，但原理类似。同理，斜探头折射角度也是根据这两种试块上的横孔反射回波来确定的。在JJF1294-2011标准中，斜探头折射角称为斜探头声束角度。

2.5 阻抗

探头的电特性用输入阻抗来描述，按照GB/T 18694标准的要求或者用阻抗分析仪进行测量。探头的阻抗分析是利用阻抗分析仪在专用DB-R试块上进行的。测试结果需要有探头谐振点和反谐振点的阻抗和相角值。图2为阻抗测试布置图。

图2 阻抗测试布置示意

3 声学性能测试参数

超声探头的声学性能，也称声场特性。超声探头的声学性能包含近场长度、扩散角、远场区、偏向角、聚焦探头的焦距、焦区长度和焦区宽度等。与使用特性相比，声学性能的测试更为复杂。ISO 10375:1997(E)标准用液浸法测试频率为0.5 MHz～15 MHz的直探头、斜探头的声学性能；ISO 12715:2014(E)标准用接触法测试频率为1 MHz～15 MHz的直探头、斜探头、聚焦探头和双晶探头的声学性能；ASTM E1065(08):2014用水听器法测试频率范围为0.5 MHz～15 MHz的平探头和聚焦探头的声学性能。

3.1 液浸法

ISO 10375:1997(E)中，平探头测试的自由声场特性参数有近场区和扩散角；聚焦探头的声学性能参数通过声压分布图来表示，表征聚焦探头声压分布的参数有：焦点、焦距和场深。

(1) 近场长度

近场长度可根据公式(5)计算得出[4]。需要指出的是，ISO 10375:1997(E)中规定：对于脉冲较宽，灵敏度较高的窄带探头应按中心频率f0的波长来计算近场长度N0；对于脉冲宽度较小、深度分辨力好、灵敏度较低的宽带探头的近场长度N0存在一个范围，应按照高低端截止频率fu和f1的波长来分开计算。

(5)

式中：λ为波长；D为晶片直径。

(2) 扩散角

在探头的远场区，声束直径与声束轴线的距离成正比增大，因而常用扩散角来表示声束的发散程度。ISO 10375:1997(E)中对于圆晶片平探头的扩散角可用式(6)来计算。不同形状晶片的扩散角的表达式也不同，圆晶片同方晶片类似，可用式(7)来计算，而对于矩形晶片的扩散角，则应该根据其两侧边长l1，l2来分开计算，如式(8)所示。

(6)

(7)

(8)

(3) 液浸聚焦声压分布

ISO 10375:1997(E)中采用脉冲回波来测试探头声场。在探头上施加脉冲信号，探头置于水中并对准浸在水中的钢球，然后进行测试，测试时回波测量的一个重要参数是声轴上的声压分布。探头声学性能的液浸法测试装置结构框图如图3所示。

图3 探头声学性能的液浸法测试装置结构框图

探头声压性能的测量是指使探头保持在同一轴向距离上移动，从而获取声束横截面分布图的操作。在每一个探头移动的位置，记录球靶反射的峰值幅度，便可得到给定距离处的截面上各点相对于轴线上的声压相对值的声束横截面分布图，沿着声束轴向绘制不同轴向距离处的峰值幅度曲线。图4为液浸聚焦探头声束轴线上的声压分布示意。

如图4所示，表征聚焦探头声压分布的参数有：焦点、焦距和场深(焦柱长度)。焦点是指声压最大幅度处的位置，焦距是探头表面至焦点的距离，场深(焦柱长度)是探头从焦点处来回移动至幅度降为峰值幅度50%(-6 dB)时两点间的距离，这些表征参数可以通过液浸法试验获得。

图4 液浸聚焦探头声束轴线上的声压分布示意

3.2 接触法

ISO 12715：2014(E)标准中主要是用接触法测试探头声学性能的。其用半圆阶梯试块(HS试块)和横孔试块(SDH试块)测试探头在固体内的声学性能。探头在固体中的声学性能用声束轮廓和幅度分布图来表示。图5为接触式探头声场特性的测试试块尺寸示意，图5(b)中的SDH表示对应的横孔，如SDH2表示第二个横孔。

图5 接触式探头声场特性的测试试块尺寸

图6 直探头的声束轮廓和幅度分布

直探头和聚焦直探头的声学性能测试均在SDH试块上进行。图6为直探头的声束轮廓和幅度分布。如图6所示，在接触式直探头的声束轮廓和幅度分布曲线中，可用近场区和远场区来表征直探头声学性能，近场声压比较复杂，远场声压随距离的增大而减小。类似，接触式聚焦直探头的声束轮廓和幅度分布曲线可用来表征聚焦直探头的声学性能。通过分布曲线可获得焦距、焦柱长度和焦区宽度等参数，最大峰值处是焦点，焦距是焦点至检测面的距离，焦柱长度是声轴方向上焦点前后的两个-6 dB点的距离，焦区宽度是垂直平面内两个-6 dB点的距离。直探头的表征参数可以通过在试块上测试做出图6来获得。

直探头与斜探头产生的都是纵波。斜探头是以一定的角度入射到材料中的，产生折射纵波、折射横波，或同时产生这两种折射波。因为折射至材料内部波形的区别，斜探头的声场特性测试分为纵截面轮廓和幅度分布以及横截面轮廓和声轴上的幅度分布。纵截面轮廓声场特性在SDH试块上测试，横截面轮廓声场特性适合在HS试块上测试。聚焦斜探头测试类似于普通斜探头。

表征聚焦斜探头声束的参数有：纵截面焦距，纵截面焦柱长度和纵截面焦区宽度。

3.3 水听器法

ASTM E1065(08):2014标准中通过水听器法及其他方法测试探头声场特性参数。以水听器法为例，平探头声学性能的测试参数有近场长度、声束直径和声束扩散角；聚焦探头声学性能的测试参数有焦距、声束直径、声束扩散角和场深等。水听器法的测试装置框图如图7所示，主要仪器设备有信号发生器、水听器、数字示波器以及满足自由度调节的水槽等。

图7 探头声场特性的水听器法测试装置框图

(1) 声束直径

声束直径的测试是通过自由度调节机构带动水听器对探头的辐射声场进行垂直于声轴方向的横向剖面扫描，从而得到声压场的二维图来实现的。然后，在二维图中找到声压场最大点，在最大点范围内找出幅度比最大点位置下降3 dB或6 dB的数据点的封闭曲线，通过数据拟合得到规则的圆，该圆的直径便是声束直径。

(2) 近场长度

近场长度的测试是通过自由度调节机制带动水听器对探头的辐射声场进行沿声轴方向的纵向剖面扫描，得到沿声轴方向的声压场分布数据，然后对数据进行分析得到的。

(3) 声束扩散角

声束扩散角可通过探头在声轴上声压分布图计算得到：在远场区选择位置A和C，如图8所示[图中d为晶片尺寸；θ为声束扩散角；φ为半扩散角；zA，zC分别为声轴上A、C两点距换能器表面的距离(zC>zA)；W为zC处-3 dB声束直径比zA位置处-3 dB声束直径增加值的一半]，通过计算得到A和C处-3 dB的声束直径。