国内外超声相控阵探头测试与评价标准的比较与分析

潘强华，孔祥夷2，侯金刚，朱雨虹，严志海

(1.中国特种设备检测研究院，北京 100029；2 河南省锅炉压力容器安全检测研究院，郑州 450000)

超声相控阵探头是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列。激发时，其按照预先设定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，来有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方对面，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。在确定不连续性的形状、大小和方向方面，能提供出比单个或多个探头系统更大的能力。因此相控阵探头的性能对整个相控阵超声检测系统至关重要。

笔者主要针对国内外超声相控阵探头性能测试与评价的标准/规范，从超声相控阵探头的适用范围、测试条件、测试项目、测试方法和验收要求等几个方面进行了比较分析，并对标准中的一些规定进行了分析。通过分析，帮助使用者了解有关超声相控阵探头性能方面的测试方法及差异，并可以有效地选择超声相控阵探头。

1 相关标准

国际上具有一定影响力的标准体系主要有： ASTM(美国材料与试验协会)标准、ISO(国际标准化组织)国际标准和EN(欧洲标准)等。关于超声相控阵探头的性能测试标准，ISO国际标准与EN标准相差不大。国内大部分标准是参照这些国际标准制定的，关于超声相控阵探头性能的相关标准如下所述。

(1) EN 16392-2-2014Non-destructiveTestingCharacterisationandVerificationofUltrasonicPhasedArrayEquipmentPart2Probes。

(2) ASTM E2904-2017StandardPracticeforCharacterizationandVerificationofPhasedArrayProbes。

(3) ASTM E2491-2013StandardGuideforEvaluatingPerformanceCharacteristicsofPhased-ArrayUltrasonicTestingInstrumentsandSystems。

(4) JB/T 11731-2013 无损检测 超声相控阵探头通用技术条件。

(5) GB/T 29302-2012 相控阵超声检测系统的性能与检验(修改采用ASTM E2491)。

2 标准的适用范围、测试条件、测试项目、测试方法和验收要求的比较

2.1 标准的适用范围

第一部分介绍了国内外超声相控阵探头的相关标准，其中EN 16392-2-2014、ASTM E2904-2017和JB/T 11731-2013标准为探头的性能标准。ASTM E2491-2013和GB/T 29302-2012标准为相控阵仪器和探头组合性能要求的标准。文章主要介绍EN 16392-2-2014、ASTM E2904-2017和JB/T 11731-2013标准，该3项标准中规定适用的范围见表1。

表1 各项标准的适用范围

2.2 测试条件

ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014以及JB/T 11731-2013标准都严格规定了所采用的电子设备及测试试块，其中电子设备包括：数字式示波器、信号发生器、高压脉冲发生器、阻抗分析仪、频谱分析仪和接收器等。各标准所采用的电子设备相差不大。各项标准中都严格规定了测试条件，但测试步骤不够详细。各标准对测试仪器的具体要求见表2。

表2 各标准对测试仪器的具体要求

2.3 测试项目

相控阵探头性能指标要求大致分为两部分。第一部分：探头基本物理性能，主要包括探头型号、探头尺寸、探头电缆线长度、探头阵元数量等基本物理信息。第二部分：探头特性性能参数，主要包括探头的电阻抗或静电容、脉冲波形、脉冲持续时间、探头灵敏度、串扰、阵元焦距和聚焦长度，阵元一致性等相关性能参数。

ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013标准对于探头的基本物理性能，测试项目要求基本相同。其中EN 16392-2-2014和ASTM E2904-2017标准对探头线直径和材料有相应要求，而JB/T 11731-2013标准对探头线直径和材料没有要求。

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014标准对探头特性性能参数的测试项目基本相同。标准JB/T 11731-2013除了含有ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014测试项目要求外，还包括以下测试项目：焦距、防渗漏性、环境适应性、性能一致性以及楔块波束角等。各标准对测试项目的要求见表3。

表3 各标准对测试项目的具体要求

2.4 测试方法的比较

ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013标准中涉及的测试项目主要为两类。第一类为基本物理性能，该部分的测试项目为基本的规格尺寸，其测试方法未进行叙述。第二类为探头特性，关于探头特性各测试项目的测试方法，笔者经过对比分析，将其分为两部分:第一部分为探头特性——共性参数(指ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013标准中相同的测试项目)，主要包括脉冲波形、脉冲持续时间、中心频率和相对带宽、探头灵敏度、阵元灵敏度一致性和串扰；第二部分为探头特性——非共性参数(指JB/T 11731-2013标准中不同于其他两项标准的测试项目)，主要包括背衬回波量、阵元焦距和聚焦长度、性能一致性、防渗漏性和楔块波束角。

2.4.1 探头特性——共性参数

探头特性——共性参数主要包括脉冲波形、脉冲持续时间、中心频率和相对带宽、探头灵敏度、阵元灵敏度一致性和串扰。下面简要介绍各项性能参数的测试方法。

(1) 脉冲持续时间、中心频率和相对带宽

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014标准仅给定了简要的测试条件和测试方法，并没有详细的测试步骤说明。而JB/T 11731-2013标准中较详细地介绍了测试条件及测试方法。主要测试方法如下：采用外部的高压信号发生器(指函数发生器)，将探头置于参考试块上，另一端连接高压信号发生器。使用数字示波器观察探头回波信号(将数字示波器与高压信号发生器同步)，高压信号发生器产生激励电压，并接收探头的回波信号。数字示波器读取高压信号发生器的回波信号，然后采用数字示波器进行分析或连接计算机进行频谱分析，仪器连接示意见图1(a),各测试装置示意如图1(b)(e)所示。

图1 超声脉冲反射法检测的测试装置示意

针对不同探头类型，选用合适的测试方法。测试时，应记录高压信号发生器的设置参数，测量发射脉冲的峰-峰振幅。所有的阵元都测试，脉冲持续时间示意见图2(h为峰-峰振幅;L为脉冲持续时间)。

图2 脉冲持续时间示意

采用频谱分析仪或离散型傅里叶变换，以闸门监控反射体回波并确定频谱。来自探头楔块、壳体、阻尼块等的虚假回波不要与来自参考试块的回波一起分析。闸门内应至少包括两倍的脉冲持续时间,并使脉冲最大值居中。测量回波振幅下降6 dB的高低端频率(高端频率为fu，低端频率为f1)，根据高低端频率计算中心频率fc和相对带宽Δfrel。

fc=(fu+f1)/2

(1)

(2)

(2) 探头灵敏度和阵元灵敏度一致性

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014标准分别给出了探头灵敏度和阵元灵敏度一致性的测试条件和测试方法，且测试方法相差不大。而JB/T 11731-2013标准仅介绍脉冲回波灵敏度的测试条件及测试方法。

① EN 16392-2-2014标准对于阵元灵敏度一致性和探头灵敏度测试方法如下所述。

采用如图1所示的测试设备及方法，阵元灵敏度一致性Sel按式(3)计算。

(3)

式中：Uel为来自规定反射体回波放大前的峰-峰电压(单个阵元)；Uav为所测所有阵元Uel的平均值。

(4)

式中：Uav为所测所有阵元Uel的平均值；Uref为施加到单个阵元上的峰-峰电压。

② JB/T 11731-2013标准对于脉冲回波灵敏度测试方法如下所述。

脉冲灵敏度Srel按式(5)计算。

(5)

式中：Uc为来自规定反射体回波放大前的峰-峰值电压，最好是平面反射体；Ua为施加到探头上的峰-峰值电压。

图3 串扰测试示意

(3) 串扰

按照如图3所示装置进行测试，高压信号发生器输出频率设置为探头的中心频率，采用连续正弦波工作模式，高压信号发生器输出端接探头的某一阵元，用示波器测量此阵元带载荷条件下的激励信号幅度，此值标为A1，再用示波器另一通道测量与之相邻的阵元所接收到的信号幅度，此值标为A2，串扰值为20lg(A2/A1)。

检查头尾2对阵元，中间均匀间隔取2对阵元。

2.4.2 探头特性——非共性参数

探头特性——非共性参数主要包括：背衬回波量、阵元焦距和聚焦长度、性能一致性、防渗漏性能和楔块波束角。JB/T 11731-2013标准对该5项性能指标做了详细叙述，下面简要介绍各项性能参数的测试方法。

(1) 背衬回波量

测量背衬材料声速与厚度后，利用灵敏度余量超过100 dB的相控阵超声检测仪或A型脉冲反射式超声检测仪，将换能器调至焦点处，调节增益，将第一次回波幅度调至屏幕满屏高度的50%，记录此时的增益B1，加大增益至背面反射回波幅度达屏幕高度的50%，记录此时的增益值B2。背面回波量B按式(6)进行计算。

B=B1-B2

(6)

(2) 阵元焦距和聚焦长度

采用图1所示的液浸回波模式测量。利用一个可视作点声源的小反射体或小型水声接收器(靶)，在水中通过探头与靶之间的相对移动来记录探头扫描波束的参数。如果将靶作为反射体，则使用的是回波模式，探头的发射与接收特性都可以得到验证。如果靶是水声接收器，使用的是发射模式，则只能验证探头的发射特性。

图4 液浸法测试焦距原理示意

对于一个具体的探头，所有波束参数的测量应使用相同的发射体或水声接收器。超声仪器或脉冲接收器的设置(包括激励脉冲电压、脉冲宽度、阻尼、带宽和增益)应与探头数据表的定义相同。

将换能器固定于液浸槽中，调整x、y轴，通过调整角度把换能器调至回波灵敏度最大的位置，再调整z轴，把换能器移动至回波的最大值位置。液浸法测试焦距原理示意如图4所示，记录回波与始波时间间隔t，焦距按式(7)进行计算。

FD=vt/2

(7)

式中：v为超声波在水中的传播速度。

通过增加和减少探头与反射体之间的距离找到聚焦区两端的极限。如果使用的是反射体，应找到回波峰-峰值减少6 dB的两个位置；如果使用的是水声接收器，则减少3 dB，液浸探头声场的周向轮廓与横向轮廓如图5，6所示。其中，zL1和zL2是这些点在z轴上的坐标。聚焦区的长度FL按式(8)进行计算。

FL=|zL2-zL1|

(8)

图5 液浸探头声场的周向轮廓

图6 液浸探头声场的横向轮廓

(3) 性能一致性

根据阵元灵敏度、中心频率和相对带宽的测试值，灵敏度一致性的计算方法为

(9)

式中：S为标准差；n为阵元数；为算术平均数；xi为1至n阵元性能测试值。

(10)

式中：C×V为变异系数。

(4) 防渗漏性能

对于非液浸探头，把探头浸于深1 m的水下，12 h后取出探头，将探头表面擦拭干净。再把探头放入真空缸中，抽真空至-1 kPa以下，持续5 min，用5～20倍放大镜检查探头表面是否渗漏。

对于液浸探头，把探头浸于深1 m的水下，48 h后取出探头，把探头表面擦拭干净，再把探头放入真空缸内，抽真空至-1 kPa以下，持续5 min，用5～20倍放大镜检查探头表面是否有渗漏。

(5) 楔块波束角

楔块波束角测量原理示意如图7所示，利用1号标准试块测量，首先前后平移探头，找到R100圆弧反射回波的最大位置，此位置即为探头入射点位置；再平行移动探头，找出圆孔回波最大位置，对应角度刻度即楔块的波束角。

2.5 验收要求的比较

ASTM E2904-2017和EN 16392-2-2014标准探头特性参数基本相同，主要包括：脉冲持续时间、中心频率和相对带宽、探头灵敏度、阵元灵敏度一致性和串扰。其中EN16392-2-2014标准对该5项指标都具有明确的验收要求，ASTM E2904-2013标准中该5项指标大部分都是根据用户协商确定的。

JB/T 11731-2013标准除了对以上5项指标有明确要求外，还对探头的电阻抗或静电容、背衬回波量、阵元焦距和聚焦长度、防渗漏性能、性能一致性以及楔块波束角等都有验收要求。各标准探头特性性能指标验收要求见表4。

图7 楔块波束角测量原理示意

表4 各标准探头特性性能指标验收要求

3 结语

(1) 在标准适用范围方面：ASTM E2904-2017标准和 EN 16392-2-2014标准适用于中心频率范围在0.5 MHz～10 MHz的线阵超声相控阵探头，检测过程中可采用楔块、不采用楔块或水浸方式。而标准JB/T 11731-2013适用于中心频率范围在0.5 MHz～10 MHz、阵元数为4～256的超声相控阵探头的型式检验和出厂检验。

(2) 在采用电子设备及试块方面：ASTM E2904-2017、EN 16392-2-2014和JB/T 11731-2013标准都严格规定了所采用的电子设备及测试试块，电子设备几乎相同(主要包括：数字式示波器、信号发生器以及频谱分析仪等)，而试块不尽相同。

(3) 在测试项目和测试方法方面：大致分为两类，第一类为探头基本物理性能，以上3项标准测试项目及测试方法几乎相同。第二类为探头特性性能参数，笔者经过对比分析，JB/T 11731-2013标准中具有不同于其他两项标准的测试项目，主要包括：背衬回波量、阵元焦距和聚焦长度、性能一致性、防渗漏性和楔块波束角等。

(4) 在标准验收要求方面：EN16392-2-2014标准针对脉冲持续时间、中心频率和相对带宽、探头灵敏度、阵元灵敏度一致性、串扰等都具有明确的验收要求；ASTM E2904-2017标准对该6项指标验收要求主要根据用户协商确定；而JB/T 11731-2013标准除了对以上6项指标有明确要求外，还对探头的电阻抗或静电容、脉冲持续时间、背衬回波量、阵元焦距和聚焦长度、防渗漏性、性能一致性以及楔块波束角等都有验收要求。