线聚焦探头的声反射特性和检测应用的研究

段建刚，熊 瑛

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043）

航空发动机结构件、叶片等零件常用中小直径棒材（φ8～φ58）进行加工制造，棒材的缺陷检测成为保证结构件、叶片等零件加工和使用质量的主要手段[1-3]；小直径棒材为曲界面入射，目前国外航空发动机公司多采用水浸线聚焦超声检测方法对小直径棒材进行缺陷检测，而棒材直径>φ58 时接近平界面入射，可采用点聚焦超声检测方法，棒材直径<φ8 时纵波检测区域太小适宜采用其他检测方法[4]。线聚焦探头是针对小直径棒材曲界面入射的一种特殊应用，点聚焦探头是用于平界面入射的工件检测，点聚焦探头入射到棒材曲界面圆周方向的声束进入棒材后会迅速发散，导致声束指向性变差，检测灵敏度和信噪比均低于线聚焦探头。超声波从声透镜经历折射后进入水介质[5]，然后入射到水-金属圆柱界面进入棒材，期间声束发生了多次变化[6-7]，探头选择和使用不当会造成检测灵敏度和信噪比降低，特别是检测钛合金棒材时容易引起杂波升高造成误判。目前，有关点聚焦探头在平面工件的检测研究[8-9]，可参考进行平面工件水浸超声聚焦检测时探头的选择和使用；有关点聚焦探头在球体工件上的检测研究[10]，可参考进行球体工件水浸超声聚焦检测时探头的选择和使用；但未开展线聚焦探头在圆柱体工件（棒材）的相关研究，因此开展线聚焦探头在圆柱体工件中的研究对中小直径棒材水浸超声检测时探头的选择和使用具有重要意义。

针对上述问题，本研究对线聚焦探头声场不同区域的声束反射特性和棒材中声束指向性等影响检测灵敏度和信噪比的因素展开研究。

线聚焦探头声反射特性测量方法的确定

线聚焦探头的声反射特性与x、y和z3 个方向有关，综合考虑测量反射体足够小和直度的情况下选择φ1.5mm 钢棒作为测量反射体，以焦距F处y和z两个方向的声反射特性测量进行测量方法示意，如图1所示，其中晶片长度L、宽度d，声透镜为圆柱面，可分别测量声束的（-2dB）宽度、（-3dB）宽度和（-6dB）宽度；由于（-6dB）宽度测量时反射波幅降低50%，试验可操作性更强，测量结果更准确，故测量时选择（-6dB）宽度。

图1 测量示意图Fig.1 Sketch map of measurement

x与y方向是线聚焦探头聚焦特性的主要方向，决定棒材中声能的分布情况，进而影响检测灵敏度，而z方向决定探头在棒材轴线上的螺距设置，如图2所示（其中S为螺距），故研究线聚焦探头检测灵敏度应对探头x与y方向的声反射特性进行测量。

图2 线聚焦探头z 方向对棒材检查的影响Fig.2 Effect of z-direction of line focusing probe on bar inspection

通过测量线聚焦探头聚焦特性主方向x与y方向的声反射特性，可得出水距变化时探头聚焦声束中心方向上的声能变化情况和聚焦声束分布情况，测量方法如图3所示，在水中采用1.5mm 小直径钢棒测量x与y方向的声反射特性，测量时应保证线聚焦探头z方向与小直径棒材轴线平行，以位置A为例，应先测量探头聚焦声束中心OF方向（x方向）位置A处的反射波幅，再分别测量位置A对应的A（y+-6dB）与A（y--6dB）的宽度（y方向），完成测量后沿聚焦声束中心OF方向移动到位置B进行测量，改变水距从盲区外可测量的第1 位置测起，测过焦距F后直至x方向的波幅降至与第1 位置的波幅相等。

不同焦距线聚焦探头的声反射特性测量

选择焦距分别为25mm、35mm、45mm 和50mm 的线聚焦探头，用棒材工装固定φ1.5 钢棒，φ1.5 钢棒轴线沿自动检测时棒材前进的方向（z方向），线聚焦探头的频率为10MHz，测量试验中仪器参数固定。以焦距为25mm 的探头为例给出焦距F处的测量结果，聚焦声束中心OF方向（x方向）的测量状态和对应的仪器测量波形界面如图4所示；焦距F处y方向的测量状态和对应的仪器测量波形界面如图5所示。

图4 x 方向的测量状态和对应的测量波形Fig.4 Measurement status and measurement waveform of x direction

图5 y 方向的测量状态和对应的测量波形Fig.5 Measurement status and measurement waveform of y direction

按照上述方法完成焦距分别为25mm、35mm、45mm 和50mm 的线聚焦探头的声反射特性测量，得出探头声束中心反射波幅随探头与反射体距离（水距）的变化（图6）和形成不同焦距线聚焦探头在水中的声束变化（图7），结合图6 和7 可以确定焦距25mm 探头的聚焦区为23～29mm；焦距35mm 探头的聚焦区为32～38mm；焦距45mm 探头的聚焦区为40～49mm；焦距50mm 探头的聚焦区为45～54mm。得出焦距25mm、35mm、45mm 和50mm 探头分别对应的近场区、线性区1 和线性区2，如图8所示。

通过对图6～8 进行分析，可得出如下结论：

（1）从图6 可以看出线聚焦探头近场区附近声束中心能量较弱，从图7 和8 可以看出线聚焦探头近场区附近声束宽，与带有曲率的棒材耦合后声束易发散，会导致棒材中传播的声束指向性变差。

图6 波幅随水距的变化Fig.6 Variation of wave amplitude with water distance

图7 声束变化Fig.7 Variation of sound beam

（2）线性区1 的特点是随水距增加，对应的声束中心能量逐渐变大直至焦距处，对应的声束宽度逐渐变小，声束指向性逐渐变好；线性区2的特点是随水距增加，对应的声束中心能量从焦距处逐渐变小直至与探头初始水距处相等，对应的声束宽度逐渐变大，声束指向性逐渐变差。

（3）线聚焦探头聚焦区长度有限，其中焦距25mm 的探头为6mm；焦距35mm 的探头为6mm；焦距45mm 的探头为9mm；焦距50mm 的探头为9mm。探头聚焦区位于线性区1 和线性区2 之内，当水距满足棒材一次底波位于二次界面波之前时，探头聚焦区以外的线性区1 和线性区2 会影响棒材直径方向上的声束能量分布，棒材直径方向的检测区域不宜超过线性区2。

（4）根据界面波盲区大小、底面纵向分辨率、自动检测闸门随动反应时间，GE 标准中φ8 ～φ50 棒材的检测区域为直径方向3mm ～D-3mm，如图9所示，当探头水距满足棒材一次底波位于二次界面波之前时，水距x不小于0.25D，棒材直径方向D- 3mm 处不超过线性区2 时，结合图8 可以得出，焦距25mm 探头的可检测棒材直径范围为φ8 ～φ36；焦距35mm 探头的可检测棒材直径范围为φ8 ～φ42；焦距45mm 探头的可检测棒材直径范围为φ8 ～φ55；焦距50mm 探头的可检测棒材直径范围为φ8 ～φ58。

图8 不同焦距对应的近场区、线性区1 和线性区2Fig.8 Near field region,linear region 1 and linear region 2 corresponding to different focal

图9 棒材检测区域示意图Fig.9 Sketch map of bar detection area

棒材检测灵敏度的确定

线聚焦探头检测棒材时，检测区域为棒材直径方向3mm～D-3mm，对比样件如图10所示，包含埋深为3mm、0.5、D-3mm 的平底孔，检测时应以其中灵敏度最低的平底孔用于检测灵敏度的确定。

图10 对比样件示意图Fig.10 Sketch map of contrast sample

不同的水距会带来声束在棒材中的变化，导致探头线性区1 和线性区2 在棒材中的分布情况出现差异，这种差异引起了棒材直径方向上灵敏度分布的差异，其中探头线性区1中靠近探头近场区远离聚焦区的区域和探头线性区2 中远离探头聚焦区的区域灵敏度较低，以焦距45mm的探头为例说明，如图11所示。

图11 焦距45mm 探头声束中心波幅变化Fig.11 Variation of center wave amplitude of focal 45mm probe

以棒材直径方向上0.5D处的最高灵敏度对应的水距作为基准水距，基准水距变大变小会带来声束变化（图12），据此采用焦距为45mm 的线聚焦探头对φ47GH4169 棒材样件进行试验，样件上带有埋深3mm、23.5mm、44mm 的φ1.2mm 平底孔，按照基准水距（19mm）、基准水距变大（22mm）、基准水距变小（16mm）3种情况对样件上平底孔进行检测试验，试验结果如图13所示，据此得出3 种情况下棒材检测区域中的灵敏度分布及对应探头的声束中心波幅变化情况如图14所示。

图12 水距变化时棒材中的声束变化Fig.12 Variation of sound beam in bar during water distance change

图13 样件平底孔检测试验Fig.13 Test of sample flat bottom hole

从图14 可以得出棒材检测区域中的灵敏度分布与棒材检测区域处在探头线性区1 和线性区2 的位置有关，基准水距、基准水距变大、基准水距变小3 种情况下均为棒材检测区域上埋深为D-3mm 的平底孔灵敏度最低，故应以埋深为D-3mm 的平底孔确定棒材检测灵敏度，检测时应找到埋深为D-3mm 的平底孔的最高反射波幅。

图14 灵敏度分布及对应探头的声束中心波幅变化Fig.14 Sensitivity distribution and amplitude change of sound beam center corresponding to probe

声波往复透射率和声束指向性的表征

线聚焦探头检测棒材时的界面分为3 个，其中包括探头环氧树脂与水形成的界面（界面1）、水与棒材前表面形成的界面（界面2）和棒材后表面与水形成的界面（界面3），一定声压P0的超声波从压电晶片传出后需要经过两个界面后进入棒材中，如图15所示，其中Pt为从压电晶片直接传入环氧树脂中的超声波，Pr为Pt在环氧树脂与水形成的界面上的反射波，Pt1为Pt在环氧树脂与水形成的界面上的透射波，Pr1为Pt1在水与棒材前表面形成的界面上的反射波，Pt2为Pt1在水与棒材前表面形成的界面上的透射波，Pr2为Pt2在棒材后表面与水形成的界面上的反射波。界面2 处的声波往复透射率和棒材中透射波Pt2的声束指向性决定着棒材检测区域的灵敏度分布，而通过改变界面1 与界面2 的距离（水距），会改变界面2 处的声波往复透射率和棒材中透射波Pt2的声束指向性，而界面3 处的反射波Pr2可表征界面2处的声波往复透射率和棒材中透射波Pt2的声束指向性，对应超声检测仪器界面的波形如图16所示，仪器反射波Pr2波幅越大，界面2 处的声波往复透射率越高，棒材中透射波Pt2的声束指向性越好，靠近界面3处的检测灵敏度越高，对应的可找到埋深为D-3mm 的平底孔的最高反射波幅。

图15 超声波传播示意图Fig.15 Sketch map of ultrasonic propagation

图16 仪器界面波形Fig.16 Waveform of instrument interface

选择焦距为25mm、35mm、45mm和50mm 的线聚焦探头对φ18TC4棒材进行试验，试验中固定探头激励电压400V、阻尼50Ohm、增益32dB，固定棒材与水的界面，改变水距记录Pr1和Pr2的反射波幅，得出焦距为25mm、35mm、45mm 和50mm，探头水距变化时Pr1和Pr2的变化规律如图17所示，其中Ⅰ区为近场区附近对应的水距范围，Ⅱ区为声波往复透射率高和声束指向性好时对应的水距范围。

从图17 可以得出焦距25mm、35mm、45mm 和50mm 的探头近场区附近对应的水距范围分别为

图17 不同焦距探头Pr1 和Pr2 的变化规律Fig.17 Variation of Pr1 and Pr2 of different focal length probes

6～10mm、6～13mm、6～17mm、6～18mm，声波往复透射率和声束指向性好时对应的水距范围分别为12～17mm、

21～25mm、28～35mm、34～40mm，对φ18TC4 棒材上埋深为15mm 的φ1.2 平底孔在声波往复透射率高和声束指向性好时对应的水距范围进行试验，试验中固定探头激励电压400V、阻尼50Ohm、增益63dB，找到各个水距对应的平底孔最大反射波幅，给出焦距25mm 的探头试验结果（图18），其余焦距35mm、45mm 和50mm 的探头试验结果见表1。

表1 试验结果Table 1 Test results

图18 焦距25mm 的探头试验结果Fig.18 Test results of probe with focal length of 25mm

根据上述试验结果，探头焦距落在棒材轴线并不是最优的声波往复透射率和声束指向性上，但接近最优的声波往复透射率和声束指向性，因此得出用于确定棒材检测灵敏度平底孔的最高反射波幅对应水距的方法为：应先使探头焦距落在棒材中心，再微调水距找到埋深为D-3mm的平底孔的最高反射波幅。

线聚焦探头可检测棒材直径范围的验证

按照埋深为D-3mm 的平底孔的最高反射波幅的确定方法，根据焦距25mm、35mm、45mm 和50mm的探头分别对应的可检测棒材直径范围φ8 ～φ36、φ8～φ42、φ8～φ55、φ8～φ58，对φ8、φ12、φ25、φ35、φ40、φ46 和φ54 TC4 棒材样件进行检测试验，得出试验结果如下：

（1）以φ40 TC4 棒材为例，焦距25mm、35mm、45mm 和50mm 的检测灵敏度依次为：78dB、63dB、64dB 和65dB，由于φ40 超出了焦距25mm探头的可检测直径范围φ8～φ36，如图19所示，导致检测灵敏度偏低，检测区域整体杂波水平升高，局部出现杂波误报。

图19 φ40 TC4Fig.19 φ40 TC4

（2）以φ46 TC4 棒材为例，焦距25mm、35mm、45mm 和50mm 的检测灵敏度依次为：80.5dB、73dB、64dB和65dB，由于φ46 超出了焦距25mm探头的可检测直径范围φ8 ～φ36、焦距35mm 探头的可检测棒材直径范围为φ8 ～φ42，如图20所示，导致检测灵敏度偏低，检测区域整体杂波水平升高，局部出现杂波误报。

图20 φ46 TC4Fig.20 φ46 TC4

（3）以φ54TC4 棒材为例，焦距25mm、35mm、45mm、50mm 的检测灵敏度依次为：84dB、81dB、66.5 dB 和66.5dB，由于φ54 超出了焦距25mm 探头的可检测直径范围φ8 ～φ36、焦距35mm 探头的可检测棒材直径范围为φ8 ～φ42，如图21所示，导致检测灵敏度偏低，检测区域整体杂波水平升高，局部出现杂波误报。

图21 φ54 TC4Fig.21 φ54 TC4

结论

（1）探头的检测报告仅给出焦距的试验测量结果，工业应用中工厂无法根据实际需要检测的棒材直径范围进行探头的选择，本研究给出的线聚焦探头的声反射特性测量和表征方法，既可确定不同焦距线聚焦探头的可检测棒材直径范围，规范现场应用，也可根据需要检测的棒材直径范围采购合适的探头，降低生产成本。

（2）通过对不同焦距线聚焦探头在棒材中声束指向性的测量，得出探头最高检测灵敏度对应的水距应使埋深为D-3mm 的平底孔反射波幅为最高，对应水距的调节方法为：应先使探头焦距落在棒材中心，再微调水距找到埋深为D-3mm 的平底孔的最高反射波幅。水距的调节在线聚焦探头检测棒材的工业应用中至关重要，本文给出的水距调节方法具有呈现试验结论、操作快速（兼顾效率）和现场防错的作用，探头焦距落在棒材中心并不是最优的声波往复透射率和声束指向性，但是接近最优的声波往复透射率和声束指向性，这样操作人员容易快速地完成调节，现场形成简单快速一致的使用方法，即使忘记微调也不至于给检测结果带来大的影响，既提高了生产效率也保证了检测质量一致性。