近场对相控阵超声TCG校准的影响

乔江伟，李 健，刘春杰，李宝超，黄 旭

(1.北京思派特检测技术咨询有限公司，北京 100176；2.河北中跃检验检测有限公司，廊坊 065000；3.廊坊市新思维科技有限公司，廊坊 065000)

相控阵超声检测(PAUT)技术因具有灵活控制检测声束、无辐射污染、检测可靠高效、受人为因素影响较小、检测结果图像化且可保存等特点广泛应用于工业无损检测中。在焊接接头的相控阵超声检测应用中，目前有两种验收方法，第一种主要依据缺陷的波幅及测量长度进行验收，如标准NB/T 47013.15-2021 《承压设备无损检测 第15部分 相控阵超声检测》 和ISO 19285-2017 《焊缝的无损检测 相控阵超声检测 验收等级》 中均介绍了基于波幅及长度的验收方法；另一种是依据断裂力学基于缺陷长度及高度的验收方法，如ASME标准就采用了此类验收方法。在相控阵超声检测中，考虑到其基本原理与常规超声检测相同，依据波幅的测高方式受到波束角度、缺陷走向、缺陷反射面积等因素的影响，因此多选取依据缺陷波幅及长度的验收方法。

对于基于缺陷波幅和长度的验收方法，无论采用-6 dB测长还是选用绝对灵敏度测长方法，缺陷的波幅本身直接决定着验收结果，为缺陷长度测量的唯一依据。由此可见，灵敏度的准确性直接决定了验收结果的准确性。因此，在所有相控阵超声检测标准中，均要求或推荐使用TCG(时间校正增益)校准，将所有波束在不同深度的反射体回波校准到同一波幅高度位置，从而保证检测覆盖的不同区域具有相同的检测灵敏度。

文章基于几何声学的方法，计算了不同探头、参数设置及偏转角度下的近场深度，并通过试验验证了超声近场、聚焦深度等因素对于TCG校准的影响，为焊接接头相控阵超声检测时探头与楔块的选择以及参数设置提供参考。

1 相控阵超声检测TCG校准

超声波在介质中传播时，受声束扩散、晶粒散射和介质吸收等因素影响，会出现能量逐渐衰减的现象。对于相同形状、大小的反射体，其深度不同时，得到的超声反射回波能量也不同。为有效评估反射回波与参考反射体当量的关系，在超声检测中通常绘制距离波幅曲线(DAC)来描述相同反射体在不同深度反射回波能量衰减的趋势，进而依据不同深度缺陷反射回波与DAC曲线的相对位置关系，结合验收标准确定最终的评定结论。

在相控阵超声检测中，无论是线扫描还是扇扫描，最终都会通过二维彩图的方式显示被波束覆盖的区域，从而识别出检测区域内不同位置的缺陷回波信号，也可通过颜色判断反射回波的高度，但前提是检测范围内的灵敏度一致；另一方面，相控阵超声检测通常会连接编码器，通过一次单线扫查的方式采集存储每个位置的数据，因此无法像常规超声一样在检测过程中实时调节仪器的增益值，这就要求其检测范围内所有深度处的初始灵敏度不宜过低，以免较深位置的反射回波过低，无法分析评定数据。鉴于此，在相控阵超声检测中，通常会使用TCG校准替代DAC曲线进行灵敏度的调节设置。

TCG是一种超声波信号处理中常用的增益控制的方式，可使不同深度下相同反射体的超声回波得到不同的放大倍数，从而得到相同的灵敏度。TCG曲线可以通过理论计算或者采集不同深度上的相同反射体的回波信号来绘制。目前，工业领域的相控阵超声检测设备基本都是利用采集实际回波信号的方式进行TCG校准补偿，校准后覆盖深度范围内的灵敏度一致。DAC和TCG校准结果示例如图1所示，DAC校准曲线描绘了相同反射体在不同深度位置处回波高度；TCG校准将相同反射体在不同深度位置处的回波波幅调整为同一高度水平(图中横坐标为深度，纵坐标为波幅,FSH为满屏幕高度)。

图1 DAC与TCG校准示意

2 相控阵超声检测的近场计算

近场是指波源附近，由于波的干涉出现的一系列声压出现极大值和极小值的区域，又称菲涅尔区。由于近场区存在声压极大值和极小值的点，故常规超声检测时，通常使用远场区(大于近场长度的声场区域)进行缺陷检测。相控阵超声检测原理同样遵循超声基本原理，只是相控阵超声通过在不同晶片上施加激励延迟，控制每个晶片激发的时间，从而通过声波的相互干涉叠加实现波束的偏转和聚焦。在焊接接头的相控阵检测中，通常将相控阵探头安装在带有固定倾斜角度的楔块上，其辐射声场至楔块中，并在楔块-工件界面上发生模式转换，产生横波进入待检工件中[1]。为了能够计算得到相控阵超声斜入射波束在工件中的声场长度，首先需要计算晶片组的激活孔径，PAUT探头偏转波束的有效孔径如图2所示，相同晶片组在产生不同角度的波束时，其有效的激活孔径也不相同，有效孔径Aeff可表示为

图2 PAUT探头偏转波束的有效孔径示意

(1)

通过有效孔径能够计算出探头在楔块中辐射声场的近场区长度，再减去声波在楔块中传播的等效距离后，即可得到相控阵超声及楔块组合系统辐射偏转波束时，在待检工件中的近场长度N，即

(2)

式中：f为探头频率；A为晶片组激活孔径；ct为工件中的声速；α为楔块物理角度；θi为工件中折射角对应的入射角度；θt为工件中的折射角度；Li为声波沿声轴线在楔块中的传播距离[2-3]。

相比近场长度，焊接接头检测中常用的是检测深度，近场深度Ndepth可表示为

Ndepth=N·cosθt

(3)

扇形扫描是焊接接头相控阵超声检测最为常用的一种扫描方式，其通过在一组晶片上施加不同的聚焦法则，得到不同角度的超声波束。对于一个特定的相控阵超声探头，在设置检测工艺时，当使用的晶片组、激活晶片数量、楔块型号、波束角度发生变化时，其对应的近场也会随之变化。

笔者选择两组相控阵超声设置进行近场计算，探头及楔块参数设置如表1所示。根据设备中给定的探头及楔块参数，通过试验单独激发第一晶片确定波束出射位置，从而确认第一晶片高度值，最终确定晶片在楔块中的相对位置，进而计算得到两组设置中不同角度波束楔块中的传播距离Li，不同折射角度波束在楔块中的传播距离如表2所示。

表1 探头及楔块参数设置

表2 不同折射角度波束在楔块中的传播距离 mm

为了便于后面的试验，对楔块及工件的声速进行了测定，楔块中纵波声速ci=2 330 m·s-1，工件中的横波声速ct=3 231 m·s-1。根据测定的声速及表1，2中对应的参数，利用式(2)，(3)计算得到设置A和设置B中不同折射角度波束的近场深度(见表3)。

通过对计算得到的数据进行分析，发现虽然两组设置中不同角度波束在楔块中的传播距离较为接近，但设置B采用的是频率更大的7.5 MHz探头，且其晶片中心距为1.0 mm，与设置A相比，其激活孔径更大，近场深度也更大。不同折射角度波束在工件中的近场深度如表3所示，可见65°和70°对应的设置A的近场深度出现了负值，说明两条波束的近场均在楔块内部。

表3 不同折射角度波束在工件中的近场深度 mm

3 TCG校准试验

为能有效地对比以上两项设置的近场深度对TCG校准的影响，设检测工件厚度为20 mm，焊缝一侧PAUT扇形扫描覆盖如图3所示，可见扇形扫描中最小的角度40°通过一次底面反射能够覆盖探头同侧热影响区的位置，40°～60°波束范围通过一次底面反射覆盖了表面以下大部分焊缝及热影响区，转换成超声传播的实际深度，二次波有效检测深度为20～40 mm；扇形扫描中61°～70°大角度波束利用直射法检测焊缝根部及以上区域，一次波的有效检测深度为0～20 mm。结合表3可以发现，设置A中各个角度的有效检测深度均在近场以外；而在设置B中，除70°波束的有效检测深度在近场附近，其余角度范围的有效检测深度均在近场以内。

图3 20 mm厚焊缝一侧PAUT扇形扫描覆盖示意

按照20 mm工件厚度，二次波检测应能覆盖2倍板厚即40 mm深的位置，按照检测标准要求TCG校准深度应不少于40 mm。TCG是一种补偿曲线，实际操作过程中一般至少添加3个点保证曲线的平滑，且在NB/T 47013.15 标准中有明确的TCG校准点数量要求，要求校准所使用的参考反射体一般不少于3个不同深度点，因此，在满足40 mm深校准范围的条件下，分别选择2种TCG校准点添加方案，第一种校准点(深度，下同)选择为10，30，40 mm，TCG校准完成后测量未校准的20 mm横通孔的波幅；第二种校准点选择为10，20，40 mm，TCG校准完成后测量未校准的30 mm横通孔的波幅。

此外，考虑到相控阵超声有聚焦设置，而焦点的设置对超声波束声场能量分布存在影响，因此对比试验时加入聚焦与非聚焦的对比。聚焦设置时将焦点设置在最大探测深度40 mm处；非聚焦设置时将焦点设置在深度500 mm处(仪器无法选择不聚焦，因此将聚焦深度设置在足够远处)。为了避免存在损坏晶片以及其他设置参数对试验结果的影响，分别对两个相控阵探头进行了晶片检查，逐个激活晶片确认2组设置所用探头无损坏晶片，两组设置的电压均为80 V，脉冲宽度均设置为1000/2f(f为探头标称频率)，均以探头主频设置带通滤波及平滑滤波。

3.1 聚焦深度40 mm的TCG校准结果(设置A)

按照既定的试验内容，将设置A对应的相控阵探头连接到PAUT主机上，按照表1内容安装对应的楔块，并在软件中输入相应的设置参数，设置聚焦深度为40 mm，激励电压为80 V，脉冲宽度为100 ns，5 MHz带通滤波及平滑滤波。

使用RB-3试块上的深度为10，30，40 mm的φ3 mm横通孔添加3个TCG点，将所有角度在3个点的波幅均校准至满屏高度的80%±5%，校准结果如图4所示。

图4 设置A中聚焦深度40 mm的TCG校准结果

TCG校准完成后，将探头移至非TCG校准点的20 mm深横通孔上方，前后移动探头找到每个角度在横通孔处的最高反射回波(见表4)。

表4 非校准点20 mm深横通孔不同角度的回波波幅

3.2 其他试验结果

考虑到试验过程相似，不对其他试验过程进行赘述，参考3.1节，分别完成其他试验内容。为使数据对比结果更加直观，将试验1至8得到的全部数据统计记录在表5中，并通过计算得到所有非TCG校准点波幅与校准目标参考水平80%波幅的dB差，一同记录在表5中。

表5 TCG校准试验数据

试验2：设置A，聚焦深度40 mm，校准点为10，20，40 mm，记录非校准点30 mm波幅。

试验3：设置A，聚焦深度500 mm，校准点为10，30，40 mm，记录非校准点20 mm波幅。

试验4：设置A，聚焦深度500 mm，校准点为10，20，40 mm，记录非校准点30 mm波幅。

试验5：设置B，聚焦深度40 mm，校准点为10，30，40 mm，记录非校准点20 mm波幅。

试验6：设置B，聚焦深度40 mm，校准点为10，20，40 mm，记录非校准点30 mm波幅。

试验7：设置B，聚焦深度500 mm，校准点为10，30，40 mm，记录非校准点20 mm的波幅。

试验8：设置B，聚焦深度500 mm，校准点为10，20，40 mm，记录非校准点30 mm的波幅。

4 试验结果分析

对得到的数据进行对比和分析，结果如下。

(1) 设置A所有检测角度的有效检测深度(假设工件厚度为20 mm)均在近场外，当聚焦深度设置在500 mm时(试验3和4)，在非校准点处得到的回波波幅与参考波幅80%的dB差最大值分别为2.3 dB和2.9 dB，声压变化较为规律；当聚焦深度设置为40 mm时(试验1和2)，在非校准点处得到的回波波幅与参考波幅80%的dB差最大值分别为3.2 dB和4.3 dB，显然聚焦点设置在检测区域内或附近时，检测区域内声场能量分布发生变化，与试验3和4相比，试验1和2在非校准点的灵敏度补偿精确度有所下降。

(2) 设置B中所有检测角度的有效检测深度(假设工件厚度为20 mm)在近场以内或近场附近(70°)，当聚焦深度设置在40 mm时(试验5和6)，在非校准点处得到的回波波幅与参考波幅80%的dB差最大值分别为4.5 dB和7.4 dB；当聚焦深度设置在500 mm时(试验7和8)，在非校准点处得到的回波波幅与参考波幅80%的dB差最大值分别为4.9 dB和5.6 dB。分析数据说明尽管相控阵超声能够通过延迟控制每个晶片波束的干涉叠加，但近场内声压分布不均会导致波束能量变化较大，此时无论焦点设置在检测区域内还是非聚焦模式，制作的TCG曲线均无法对非校准点深度进行有效增益补偿，检测灵敏度差异较大。

(3) 不同标准中对于灵敏度变化的要求如表6所示，两份国内标准要求灵敏度变化不大于3 dB时，无需采取措施或仅使用软件进行纠正；ISO标准中要求灵敏度变化不大于4 dB时，无需采取措施，可用软件纠正。结合标准对灵敏度变化的要求，试验数据中仅设置A聚焦深度在500 mm时的数据(试验3和试验4)满足标准的核查要求。以国内标准要求的±3 dB为参考线，可以更加直观地看到不同设置或操作方法导致各个角度TCG校准补偿准确度的差异。试验波幅与参考波幅80%的dB差值曲线如图5所示。

表6 不同标准中对灵敏度变化的要求

图5 试验波幅与参考波幅80%的dB差值曲线

5 结论

通过计算2种典型相控阵探头的近场区长度，并进行试验对比了不同设置和操作方式下的TCG校准在非校准点位置的灵敏度核查结果，验证了近场区和聚焦设置均会影响相控阵超声检测声束能量的分布，由于近场内存在极值变化，衰减的非线性会直接影响TCG校准补偿的精确度和有效性。

目前，无论是PAUT设备还是波束模拟软件均没有说明当前设置下的近场，且检测标准中也没有对TCG添加点深度间隔的要求，实际检测中通常仅对TCG校准点的灵敏度进行核查，因此极易忽略TCG曲线在非校准点深度的补偿有效性。分析试验结果可以发现，在相控阵超声工艺制定时，了解并计算选用设置下的近场深度是十分必要的。当检测区域在近场以外，而聚焦深度设置在检测区域附近时，会造成检测区域内声场能量分布的变化，添加TCG点的深度间隔不应过大；当检测区域在近场以内时，不应局限于3个TCG点的最少添加要求，应结合检测厚度控制TCG校准点的间隔，确保TCG校准曲线能够有效补偿到检测区域的各个深度，保证相控阵超声检测灵敏度的一致性。