基于灵活相控阵换能器的复杂几何形状零件超声波检测

刘 野 左继泽 余雄飞 梅 涵 车宏鑫

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

法国压水反应堆的一次冷却系统和二次冷却系统由多种复杂几何形状的部件焊接而成，包括弯头、粗焊缝和喷嘴[1]。在使用传统超声波接触换能器检查这类组件的过程中会受很多因素的限制。首先，由于存在凹陷或不规则的表面，因此能观察到十分不匹配的接触，从而导致灵敏度发生变化，最终影响检测结果。其次，由于换能器在位移过程中会发生定向障碍，因此无法完全控制通过复杂界面所传输的光束方向，导致无法正确表征所检测的缺陷。同时，某些组件（例如喷嘴）的不规则几何形状也会干扰换能器的位移，从而导致存在未被覆盖的扫描区域[2-4]。

为了克服上述困难，该文采用相控阵接触换能器的方式。首先，其辐射表面是灵活的，这样就会尽可能使接触变得合理，从而提高测试的灵敏度。其次，为了在检测时提高缺陷表征的准确性，必须在扫描过程中控制和保留透射光束的特性，特别是其实际的透射方向和焦深。为此，该文使用了一种优化延迟定律的算法，该算法需要给出元件的实际位置，因此需要1 个与换能器相匹配的特定仪器来测量其辐射表面所发生的畸变。

1 超声波领域的模拟

法国原子能委员会（CEA）研发了一种Champ-Sons 模型，该模型预测了任意传感器在通过复杂界面（单片和相控阵，浸没和楔形耦合）的传输场[5-6]。该模型在Civa 软件中实现[7-8]，已经在几种水下检查的表征中进行了试验验证，并与其他相似或精确的模型进行了比较。为了处理直接耦合的接触传感器，必须模拟声源直接作用于固体表面所产生的位移。所选模型的原理是基于互易定理，即通过在有效辐射面上对该初始解进行数值积分，就可以估计任意换能器所产生的位移场[9]。该模型在Champs-Sons 软件中实现，可以模拟任意工件上的灵活相控阵换能器传输场，也可以考虑其辐射表面的畸变。

2 最优延迟法则

相控阵的聚焦过程如下：计算几何延迟定律，以确保在由深度和偏转角所定义的几何聚焦点处产生相长干涉。由试验可知，在透射光束上测量的声学聚焦特性与几何特性之间存在显著差异。这种在相控阵技术中的行为是由换能器的有限接触长度造成的。为了进一步理解并考虑这些影响，该文提出了一个简化的几何模型。

几何焦点由焦深P和偏转角α定义。对在均匀介质中发出辐射的接触换能器来说，相关的延迟定律是1 个以焦点为中心的球形圆弧（如图1 所示）。从焦点观察到的接触器张角（也称孔径张角）是由来自换能器边缘的射线进行定义的。在第一个近似值中，可以认为光束沿该接触面的平分线聚焦。偏转角α的光线与来自换能器中心的光线方向不同（它的方向用β来表示），β总是小于偏转角α。根据这种几何观察提出了一种快速预测接触式相控阵换能器传输波束声焦特性的模型，它需要定义1 个等效的单片换能器，同时考虑延迟定律的应用。它在入射平面中的辐射分布是1 个半圆，以焦点为中心，在孔径张角中延伸。光束方向由等效换能器的对称轴方向给出，通过计算沿该轴传输场的振幅分布来估计焦点位置。当采用可以发射2.0 MHz 瞬间波、大小为48 mm×20 mm 的线性相控阵换能器进行扫描时，该模型仍可以预估焦点的位置，这也是该模型的特点。50 mm 焦深在5 个偏转角（0°、15°、30°、45°和60°）所计算的结果和参考焦点特性的比较如图2 所示。该模型给出的结果与 Champ-Sons 获得的焦点特征吻合。

图1 聚焦过程的几何图形解释

图2 一般几何模型和Champ-Sons 模拟声焦特性的对比

在迭代过程中，该模型主要是对延迟规律进行优化，以达到控制光束方向的目的。该方法主要是在目标深度寻找焦点，以便孔径张角的平分线方向能够达到期望值。该算法足够快，以至于可以应用于真正的检测工作中。

3 结果

该试验在F.A.U.S.T.（聚焦自适应超声断层扫描）系统上进行。柔性换能器由 24 个硬质基本超声换能器（元件）组成，通过电缆和螺旋弹簧机械组装。每个元件的设计使辐射面存在一定的弯曲面，局部曲率半径为15 mm。使用中心频率为2.25 MHz 的接触探头接收器测量传输场。

3.1 静态模式下的测量

钢块的外形由3 个部分组成（1 个凹面部分、1 个曲率半径为50 mm 的凸面部分和1 个曲率半径为25 mm 的凹/凸面部分）。同时，在4 个不同位置上（分别距离参考平面 20 mm、30 mm、40 mm 和 50 mm）测量传输场。分别测量同一个位置在不同偏转角度（0°、45°和60°）下的由几何和优化延迟规律所产生的场。将通过复杂界面获得的测量结果与通过平面界面获得的测量结果进行比较，以判断如何处理辐射表面畸变对透射光束的影响。图3 显示了在平面界面（图3 左侧）和最不利的凹/凸界面（图3 右侧）聚焦深度为40 mm、偏转角度为45°的扫描结果（A 扫描、B 扫描和C 扫描），在回波动力学中可以观察到栅瓣水平和焦宽（X、Y和Z分别表示三维空间中的平面水平方向、平面竖直方向和纵向深度），试验结果与模拟结果吻合较好。在所有研究的剖面、深度以及偏转角中，焦点区域的特征（位置、方向、宽度以及振幅）都得到了良好的预测。此外，与平面界面相比，尽管表面崎岖的辐射面产生了显著的畸变，但是透射焦束的畸变仍然是可以接受的。焦宽最多增加了40%，但是灵敏度最多损失3 dB，栅瓣水平最多增加3 dB。在所有情况下，用简化的几何模型都能很好地预测实际的焦束方向，平均差异小于2°。

图3 在平面界面（左）和凹凸界面（右）上的扫描对比

3.2 动态模式下的测量

为了评估连接的换能器在扫描不规则表面期间的声学能力，在1 个局部曲率半径为20 mm 且表面凹陷的试件上分别测量换能器在5 个位置上的透射场。每间隔10 mm测量1 次焦距、焦距振幅、光束方向和栅瓣水平，该文研究了2 个深度（30 mm 和 50 mm）以及2 个方向（45 °和 60°）上的传输场。当深度为30 mm、方向为45°聚焦下所透射的场如图4 所示（焦束振幅是指通过平面界面获得的焦束振幅）。

图4 5 个不同位置上45°方向所模拟的声波场对比

每个位置传输的聚焦光束特性与通过平面界面所获得的光束特性非常接近。透射光束的方向沿换能器位移几乎恒定（最大变化小于2°），灵敏度的变化小于2 dB，焦距几乎不变且没有观察到光栅瓣级显著增加（小于2 dB）。这些结果表明，结合延迟律优化算法的关节式换能器能够校正几何像差，发射具有可控和均匀特性的聚焦光束。

4 结语

该文使用了一种相控阵接触换能器，可以优化复杂几何组件的检测过程。它的辐射表面是灵活的，可以优化换能器与复杂轮廓的接触方式。该文还提出了一种算法来快速确定延迟定律，以确保对传输的聚焦光束特性的控制。仿真试验结果验证了仿真数据所预测的良好性能，采用延迟律优化算法保证了在传感器沿复杂几何位移过程中传输均匀的可控光束。