超声波探头极限扫查速度的分析

刘英和，张松明，张 海，郭万东

（天津市友联螺旋钢管有限公司，天津 301606）

1 问题的提出

一些超声波探伤标准关于探头扫查速度的描述如下：“探头的扫查速度不应超过150.0mm／s。当采用自动报警装置扫查时，不受此限”。标准关于此条规定是否合理？笔者通过对数字式超声波探伤仪报警响应速度，探头声场分布，脉冲重复频率等因素的分析，对探头极限扫查速度进行探讨。

2 对超声波探伤有关问题的理解

2.1 对标准的理解

以JB／T 4730.3－2005《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》标准为例，该标准是针对手动超声波探伤编制的，采用自动报警装置是否可以理解为带自动报警的数字式或部分模拟式超声波探伤仪。

2.2 对数字式超声波探伤仪探伤速度的理解

数字式与模拟式超声波探伤仪相比有以下几点改进：①减小了质量与体积。②实现了打印与通信。③实现了原始数据存储。④实现了缺陷自动定位与定量。⑤可存储多种探头的距离波幅曲线。

上述比较说明数字式超声波探伤仪的诸多优点与探头移动速度无关。

2.3 对脉冲重复频率与探头扫查速度的相互关系的理解

2.3.1 脉冲重复频率的概念

现代超声波检测技术使用的是脉冲反射法，即向被检物体发射一个短脉冲超声波，再接收它，如此往复。单位时间（秒）里，探伤仪驱动探头发射超声波的次数就是脉冲重复频率。

2.3.2 脉冲重复频率对超声波探伤仪的影响

（1）脉冲重复频率太低

早期的模拟式超声波探伤仪器，示波管显示屏的亮度需要有一定的扫描信号来维持，因此脉冲重复频率显得相对重要，因为脉冲重复频率过低会造成显示屏亮度暗淡。对于现代数字式超声波探伤仪普遍使用的液晶、场致发光显示器，因其发光原理与传统的CRT 显示器不一样，是恒定发光，因此亮度不再依赖脉冲重复频率。

以液晶显示器为例，其主要参数之一的“刷新频率”是表示屏幕图像每秒钟重绘的次数，一般情况下每秒30幅左右或更快速度的运动图像会被人眼认为是连续的（电影每秒钟重绘24次），所以人眼其实只需要30Hz以上的刷新频率，那么脉冲重复频率就只与探头扫查速度有关。

探头在移动过程中超声信号是间断发射的，如果移动的速度过快，而脉冲重复频率太低，可能会造成探头“划过”某处缺陷时超声波还没有“辐射”到该缺陷而造成漏检。

（2）脉冲重复频率太高

参考图1，同步脉冲（即脉冲重复频率）的频率决定了发射电路在单位时间内施加到超声探头上的发射脉冲次数。发射电路被同步脉冲触发而产生超声波的电脉冲，其机理是利用电容器（探头中的压电晶体）的充放电来实现的。当重复脉冲频率太高时，电容器充放电的时间间隔将会显著缩短，使电容器尚未充电到额定电压值时就开始放电，从而导致发射功率下降。为了保证足够的检测灵敏度，超声波探伤仪发射脉冲幅度多在400～500V 之间。

图1 发射电路触发探头示意图

脉冲重复频率太高时还会出现所谓的“游动波”，这种游动波酷似缺陷的反射回波信号。其特点是从荧光屏水平刻度（扫描基线）的始波位置出现，缓慢地向底波方向移动，直至越过第一次底波之后，从始波位置起又重新出现并向底波方向游动。在不同条件下其移动速度不同，有时极为缓慢，给识别真正的缺陷信号带来困难，当把脉冲重复频率降低后，这种游动波的现象就会消失。

发射电路中的发射管属于大功率电子元件，在脉冲重复频率（同步脉冲）的作用下，将不断地处在导通、截止的工作状态。其工作过程中自身会产生很大的热量，长此以往地工作在高温状态下将影响其使用寿命。同时发射管频繁的导通、截止工作状态是要消耗电能的，因此脉冲重复频率设置过高也会缩短便携超声波探伤仪电池的使用时间。

（3）发射功率大其发射电压就高，还涉及到探头中压电晶体的承受能力。如果电压太高会导致压电晶体发热，加速老化，甚至被击穿。此外发射功率大其脉冲宽度也大，会影响检测时的分辨力。在分辨力要求高，特别是近表面分辨力要求高的情况下，则不宜使用过高的发射功率。

综上所述，为了保证得到较高的检测灵敏度与良好的分辨力，同时兼顾探头中压电晶体的使用寿命，避免漏检与游动波等现象的出现。原则规定在设置的极限扫查速度下，缺陷被超声波有效声束“辐射”到的次数不得低于2次。如探头的极限扫查速度设置为150mm／s，探头有效接收尺寸（探头移动方向）10 mm，则脉冲重复频率为1（一次辐射）＋150mm／10mm（二次辐射）＝16Hz。

实际上，考虑到探测灵敏度的要求，声束覆盖区之间还必须有一定的交叉覆盖，假定交叉覆盖二分之一，也就是说脉冲重复频率应达到32 Hz。这与显示器所需的刷新频率30Hz基本一致。这对于常见厚度工件（6～200mm）的手工检测，超声波探伤仪上脉冲重复频率设置为32Hz是比较合理的。

3 数字超声波探伤仪报警响应速度的试验分析

3.1 试验准备

按照JB／T 4730.3－2005标准，使用2.5P13×13K2探头与CSK－ⅢA 试块制作图2所示距离波幅曲线，曲线不带补偿。

以试块上2 0.0mm深φ1mm×6mm孔作为模拟缺陷，移动探头找到该孔反射回波最高点，反射回波幅度超过图2所示的判废线，此时仪器发出报警声响。

3.2 试验过程

3.2.1 发出报警声响的条件

在相同条件下（如使用同一种探头），数字式超声波探伤仪的报警响应速度远不如模拟式超声波探伤仪，模拟式超声波探伤仪是实时工作，而数字式探伤仪则多了数模转换、数字信号采集、数字信号处理等电路，因此报警响应速度要慢一些。

数字式探伤仪发现缺陷后，缺陷反射回波幅度达到或超过图2所示三条曲线任意一条时仪器都将发出不同报警声响，现以报警最低条件即反射回波幅度达到评定线高度进行分析。

3.2.2 影响报警响应速度的因素

（1）试验中发现φ1mm×6mm 孔反射回波幅度达到最高点后探头侧面与试块侧面如果出现偏斜，且偏斜角度在2°以内时，反射回波幅度将明显低于评定线，此时即使发现缺陷仪器也不会报警。探伤时如果以150.0mm／s的速度移动探头，探头跑偏使主声束与缺陷形成不了100%垂直的现象是客观存在的，也是不可避免的。

（2）试验中发现φ1mm×6mm 孔反射回波幅度达到最高点后，向反射孔方向移动探头使该孔反射回波幅度达到评定线高度（仪器处在报警临界状态）即图2的A 回波，此时入射点向反射孔方向移动了4mm。将入射点移回到该孔反射回波幅度达到最高点的位置，再向远离反射孔方向移动探头使该孔反射回波幅度再次达到评定线高度（仪器处在报警临界状态）见图2的反射回波B，此时入射点移动了6mm，入射点左、右移动使反射回波分别达到评定线高度时，入射点有效移动范围是10mm。

3.2.3 入射点左、右移动距离不相等的原因分析

参考图3，超声波进入工件后要产生折射，折射角度β与上半扩散角θ上和下半扩散角θ下有关，且θ上大于θ下，即上半扩散角形成的声场范围要大于下半扩散角形成的声场范围。

图3 横波折射角度β、上半扩散角θ上、下半扩散角θ下对应关系

入射点向远离反射孔方向移动时，φ1 mm×6mm孔处在上半扩散角形成的声场范围之内，向靠近反射孔方向移动时，该孔处在下半扩散角形成的声场范围之内，这就是入射点左、右移动距离不相等的原因。

3.2.4 有效报警时间分析

上文中谈到能接收到缺陷信号并发出报警声响的声场有效范围是10mm，且当探头以150.0mm／s的扫查速度通过10 mm 的有效接收范围时，φ1mm×6mm 孔能被超声波有效声束“辐射”到2次。当探头以300.0mm／s的扫查速度通过10mm的有效接收范围时，该孔仅能被超声波有效声束“辐射”到1次，在相对较高的探头移动速度下如果探头运行轨迹出现跑偏的现象，很显然漏检的可能性是不可避免的。

4 结论

探头极限扫查速度的设定应综合考虑脉冲重复频率与检测灵敏度、分辨力、游动波的相互关系，也应同时兼顾脉冲重复频率对液晶显示器、探头、发射管使用寿命的影响。

因此将探头极限扫查速度设置在150.0mm／s以内是合理的。