水浸探头声场参数对缺陷评定的影响

韩 波，杨平华，郝军君

（北京航空材料研究院，北京 100095）

随着对产品质量要求的提高，水浸超声检测的应用越来越多。水浸法超声检测可缩小检测盲区，便于实现自动检测，减少影响检测可靠性的人为因素，还为实现聚焦声束检测，满足高灵敏度、高分辨率检测需求提供了条件。聚焦探头由于其检测灵敏度高、对缺陷方向不敏感等优点，在一些重要零件的检测中应用得越来越多。笔者通过采用不同声场参数的水浸探头对同一零件的检测和评定结果的对比，分析和讨论了水浸探头声场对缺陷检测和评定的影响，为日后检测参数的选择和缺陷评定提供一些参考。

1 检测原理

水浸检测分为普通非聚焦探头和聚焦探头两种。如图1所示，其中，D为晶片直径，R为聚集透镜半径，F为焦距，L为焦程长度。在普通非聚焦探头的声场中，声束宽度约为换能器直径，且随着距离的增大逐渐加宽。由于声束穿过的多晶结构基体材料体积较大，声波遇到的散射体数量较多，相应引起散射噪声也较大，对于反射幅度较低的小缺陷，就会造成信噪比不足。而带有聚焦透镜的探头，由于透镜的聚焦作用，使焦点附近能量高度集中，因此，在焦区内可使小缺陷检测灵敏度提高，同时，由于声束变窄也使声场内组织散射信号减少，从而提高了检测信噪比。但是，聚焦探头高灵敏度范围有限，在聚焦区之外灵敏度和信噪比仍会变得很低。

图1 聚焦探头与非聚焦探头检测波形效果示意

聚焦探头能量较集中的聚焦声场主要由焦柱长度L和焦点直径φ两个参数决定，分别如式（1）和（2）表示：

式中：λ为超声波波长。

由上述两式可以看出，若要增大焦柱长度，则需增大焦距，减小晶片直径，但同时声束直径会增大。根据理论研究结果，聚焦探头焦点能量集中的效果在N／F值较大时为好。增加焦距减少晶片直径，就会使N／F减小，聚焦探头提高信噪比的能力减弱［1］。

通常由于聚焦探头焦柱直径远小于压电晶片直径，利用焦柱区可准确测定缺陷尺寸。在缺陷的尺寸评定中，如果测出的尺寸不大于焦柱截面积，则测出的是焦柱区尺寸；如果测出的尺寸远大于焦柱尺寸，则测出的是缺陷尺寸。因此焦点尺寸越小缺陷的尺寸测量越准，但焦点尺寸越小检测效率越低，因此需要结合检测要求确定检测用探头参数［2］。

2 试验过程和检测结果

选取了日常检测中常用的3 种类型探头：5 MHz水浸平探头，5 MHz 水浸聚焦探头和10 MHz水浸聚焦探头，依据美国材料学会标准ASTME 1065［3］对各探头进行了声场参数的测试，测试结果见表1和图2。采用上述探头分别对有缺陷的某一零件进行了水浸C 扫描检测，检测时灵敏度均为φ0.8mm 当量平底孔。

表1 水浸探头的声场参数测试结果 mm

试验中聚焦探头检测时焦距落在零件表面上，水浸平探头的水距则选取近场N 点落在零件表面上进行扫查。各探头的检测C扫描图见图3。

3 缺陷的评定结果与分析

3.1 缺陷的评定结果对比

对各探头检测出的缺陷尺寸和当量进行了评定，结果见图4，5。为了对结果进行进一步确认，改变检测水距，使焦点或N点落在F1处再次进行了评定。评定结果图见图6，7，其中Ⅰ为5 MHz平探头，Ⅱ为5MHz聚焦探头，Ⅲ为10MHz聚焦探头。

3.2 结果分析

（1）从试验结果可以看出，不同探头检测的结果相差较大，得出的结论也不相同。按照0.8 mm当量平底孔验收的话，5 MHz平探头的检测结果不合格，而其他两个探头的检测结果均合格。

（2）从缺陷的评定结果看，水浸平探头评定缺陷的当量和尺寸远大于聚焦探头的评定结果，分析原因可能是因为F1和F2是面积型缺陷，平探头晶片尺寸和声束宽度大（见表1），缺陷反射能量高，因此评定的当量和尺寸较大；聚焦探头检测中，5 MHz聚焦探头的评定结果大于10 MHz聚焦探头的评定结果，这是因为5 MHz探头声束宽度大于10 MHz聚焦探头（见表1），两个聚焦探头对F1和F2的评定结果均相差11.5dB。

（3）将焦点（或N点）落在F1深度处再次进行检测的结果显示，各探头评定F1尺寸相近（见图6F1的长度尺寸评定结果），F1宽度方向的差距也减少；当量评定的差距也减少。比较探头的声束宽度发现，此时的声束宽度差异也最小。因此说明，在缺陷的尺寸远远大于探头声束直径时，评定结果相差不大（见图4 中F1的长度尺寸评定结果）；而在缺陷的尺寸接近或小于探头声束直径时（宽度方向），不同声束直径的探头评定结果相差较大（见图4 中F1的宽度尺寸评定结果），声束直径越小，评定缺陷的尺寸越准。因此，检测和结果评定时应考虑到探头声场参数对结果评定的影响，尽量选取声场参数适合的探头进行检测和结果评定。

4 结论

水浸探头的声场参数对零件检测和缺陷评定有较大的影响，因此了解探头声场参数对缺陷的检测和评定至关重要。在产品的检测中应了解探头的相关参数，适当选用，才能够满足检测和正确评定的要求。

［1］ 史亦韦.超声检测［M］.北京：机械工业出版社，2005，36－37.

［2］ 莫润阳.超声聚焦探头缺陷检测能力探讨［J］.无损检测，2000，22（2）：62－63.

［3］ ASTM E1065Evaluating Characteristics of Ultrasonicsearch Units［S］.