超聲波激發(fā)參數(shù)對檢測結(jié)果的影響

詹紹正，楊鵬飛，王丹，張偉，寧寧，樊俊鈴

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

引言

超聲波檢測是工業(yè)無損檢測技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的方法之一，技術(shù)的廣泛應(yīng)用也推動了檢測設(shè)備的快速發(fā)展。近年來市面上的超聲檢測設(shè)備層出不窮，設(shè)備性能也由早期單參量的純應(yīng)用型設(shè)備向現(xiàn)代多參量的綜合研究型設(shè)備發(fā)展。如此一來，檢測中如何合理設(shè)置各參量參數(shù)值以獲得理想的檢測效果，對檢測操作人員提出了更高的要求。

實際的超聲波檢測工作中，在特定的探傷儀和探頭等硬件資源條件下，檢測參數(shù)的設(shè)置對檢測效果有著決定性的影響。對于現(xiàn)代超聲波探傷設(shè)備而言，檢測參數(shù)設(shè)置通常包括基本參數(shù)、激發(fā)參數(shù)和接收參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容，其中激發(fā)參數(shù)對檢測結(jié)果的影響極為關(guān)鍵，它直接決定著檢測系統(tǒng)的靈敏度、分辨力等性能指標(biāo)。因此，筆者結(jié)合檢測工作實際，研究了超聲波探傷儀中激發(fā)參數(shù)設(shè)置對檢測結(jié)果的影響規(guī)律，以幫助無損檢測人員在實際檢測工作中設(shè)置合理的激發(fā)參數(shù)。

1 超聲波探傷儀的構(gòu)成

超聲波探傷儀又叫超聲波A掃描儀，是利用超聲波的聲學(xué)特性對材料缺陷和損傷進行非破壞性檢測的一種電子儀器，是進行超聲波檢測的最基礎(chǔ)設(shè)備。它主要由同步電路、發(fā)射電路、接收電路、時基電路、顯示及報警電路、電源及輔助電路等七大部分組成[1]，其基本工作原理見圖1所示。

圖1 A型顯示脈沖超聲波探傷儀基本工作原理

同步電路也稱作同步脈沖發(fā)生器，其作用是產(chǎn)生周期性的同步脈沖信號，作為發(fā)射電路、時基電路以及其它輔助電路的觸發(fā)脈沖，使各電路在時間上協(xié)調(diào)一致工作。發(fā)射電路是一個電脈沖信號發(fā)生器，在同步脈沖信號的觸發(fā)下產(chǎn)生高達幾百伏的高壓電脈沖，施加到超聲波探頭的壓電晶片上產(chǎn)生脈沖超聲波。接收電路是對經(jīng)壓電晶片轉(zhuǎn)換后得到的微小電脈沖進行放大、檢波，使其能夠在顯示器上得到足夠的顯示。時基電路又稱掃描電路，用來產(chǎn)生時基線。顯示電路對處理后的信號進行顯示輸出。電源電路用來給儀器供電。輔助電路包括閘門電路以及距離幅度補償電路等。

在超聲波探傷儀的構(gòu)成中，發(fā)射電路是其核心部分，它對整個探傷儀系統(tǒng)的檢測范圍、靈敏度余量、分辨力等綜合性能指標(biāo)有著重要影。 因此，在實際超聲波檢測中，應(yīng)合理的設(shè)置激發(fā)參數(shù)，以獲得最優(yōu)化的檢測結(jié)果[2-6]。

2 超聲波激發(fā)參數(shù)對檢測結(jié)果的影響分析

目前市面上的A型顯示脈沖超聲波探傷儀發(fā)射部分的主要激發(fā)參數(shù)包括激勵方式、激勵脈沖寬度、激勵電壓、脈沖重復(fù)頻率和阻尼大小等[7]。下文作者將分別針對各激發(fā)參數(shù)對檢測結(jié)果的影響開展研究。

2.1 激勵方式對檢測結(jié)果的影響

尖脈沖和方波是目前超聲波探傷儀中兩種最常見的激勵方式，現(xiàn)代的超聲波探傷儀一般都同時集成了尖脈沖激勵和方波激勵兩種激發(fā)方式可供用戶設(shè)置，以應(yīng)對不同的檢測對象和需求。

為了研究不同脈沖激勵方式對實際超聲檢測效果的影響，第二炮兵學(xué)院的楊劍等人研究了兩種激勵方式對不同材料檢測的效果，并獲得了在合適的方波激勵條件下得到的檢測信號幅值是尖脈沖得到信號幅值的兩倍左右的結(jié)論。圖2所示為其采用尖脈沖和方波激勵分別對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料試樣和鋁合金試樣測試的試驗結(jié)果。對于碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，受結(jié)構(gòu)各向異性和纖維界面的影響，超聲波在其中的傳播衰減大，探頭接收到的回波信號較弱，基于信號分析與處理要求，方波激勵要優(yōu)于尖脈沖激勵。而對于鋁合金試樣，超聲波在其中傳播時衰減較小，回波信號較強，尖脈沖激勵已經(jīng)能夠滿足實際的檢測要求，而且其回波信號噪聲明顯比方波激勵模式下要小[8]。

圖2 不同激勵方式下測試結(jié)果

因此，基于楊劍等人的研究結(jié)果可知，在實際的超聲檢測中，對于樹脂基碳纖維增強復(fù)合材料等高衰減材料，為了獲得較大的聲波激發(fā)能量和較好的回波信號幅度，提高超聲脈沖幅度和穿透能力，更適合采用方波激勵方式；而對于鋁合金等材質(zhì)均勻、超聲傳播衰減小的金屬材料，宜采用尖脈沖激勵方式，以獲得較好的檢測信噪比和分辨率。

2.2 方波激勵脈沖寬度對檢測結(jié)果的影響

對于方波激勵而言，其一次激勵可以使超聲探頭產(chǎn)生兩次振動，見圖3。調(diào)節(jié)激勵方波的寬度可以使兩次振動進行疊加或減弱，當(dāng)激勵方波信號的脈沖寬度為所用超聲波探頭中心頻率的1/2周期時，此時探頭兩次振動產(chǎn)生的信號相位相同，通過兩次振動信號的疊加，合成后的信號幅值達到最大值（理論條件下，此時方波激勵產(chǎn)生的波形幅度將是同等激勵電壓下尖脈沖激勵所產(chǎn)生的波形幅度2倍，即高12 dB），此時的檢測靈敏度最高；當(dāng)激勵方波脈沖寬度設(shè)置為所用探頭頻率的一個周期時，兩個振動信號的相位相反，疊加后的合成信號振幅最弱，此時的檢測靈敏度最差，見圖4。

圖3 激勵方波使超聲探頭產(chǎn)生兩次振動過程

圖4 不同方波脈沖寬度下的信號疊加示意圖

圖5 所示為采用GE-USM GO+探傷儀匹配OLYMPUS 5 MHz探頭（周期為200 ns）在不同激勵方波脈沖寬度下的信號特征圖譜，圖6為在不同激勵方波脈沖寬度下的測得的回波幅度和回波寬度曲線。

從圖5、圖6可以看出，對于方波激勵，在激勵脈沖寬度小于探頭額定頻率1/2周期時，隨著激勵脈沖寬度的增加，信號回波幅度增加；當(dāng)脈沖寬度達到探頭額定頻率1/2周期后，回波信號幅度達到最大，當(dāng)繼續(xù)增大脈沖寬度，信號幅值逐漸下降，當(dāng)脈沖寬度增大到一定值時，檢測信號最終被分成兩個波形，這兩個波形代表著對兩個相同幅度和頻率下尖脈沖激勵的響應(yīng)信號。而且隨著激勵脈沖寬度的增加，超聲探傷儀上的始波寬度變寬，導(dǎo)致檢測的上盲區(qū)增大，檢測深度分辨率變差。

圖5 5 MHz探頭在不同激勵方波脈沖寬度下的回波信號圖譜

圖6 不同激勵脈沖寬度下的波幅和回波寬度比對曲線

由于實際探頭具有一定的帶寬，從圖7所示的曲線中可以看出，激勵脈沖寬度在探頭額定頻率1/2周期點附近，改變激勵脈沖的寬度對幅值變化的影響較小。因此，在實際采用方波激勵進行檢測時，激勵脈沖的寬度應(yīng)設(shè)置在探頭額定頻率的1/2周期附近，以獲得最佳的檢測靈敏度與分辨率組合。

同時，方波激勵脈沖的上升時間或下降時間會直接影響到超聲檢測的精度和分辨率，方波上升時間和下降時間越短，激發(fā)脈沖的帶寬越寬，越能激發(fā)探頭的高頻振蕩，使探頭響應(yīng)的相對帶寬也越大，發(fā)出的脈沖寬度更窄。因此，在實際超聲波探傷儀選購中，要求激勵方波上升時間或下降時間一般不超過20 ns[9,10]。

2.3 激勵電壓對檢測結(jié)果的影響

超聲探頭發(fā)射的超聲波是由超聲波探傷儀發(fā)出的激勵脈沖電壓施加到超聲探頭的晶片上使晶片振動而產(chǎn)生的，其振動的幅度直接影響著超聲波輸出能量的大小，超聲波探傷儀給探頭所施加的激勵電壓又決定著超聲波振動的幅度。激勵電壓越高，激發(fā)的超聲能量也越大，獲得的回波幅度越高。圖7所示為對相同直徑不同埋深的缺陷，方波激發(fā)電壓與回波信號幅度間的關(guān)系曲線，從中可以看出回波幅度與激發(fā)電壓呈線性關(guān)系。

圖7 方波激發(fā)電壓與回波幅度間的關(guān)系

然而，對于超聲檢測系統(tǒng)而言，所施加的激勵電壓直接影響著超聲波探頭的使用壽命。施加的激勵電壓越高，壓電晶片的振幅越大，但當(dāng)振幅過大時，導(dǎo)致壓電晶片內(nèi)部應(yīng)力太大超過了材料本身的抗拉強度，就會造成探頭壓電晶片材料開裂或斷裂，從而導(dǎo)致探頭損壞失效。此外，過高的激勵電壓也容易造成壓電晶片的擊穿；這種情況在高頻探頭中發(fā)生的概率更高，探頭頻率越高，其晶片材料就越薄，越容易破碎和擊穿，耐壓能力也就越弱。所以，在采用高頻探頭進行檢測時，激勵電壓不能過高。

因此，在實際無損檢測中，應(yīng)選擇適中的激發(fā)電壓。激發(fā)電壓過小，對超聲波探頭的驅(qū)動能力較弱，造成靈敏度余量不足。激發(fā)電壓過大，容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，導(dǎo)致噪聲電平增大和動態(tài)范圍縮小，而且過高的電壓對探頭也不利。

2.4 重復(fù)頻率對檢測結(jié)果的影響

重復(fù)頻率通常指的是超聲波探傷儀發(fā)射激勵脈沖的頻率（在模擬式儀器中也等于每秒鐘發(fā)射同步脈沖的次數(shù)），即每秒鐘發(fā)射激勵脈沖的次數(shù)，它決定了每秒鐘向被測結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射超聲波的次數(shù)。重復(fù)頻率對于自動化檢測尤為重要，自動化檢測的優(yōu)勢之一就是可以自動記錄超聲信號，因而可以實現(xiàn)高速掃查，這就需要有較高的重復(fù)頻率以保證不發(fā)生漏檢。而在手工檢測的目視觀察的情況下，對于傳統(tǒng)的模擬式超聲波探傷儀而言，提高重復(fù)頻率可以使波的亮度增加，便于觀察。

然而，過高的重復(fù)頻率會導(dǎo)致兩次激發(fā)脈沖間隔時間變短，容易使超聲波探頭在受到前一激發(fā)時所產(chǎn)生的脈沖回波信號未來得及完全衰減消失而被落入到后一次的觸發(fā)周期內(nèi)顯示（見圖8所示），在儀器顯示屏幕上形成干擾信號，如幻象波、虛假缺陷信號等，從而造成對檢測結(jié)果的誤判。

圖8 幻象波產(chǎn)生原理示意圖

圖9 所示為155 mm厚的30CrMnSiA試件在同等發(fā)射功率、不同重復(fù)頻率下檢測獲得的信號特征。當(dāng)采用較高的重復(fù)頻率進行檢測時，在上表面波和底波間存在較強的、跳動的干擾波信號，影響檢測結(jié)果的判定。在其它檢測參數(shù)不便，逐步降低檢測重復(fù)頻率，當(dāng)降低到一定程度時，干擾信號消失，檢測信號的可識別性大大增強。

圖9 重復(fù)頻率2 000 Hz和500 Hz時的信號特征

因此，在實際超聲檢測中，應(yīng)選擇合適的重復(fù)頻率。在不產(chǎn)生干擾信號的前提下采用較大的重復(fù)頻率可提高檢測效率，尤其對于自動化檢測，高的重復(fù)頻率可以避免因掃查速度過快導(dǎo)致的漏檢問題。

2.5 阻尼電阻對檢測結(jié)果的影響

超聲波探傷儀的發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式兩種，其中非調(diào)諧式發(fā)射電路具有發(fā)射脈沖短（尖脈沖、方波等不同形式）、脈沖頻帶寬、可適應(yīng)探頭頻帶范圍廣等優(yōu)點，是目前常見超聲波探傷儀主要采用的發(fā)射電路方式。圖10所示為典型的非調(diào)諧式發(fā)射電路原理圖，其中的可調(diào)電阻R0即為阻尼電阻；阻尼電阻主要有兩個作用，一是調(diào)節(jié)電容放電時間和發(fā)射功率，二是作為阻尼作用，調(diào)節(jié)探頭發(fā)出的超聲脈沖寬度。阻尼電阻值越小，發(fā)射的功率越小，發(fā)射的超聲脈沖寬度越窄。阻尼電阻值越大，發(fā)射的功率越大，發(fā)射的超聲脈沖越寬。

圖10 非調(diào)諧式發(fā)射電路原理

實際檢測中，超聲波探傷儀上會提供了阻尼電阻的不同阻值檔位供用戶選擇，用戶可根據(jù)不同的材料、厚度和所采用的探頭類型，選擇合適的阻尼值，以獲得良好的分辨率和檢測效果。

3 結(jié)論

激勵方式、激勵脈沖寬度、激勵電壓、脈沖重復(fù)頻率和阻尼電阻是超聲波檢測的幾個主要激發(fā)參數(shù)，在實際無損檢測工作中，應(yīng)根據(jù)不同的檢測對象材料和所使用的探頭型號，設(shè)置合適的檢測參數(shù)，以確保獲得良好的檢測效果。

1）在其它參數(shù)相同的情況下，方波激勵得到的檢測信號幅度是尖脈沖激勵的兩倍，方波激勵可以用于厚工件或衰減較大材料的檢測，尖脈沖激勵可以用于薄工件或?qū)Τ暡ㄋp較小材料的檢測。

2）激勵方波脈沖寬度應(yīng)設(shè)置在探頭中心頻率的1/2周期附近，以獲得最佳的檢測靈敏度與分辨率組合。

3）回波幅度與激發(fā)電壓呈線性關(guān)系，激發(fā)電壓過小，對超聲波探頭的驅(qū)動能力較弱，造成靈敏度余量不足。激發(fā)電壓過大，容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，導(dǎo)致噪聲電平增大和動態(tài)范圍縮小。在實際無損檢測中，應(yīng)選擇適中的激發(fā)電壓。

4）激發(fā)脈沖重復(fù)頻率過高，容易出現(xiàn)干擾信號，影響檢測信號的判別。激發(fā)頻率過低，影響掃查速度和檢測效率。在實際超聲檢測中，應(yīng)選擇合適的重復(fù)頻率。

5）阻尼電阻值越小，發(fā)射的功率越小，發(fā)射的超聲脈沖寬度越窄。阻尼電阻值越大，發(fā)射的功率越大，發(fā)射的超聲脈沖越寬。實際檢測中，應(yīng)根據(jù)不同的材料、厚度和所采用的探頭類型，設(shè)置合適的阻尼電阻值，以獲得良好的分辨率和檢測效果。