超聲應(yīng)力換能器指向性校準(zhǔn)方法研究

牛 淼，吳德林，姚 磊，鄭慧峰，高申平，俞醒言

(1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018; 2.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018;3.國家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(聲學(xué)振動(dòng)精密測(cè)量技術(shù))，浙江 杭州 310018;4.浙江省聲學(xué)振動(dòng)精密測(cè)量技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310018)

0 引言

近年來，超聲應(yīng)力廣泛應(yīng)用于栓體、燃?xì)夤艿馈⒏邏喝萜骱缚p等被測(cè)件的應(yīng)力檢測(cè)。超聲應(yīng)力采用縱波與臨界折射縱波進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，是最便捷、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的方法，亦是目前各國研究的熱點(diǎn)和今后超聲應(yīng)力檢測(cè)的主要發(fā)展方向[1-3]。通過超聲對(duì)應(yīng)力的敏感度分析表明，沿應(yīng)力方向的縱波與臨界折射縱波敏感度較高，應(yīng)力的檢測(cè)精度最高[4]。但實(shí)際檢測(cè)時(shí)，超聲波與應(yīng)力在方向上存在一定的夾角，影響應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果。因此，換能器指向性校準(zhǔn)方法的研究對(duì)超聲應(yīng)力檢測(cè)具有重要意義。

換能器指向性的理論分析是校準(zhǔn)方法研究的重要組成部分。張明等計(jì)算出5種典型活塞聲源輻射聲場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓分布和指向性函數(shù)[5]。超聲換能器聲束指向性的校準(zhǔn)，常在水介質(zhì)中進(jìn)行測(cè)量。采用水聽器法進(jìn)行聲場(chǎng)特性的校準(zhǔn)，利用掃描定位裝置帶動(dòng)水聽器對(duì)若干平面進(jìn)行掃描，得到的-3 dB聲束擴(kuò)散角是描述聲場(chǎng)指向性的重要參數(shù)[6]。將被校換能器固定在旋轉(zhuǎn)軸上并置于水中，在一定距離處放置標(biāo)準(zhǔn)水聽器，通過旋轉(zhuǎn)待測(cè)換能器來記錄信號(hào)繪制指向性圖[7]。在水中校準(zhǔn)超聲換能器指向性的方法較成熟，但有些超聲應(yīng)力換能器因水密性問題而不能置于水中，另外某些基于電磁超聲轉(zhuǎn)換原理的超聲應(yīng)力換能器無法往水中輻射聲波，在水中的測(cè)量方法不適用于此類超聲應(yīng)力換能器指向性的校準(zhǔn)。因此，許多學(xué)者選擇超聲探傷儀標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行臨界折射縱波聲束指向性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果保持一致[8-9]。標(biāo)準(zhǔn)試塊法利用其相對(duì)平面對(duì)縱波聲束擴(kuò)散角進(jìn)行測(cè)量，但各角度下接收換能器與被校換能器的距離不同，以此表征換能器的指向性會(huì)帶來較大的誤差。

本文提出采用半圓柱試塊法，被校換能器向半圓柱試塊內(nèi)部進(jìn)行聲波輻射，在同一水平面下接收換能器在圓柱面圍繞被校換能器進(jìn)行各角度等距離接收信號(hào)，進(jìn)而分析被校換能器的指向特性。相比水中測(cè)量方法，該方法更符合超聲應(yīng)力檢測(cè)的實(shí)際使用工況，適用于任意型號(hào)的超聲應(yīng)力換能器指向性校準(zhǔn)，方便快捷且適用于現(xiàn)場(chǎng)。

1 半圓柱試塊法

半圓柱試塊法可以測(cè)量縱波與臨界折射縱波聲場(chǎng)指向性，如圖1所示。測(cè)量縱波指向性時(shí)，被校換能器向半圓柱試塊內(nèi)部進(jìn)行聲波輻射，在同一水平面下接收換能器在圓柱面圍繞被校換能器進(jìn)行各角度等距離接收信號(hào)，進(jìn)而分析被校換能器的指向特性。在此基礎(chǔ)上測(cè)量臨界折射縱波的指向性，需要將被校換能器更換為臨界折射縱波換能器，臨界折射縱波入射點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)試塊圓心，接收換能器在圓柱面端點(diǎn)處開始各角度等距離下接收信號(hào)。臨界折射縱波換能器由縱波換能器與聲楔塊螺紋配合組成，入射縱波以第一臨界角為入射角，在試塊圓心處產(chǎn)生臨界折射縱波。

2 縱波指向性

為了對(duì)縱波進(jìn)行指向性測(cè)量，通過半圓柱試塊法設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。試塊為半圓柱體，表面光滑，在其上面貼合半圓刻度盤，便于精準(zhǔn)角度調(diào)整。被校換能器放在試塊平面中心保持不變，接收換能器與被校換能器中心對(duì)準(zhǔn)后，接收換能器在半圓柱面同一水平面圍繞被校換能器各個(gè)方向接收信號(hào)。被校換能器和接收換能器表面均涂有耦合劑。在激勵(lì)源選擇上，為了避免試塊邊緣的反射波對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生影響，且保證接收信號(hào)的穩(wěn)定，故采用脈沖波。由信號(hào)發(fā)生器生成10個(gè)周期幅值為10 V、頻率5 MHz正弦脈沖信號(hào)激勵(lì)被校換能器。采用泰克數(shù)字示波器測(cè)量接收信號(hào)，得到的換能器縱波指向性如圖3所示。

為了驗(yàn)證半圓柱試塊法的可行性，利用水聽器法對(duì)換能器的指向性進(jìn)行測(cè)量。以被校換能器的正對(duì)方向?yàn)橹行模犉骼@被校換能器各個(gè)方位轉(zhuǎn)動(dòng)掃描[6]?？v波活塞式換能器的指向性由貝塞爾函數(shù)得出:

(1)

式中：k為超聲波波數(shù)；a為活塞半徑；θ為位置矢量與換能器聲軸的夾角。

由圖3可知，實(shí)驗(yàn)所用縱波換能器的聲場(chǎng)靠近中心軸線的周圍區(qū)域，能量幅值較高，其余區(qū)域能量幅值較低，在中心軸線的兩側(cè)聲場(chǎng)基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特點(diǎn)，且具有明顯的指向性分布?？v波換能器的聲場(chǎng)主要集中于中心軸線兩側(cè)-5°～5°區(qū)域。

通過半圓柱試塊法、水聽器法與理論計(jì)算得到-3 dB的波束寬度，即主聲束兩側(cè)下降到主極大值0.707處的夾角。利用半圓柱試塊法校準(zhǔn)得到縱波換能器指向性，其-3 dB波束寬度為5.01°，與水聽器法測(cè)量值、理論值相對(duì)偏差分別為3.09%、2.66%。實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算仿真的結(jié)論一致，這說明了半圓柱試塊法的可行性，同時(shí)驗(yàn)證了換能器指向性在聲場(chǎng)中分布的理論。

3 臨界折射縱波指向性

3.1 聲場(chǎng)仿真

低頻的聲波信息傳輸常采用固體力學(xué)中的邊界載荷，但是超聲波頻率高，波長短，繼續(xù)使用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，則計(jì)算量大，且難以收斂。因此，采用彈性波時(shí)域顯式物理場(chǎng)模擬波在線彈性介質(zhì)中的傳播。構(gòu)造的臨界折射縱波仿真模型如圖4所示，其中聲楔塊材質(zhì)為有機(jī)玻璃，半圓柱試塊材料為鋼。通過計(jì)算得到第一臨界角為28°。

換能器的中心頻率為2.5 MHz時(shí)，激勵(lì)波形的周期數(shù)目需要考慮兩方面：一是接收的波形達(dá)到穩(wěn)態(tài)；二是試塊的邊界反射不會(huì)對(duì)接收的直達(dá)波形產(chǎn)生影響。

通過有限元軟件對(duì)臨界折射縱波傳播特性進(jìn)行仿真，得到臨界折射縱波在不同時(shí)刻的快照?qǐng)D，如圖5所示。3.5 μs時(shí)，超聲波在有機(jī)玻璃聲楔塊與半圓柱試塊表面發(fā)生折射，產(chǎn)生了臨界折射縱波與折射橫波，在半圓柱試塊中圓弧形波紋就是其波陣面。因?yàn)榕R界折射縱波的速度最快，在一定深度下近似平行沿著試塊平面進(jìn)行傳播，所以在10.5 μs時(shí)第一個(gè)到達(dá)圓柱面。試塊內(nèi)部還有頭波、折射橫波與表面波，其中近似斜線的波紋是頭波。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

為了測(cè)量臨界折射縱波的指向性，在縱波指向性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，被校換能器更換為2.5 MHz的臨界折射縱波換能器，入射角為28°。接收換能器從圓柱面端點(diǎn)處開始各角度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中，橫波向試塊內(nèi)部進(jìn)行傳播，通過計(jì)算得出橫波折射角為34°，故選取0°～30°進(jìn)行測(cè)量，排除橫波的干擾。采取適合的耦合劑進(jìn)行涂抹，使接收信號(hào)較穩(wěn)定。

通過計(jì)算得出臨界折射縱波指向性的仿真值與實(shí)驗(yàn)值，如圖6所示。聲場(chǎng)基本呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布，仿真值的主瓣指向角為16°，實(shí)驗(yàn)值的主瓣指向角為15°，兩者較一致，符合相關(guān)研究(10°～20°)的結(jié)論[10]。利用半圓柱試塊法校準(zhǔn)得到臨界折射縱波換能器指向性，其-3 dB波束寬度為10.55°，與仿真值相對(duì)偏差為2.23%。

4 結(jié)論

1)半圓柱試塊法校準(zhǔn)得到縱波換能器指向性，其-3 dB波束寬度為5.01°，與水聽器法測(cè)量值和理論值相對(duì)偏差分別為3.09%、2.66%。實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算仿真的結(jié)論保持一致，說明了半圓柱試塊法的可行性，同時(shí)驗(yàn)證了換能器指向性在聲場(chǎng)中分布的理論。

2)利用有限元軟件仿真臨界折射縱波的傳播特性，仿真值的主瓣指向角為16°，實(shí)驗(yàn)值的主瓣指向角為15°，兩者較一致。利用半圓柱試塊法校準(zhǔn)得到臨界折射縱波換能器指向性，其-3 dB波束寬度為10.55°，與仿真值相對(duì)偏差為2.23%。臨界折射縱波的指向性為超聲應(yīng)力檢測(cè)的滲透深度提供了依據(jù)。

3)與水中測(cè)量方法相比，半圓柱試塊法更符合超聲應(yīng)力檢測(cè)的實(shí)際使用工況，不受換能器水密性、換能器工作原理等限制，可適用于任意型號(hào)的超聲應(yīng)力換能器，且校準(zhǔn)更為方便快捷。