國(guó)內(nèi)外超聲探頭性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的比較與分析

超聲探頭是超聲檢測(cè)系統(tǒng)的重要組件，其性能會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果。超聲探頭性能參數(shù)分為使用特性參數(shù)和聲學(xué)性能參數(shù)。使用特性參數(shù)主要有脈沖寬度、中心頻率、相對(duì)帶寬、相對(duì)脈沖回波靈敏度、阻抗與斜探頭入射點(diǎn)等。聲學(xué)性能是不同類(lèi)型超聲探頭在被檢材料中輻射聲場(chǎng)的表征。平探頭使用特性參數(shù)主要有近場(chǎng)長(zhǎng)度、聲束直徑和擴(kuò)散角等；聚焦探頭參數(shù)主要有焦點(diǎn)、焦距和場(chǎng)深等。1國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行超聲探頭性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范有：ISO12715:2014(E)

Non-destructiveTesting-

UltrasonicTesting-ReferenceBlocksandTest

ProceduresfortheCharacterizationofContact

ProbeSoundBeamsISO10375:1997(E)

Non-destructiveTesting-UltrasonicInspection-

CharacterizationofSearchUnitandSound

FieldEN12668-2:2010

Non-destructiveTesting

-CharacterizationandVerificationofUltrasonic

ExaminationEquipment-Part2:ProbesASTME1065(08):2014

StandardGuidefor

EvaluatingCharacteristicsofUltrasonicSearch

UnitsGB/T18694-2002

無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)探頭及其聲場(chǎng)的表征GB/T18852-2002

無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)測(cè)量接觸式探頭聲束特性的參考試塊和方法GB/T27664.2-2011

無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)設(shè)備的性能與檢驗(yàn)第2部分：探頭JJF1294-2011

超聲探傷儀換能器校準(zhǔn)規(guī)范JJF1650-2017

超聲探傷儀換能器聲場(chǎng)特性校準(zhǔn)規(guī)范目前,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的超聲探頭性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范眾多，但每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋的探頭類(lèi)型、測(cè)試參數(shù)及方法各不相同。以測(cè)試斜探頭入射點(diǎn)為例，ISO10375:1997(E)利用IIW試塊的R100mm圓弧面的最大反射回波校準(zhǔn)斜探頭入射點(diǎn)；EN

12668-2:2010利用斜探頭校驗(yàn)試塊的四分之一圓弧的最大反射回波校準(zhǔn)斜探頭入射點(diǎn)，見(jiàn)下圖：圖1斜探頭入射點(diǎn)校準(zhǔn)試塊ISO

12715:2014(E)針對(duì)的是直接接觸式探頭聲學(xué)性能的測(cè)試，ISO10375:1997(E)針對(duì)的是液浸式探頭聲學(xué)性能的測(cè)試。表1國(guó)內(nèi)外超聲探頭性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范的測(cè)試參數(shù)匯總和比較注：GB/T18694-2002等同采用ISO10375:1997(E)；GB/T27664.2-2011修改采用EN12668-2:2010。2使用特性測(cè)試參數(shù)01脈沖寬度脈沖寬度，在GB/T18694-2002標(biāo)準(zhǔn)中又稱(chēng)為脈沖持續(xù)時(shí)間TPD。其是根據(jù)反射體第一個(gè)波峰起點(diǎn)到最后一個(gè)波峰的時(shí)間間隔來(lái)確定的，通常以ns為單位。不同的是：JB/T12466-2015和JJF

1294-2011中是指在最大脈沖峰值幅度兩側(cè)10%(即-20dB)處第一個(gè)波峰起點(diǎn)至最后一個(gè)波峰終點(diǎn)間的時(shí)間間隔，而GB/T18694-2002和ISO

10375:1997(E)中是指在最大脈沖峰值幅度兩側(cè)20%(即-14dB)處的時(shí)間間隔。02中心頻率和相對(duì)帶寬中心頻率和相對(duì)帶寬是以頻率響應(yīng)為基礎(chǔ)，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，測(cè)出回波頻譜下降6dB時(shí)的高低端截止頻率fu和f1后計(jì)算得出的。ISO

10375:1997(E)和JJF1294-2011中的中心頻率f0和相對(duì)帶寬Δfrel由式(1)和式(2)得出。EN

12668-2:2010和GB/T27664.2:2011中的中心頻率f0由式(3)得出，相對(duì)帶寬Δfrel由式(2)得出。式中：f0為中心頻率；Δfrel為相對(duì)帶寬；fu，f1分別為回波下降6dB時(shí)的高低端截止頻率。03相對(duì)脈沖靈敏度相對(duì)脈沖靈敏度是度量探頭在脈沖回波模式下相應(yīng)介質(zhì)中電聲轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。用示波器測(cè)出探頭上輸入的電壓峰-峰值Vin和反射波放大前的電壓峰-峰值Vout，根據(jù)式(4)可以計(jì)算出相對(duì)脈沖回波靈敏度Sr。ASTME1065(08):2014規(guī)定Vin和Vout均在探頭制造商所標(biāo)示的標(biāo)稱(chēng)頻率下測(cè)試，ISO

10375:1997(E)規(guī)定在探頭中心頻率下測(cè)試。Sr=20lg(Vout/Vin)

(4)04斜探頭入射點(diǎn)和折射角斜探頭入射點(diǎn)和折射角是與斜探頭相關(guān)的固定屬性。斜探頭入射點(diǎn)一般是根據(jù)斜探頭在相應(yīng)試塊的R100mm圓弧面上的最大反射回波來(lái)確定的，但不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用不同的試塊。GB/T18694-2002和ISO10375:1997(E)是以IIW試塊上R100mm圓弧面上的反射回波來(lái)確定的，而JJF

1294-2011是用斜探頭校準(zhǔn)試塊的R100mm扇形圓柱面上的反射回波來(lái)確定的，但原理類(lèi)似。同理，斜探頭折射角度也是根據(jù)這兩種試塊上的橫孔反射回波來(lái)確定的。在JJF1294-2011標(biāo)準(zhǔn)中，斜探頭折射角稱(chēng)為斜探頭聲束角度。054阻抗探頭的電特性用輸入阻抗來(lái)描述，按照GB/T

18694標(biāo)準(zhǔn)的要求或者用阻抗分析儀進(jìn)行測(cè)量。探頭的阻抗分析是利用阻抗分析儀在專(zhuān)用DB-R試塊上進(jìn)行的。測(cè)試結(jié)果需要有探頭諧振點(diǎn)和反諧振點(diǎn)的阻抗和相角值。圖2阻抗測(cè)試布置示意3聲學(xué)性能測(cè)試參數(shù)超聲探頭的聲學(xué)性能，也稱(chēng)聲場(chǎng)特性。超聲探頭的聲學(xué)性能包含近場(chǎng)長(zhǎng)度?擴(kuò)散角?遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)?偏向角?聚焦探頭的焦距?焦區(qū)長(zhǎng)度和焦區(qū)寬度等。與使用特性相比，聲學(xué)性能的測(cè)試更為復(fù)雜。ISO10375:1997(E)標(biāo)準(zhǔn)用液浸法測(cè)試頻率為0.5~15MHz的直探頭?斜探頭的聲學(xué)性能；ISO12715:2014(E)標(biāo)準(zhǔn)用接觸法測(cè)試頻率為1~15MHz的直探頭?斜探頭?聚焦探頭和雙晶探頭的聲學(xué)性能；ASTME1065(08):2014用水聽(tīng)器法測(cè)試頻率范圍為0.5~15MHz的平探頭和聚焦探頭的聲學(xué)性能。01液浸法ISO10375:1997(E)中，平探頭測(cè)試的自由聲場(chǎng)特性參數(shù)有近場(chǎng)區(qū)和擴(kuò)散角；聚焦探頭的聲學(xué)性能參數(shù)通過(guò)聲壓分布圖來(lái)表示，表征聚焦探頭聲壓分布的參數(shù)有：焦點(diǎn)?焦距和場(chǎng)深。(1)近場(chǎng)長(zhǎng)度近場(chǎng)長(zhǎng)度可根據(jù)公式(5)計(jì)算得出。需要指出的是，ISO10375:1997(E)中規(guī)定：對(duì)于脈沖較寬，靈敏度較高的窄帶探頭應(yīng)按中心頻率f0的波長(zhǎng)來(lái)計(jì)算近場(chǎng)長(zhǎng)度N0；對(duì)于脈沖寬度較小?深度分辨力好?靈敏度較低的寬帶探頭的近場(chǎng)長(zhǎng)度N0存在一個(gè)范圍，應(yīng)按照高低端截止頻率fu和f1的波長(zhǎng)來(lái)分開(kāi)計(jì)算。N0=D2/4λ

(5)式中：λ為波長(zhǎng)；D為晶片直徑。(2)擴(kuò)散角在探頭的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，聲束直徑與聲束軸線的距離成正比增大，因而常用擴(kuò)散角來(lái)表示聲束的發(fā)散程度。ISO10375:1997(E)中對(duì)于圓晶片平探頭的擴(kuò)散角可用式(6)來(lái)計(jì)算。不同形狀晶片的擴(kuò)散角的表達(dá)式也不同，圓晶片同方晶片類(lèi)似，可用式(7)來(lái)計(jì)算，而對(duì)于矩形晶片的擴(kuò)散角，則應(yīng)該根據(jù)其兩側(cè)邊長(zhǎng)l1，l2來(lái)分開(kāi)計(jì)算，如式(8)所示。

(3)液浸聚焦聲壓分布ISO10375:1997(E)中采用脈沖回波來(lái)測(cè)試探頭聲場(chǎng)。在探頭上施加脈沖信號(hào)，探頭置于水中并對(duì)準(zhǔn)浸在水中的鋼球，然后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)回波測(cè)量的一個(gè)重要參數(shù)是聲軸上的聲壓分布。圖3探頭聲學(xué)性能的液浸法測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)框圖探頭聲壓性能的測(cè)量是指使探頭保持在同一軸向距離上移動(dòng)，從而獲取聲束橫截面分布圖的操作。在每一個(gè)探頭移動(dòng)的位置，記錄球靶反射的峰值幅度，便可得到給定距離處的截面上各點(diǎn)相對(duì)于軸線上的聲壓相對(duì)值的聲束橫截面分布圖，沿著聲束軸向繪制不同軸向距離處的峰值幅度曲線。圖4液浸聚焦探頭聲束軸線上的聲壓分布示意如圖4所示，表征聚焦探頭聲壓分布的參數(shù)有：焦點(diǎn)?焦距和場(chǎng)深(焦柱長(zhǎng)度)。焦點(diǎn)是指聲壓最大幅度處的位置，焦距是探頭表面至焦點(diǎn)的距離，場(chǎng)深(焦柱長(zhǎng)度)是探頭從焦點(diǎn)處來(lái)回移動(dòng)至幅度降為峰值幅度50%(-6dB)時(shí)兩點(diǎn)間的距離，這些表征參數(shù)可以通過(guò)液浸法試驗(yàn)獲得。02接觸法ISO12715:2014(E)標(biāo)準(zhǔn)中主要是用接觸法測(cè)試探頭聲學(xué)性能的。其用半圓階梯試塊(HS試塊)和橫孔試塊(SDH試塊)測(cè)試探頭在固體內(nèi)的聲學(xué)性能。探頭在固體中的聲學(xué)性能用聲束輪廓和幅度分布圖來(lái)表示。圖5為接觸式探頭聲場(chǎng)特性的測(cè)試試塊尺寸示意，圖5(b)中的SDH表示對(duì)應(yīng)的橫孔，如SDH2表示第二個(gè)橫孔。圖5接觸式探頭聲場(chǎng)特性的測(cè)試試塊尺寸直探頭和聚焦直探頭的聲學(xué)性能測(cè)試均在SDH試塊上進(jìn)行。圖6為直探頭的聲束輪廓和幅度分布。如圖6所示，在接觸式直探頭的聲束輪廓和幅度分布曲線中，可用近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)來(lái)表征直探頭聲學(xué)性能，近場(chǎng)聲壓比較復(fù)雜，遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓隨距離的增大而減小。類(lèi)似，接觸式聚焦直探頭的聲束輪廓和幅度分布曲線可用來(lái)表征聚焦直探頭的聲學(xué)性能。通過(guò)分布曲線可獲得焦距?焦柱長(zhǎng)度和焦區(qū)寬度等參數(shù)，最大峰值處是焦點(diǎn)，焦距是焦點(diǎn)至檢測(cè)面的距離，焦柱長(zhǎng)度是聲軸方向上焦點(diǎn)前后的兩個(gè)-6dB點(diǎn)的距離，焦區(qū)寬度是垂直平面內(nèi)兩個(gè)-6dB點(diǎn)的距離。直探頭的表征參數(shù)可以通過(guò)在試塊上測(cè)試做出圖6來(lái)獲得。圖6直探頭的聲束輪廓和幅度分布直探頭與斜探頭產(chǎn)生的都是縱波。斜探頭是以一定的角度入射到材料中的，產(chǎn)生折射縱波?折射橫波，或同時(shí)產(chǎn)生這兩種折射波。因?yàn)檎凵渲敛牧蟽?nèi)部波形的區(qū)別，斜探頭的聲場(chǎng)特性測(cè)試分為縱截面輪廓和幅度分布以及橫截面輪廓和聲軸上的幅度分布?？v截面輪廓聲場(chǎng)特性在SDH試塊上測(cè)試，橫截面輪廓聲場(chǎng)特性適合在HS試塊上測(cè)試。聚焦斜探頭測(cè)試類(lèi)似于普通斜探頭。表征聚焦斜探頭聲束的參數(shù)有：縱截面焦距，縱截面焦柱長(zhǎng)度和縱截面焦區(qū)寬度。03水聽(tīng)器法

ASTME1065(08):2014標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)水聽(tīng)器法及其他方法測(cè)試探頭聲場(chǎng)特性參數(shù)。以水聽(tīng)器法為例，平探頭聲學(xué)性能的測(cè)試參數(shù)有近場(chǎng)長(zhǎng)度?聲束直徑和聲束擴(kuò)散角；聚焦探頭聲學(xué)性能的測(cè)試參數(shù)有焦距?聲束直徑?聲束擴(kuò)散角和場(chǎng)深等。水聽(tīng)器法的測(cè)試裝置框圖如圖7所示，主要儀器設(shè)備有信號(hào)發(fā)生器?水聽(tīng)器?數(shù)字示波器以及滿足自由度調(diào)節(jié)的水槽等。圖7探頭聲場(chǎng)特性的水聽(tīng)器法測(cè)試裝置框圖(1)聲束直徑聲束直徑的測(cè)試是通過(guò)自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水聽(tīng)器對(duì)探頭的輻射聲場(chǎng)進(jìn)行垂直于聲軸方向的橫向剖面掃描，從而得到聲壓場(chǎng)的二維圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后，在二維圖中找到聲壓場(chǎng)最大點(diǎn)，在最大點(diǎn)范圍內(nèi)找出幅度比最大點(diǎn)位置下降3dB或6dB的數(shù)據(jù)點(diǎn)的封閉曲線，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到規(guī)則的圓，該圓的直徑便是聲束直徑。(2)近場(chǎng)長(zhǎng)度近場(chǎng)長(zhǎng)度的測(cè)試是通過(guò)自由度調(diào)節(jié)機(jī)制帶動(dòng)水聽(tīng)器對(duì)探頭的輻射聲場(chǎng)進(jìn)行沿聲軸方向的縱向剖面掃描，得到沿聲軸方向的聲壓場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到的。(3)聲束擴(kuò)散角聲束擴(kuò)散角可通過(guò)探頭在聲軸上聲壓分布圖計(jì)算得到：在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)選擇位置A和C，如圖8所示，通過(guò)計(jì)算得到A和C處-3dB的聲束直徑。圖8聲束擴(kuò)散角計(jì)算示意圖中d為晶片尺寸；θ為聲束擴(kuò)散角；φ為半擴(kuò)散角；zA，zC分別為聲軸上A，C兩點(diǎn)距換能器表面的距離（zC>zA）；W為zC處-3dB聲束直徑比zA位置處-3dB聲束直徑增加值的一半考慮A，C點(diǎn)間的距離，利用式(9)可以得到聲束擴(kuò)散角：(4)聚焦探頭焦距和場(chǎng)深聚焦探頭的聲學(xué)性能參數(shù)除了以上的聲束直徑和聲束擴(kuò)散角，還需用焦距和場(chǎng)深(焦柱長(zhǎng)度)表征。通過(guò)測(cè)試沿聲軸方向的聲壓場(chǎng)數(shù)據(jù)，得到聲