摘要：長期以來研究人員利用水浸聚焦探頭發出的超聲波在水中聚焦形成的焦點對結構件內部的微小缺陷進行檢驗，從中可知，對于焦柱的位置的確定直接影響著檢測結果的好壞。檢測人員所采用檢驗工藝的理論依據是幾何聚焦原理，這是一種近似的幾何運算，在進行實際檢驗時可能存在一些偏差。本文對此進行了理論分析和實驗驗證，研究結果表明運用幾何聚焦原理測算出的焦點位置與實際焦點位置存在一些偏差，作者還介紹了一種測試和分析聲場的方法，通過實驗并結合軟件對斜入射時超聲在試件內部的聲場進行了分析。
Analisising and experiment of ultrasonic field with immersion focusing ultrasonic test in angle beam incidence WANG Jun1,2, GANG Tie1, TIAN Chun-ying2, Gao Shuang-sheng1, ZHANG Wei-zhi1,3 (1.State Key Lab of Advanced Welding Production Technology, Harbin Institue of Technology, Harbin 150001; 2.College of Material and Technology, Jiamusi University, Jiamusi 154007; 3.Shanghai volkswagen motor Ltd., Shanghai 200000 ) Abstract: Immersion focusing ultrasonic test technology was widely used in testing fine defects of structure specimen by researcher. So focus position is highlightedly important to the result of detecting discontinuity. Testing process by detector is based on geometry focus principles and it’s a approximate caculation, so that it will leads to a certain extent error. This paper confirm the exists of the error between theory analysising and experiment validating, at the same time a new method of measuring sound field analysized by this method in angle beam incidence is proposed. Keywords: ultrasonic test； immersion focusing； sound field
前言
水浸聚焦超聲無損檢測技術是利用凹透鏡將探頭發出的超聲波在水中進行會聚，會聚的超聲波束遇到工件后進一步聚焦,在工件內部形成二次聚焦焦點，然后利用焦點對工件內部的缺陷進行檢測。它避免了水浸超聲檢測時超聲波束在水中的發散現象，提高了缺陷的檢測精度及靈敏度，特別適用于檢測焊件內部的微小缺陷。
常規的方法是采用探頭垂直工件表面入射進行檢測，但對垂直于工件表面的面缺陷來說，垂直入射很難發現缺陷。理想的解決方法是采用斜入射的檢測工藝。一方面可以提高檢測靈敏度，檢測到更小的面缺陷，另一方面還可以對該缺陷進行定量分析。在斜入射時工件內部的聲場更加復雜，焦點位置的確定是諸多檢測參數中最重要的，它直接影響著檢測靈敏度及精度，但其相關研究還比較少，因此作者針對水浸聚焦斜入射時工件內部焦點的位置進行了比較深入的分析和研究。
1 理論分析
水浸聚焦探傷中，探頭是通過水耦合到工件上的。聲波在進入工件之前，在水中要走一段距離。又由于聚焦聲束中的各個聲線(對焦點而言)是會聚的，因此各聲線對工件的入射表面的入射角是不同的。聚焦聲束經過工件表面時，總有折射發生，原來是聚焦的聲束，斜穿過工件表面后也應該是會聚的。由于聚焦探頭斜入射的聲場比垂直入射時復雜，所以準確把握焦點位置對于精確檢驗工件內部的缺陷，特別是微小缺陷至關重要。
根據幾何光學原理，探頭垂直入射至工件內部時焦點位置如圖1。在圖中 
代表聚焦探頭在水中的一次焦距， 代表超聲波遇到工件后進一步會聚形成的二次焦距。 是聚焦探頭晶片的曲率半徑。D為探頭晶片直徑。簡
| 圖1水浸聚焦探頭垂直入射時聲場分布情況 |
| Fig.1 Sound field of immersion focusing UT with vertical beam incidence |
化起見，我們用 、 表示一次和二次焦點的
| 圖2水浸聚焦探頭斜入射時聲場分布情況 |
| Fig.2 Sound field of immersion focusing UT with angle beam incidence |
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位置。 其焦點位置用公式表示為[1]： 式中C2、C3——分別為介質聲速和工件聲速
同樣根據幾何光學原理，探頭斜入射至工件內部時，焦點位置如圖2[2]。聚焦探頭的任意一條聲線A1B1經工件表面折射后與軸向聲線SO的折射聲線OP￠交于P￠點。設B1P與OP的夾角為q。i，r分別為軸向聲線SOP￠的入射角和折射角，i￠，r￠分別為聲線A1B1P￠的入射角和折射角。我們用 、 代表一次和二次焦點的位置。 設DB1P￠O=a，n=C2/C1，C1和C2分別是液體介質和檢測工件聲速。對于不銹鋼工件檢測，水聲速C1=1480米/秒，鋼中縱波聲速Cl2=5650米/秒，鋼中橫波聲速Cs2=3120米/秒。根據幾何聲學原理通過公式推導得到下式：
由式中可知，如果給定r值和OP值，那么OP’值將隨 的變化而變化。當 角很小時聲線可以近似地認為聚焦于一點，所以探頭斜入射時越是靠近軸線處的聲線，聲線之間的聚焦效果就越好，但根據上述公式，當 增大時，遠離軸線的聲束聚焦效果相對要差。所以我們認為，當水浸聚焦探頭斜入射至某一平界面時，其聲線會聚狀況與直入射不同，直入射時水浸聚焦探頭發出的聲線進入工件后基本會聚于一點，而斜入射時，只有比較靠近軸線處的聲線才能近似地會聚于一點。顯然兩種入射方式的聚焦情況有所不同，但是在斜入射時，如果缺陷處于焦點位置，仍能夠得到最大的檢測靈敏度，因此精確確定斜入射時的焦點位置是能否最大限度提高檢測靈敏度的關鍵所在。通常我們所采用的超聲波水浸聚焦探頭的擴散角 比較大，所以從理論上講通過上述計算公式得到的焦點位置是不適用于微小缺陷的精密檢測的。
| (b)16mm |
| (a)19mm |
| (c) 13mm |
| 圖4 不同軸向液程二次焦點的確定 Fig.4 measurement of second focus in different acoustic length |
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圖5 探頭斜入射聲場分布 Fig.5 Sonic field of ultrasonic with angle beam incidence | |
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2 實驗驗證
通過上述的理論分析，我們知道根據幾何聚焦原理來計算二次焦點的位置是不精確的。下面通過實驗來進一步研究水浸聚焦斜入射時二次焦點的位置。
實驗設備及實驗條件：實驗設備為自動超聲C掃描檢測系統，實驗條件嚴格遵循無損檢測標準所制訂的基本條件[3]。
探頭實測技術參數為頻率7.8MHz，焦距26mm，晶片直徑10mm。
| 圖3水浸聚焦探頭斜入射聲場測試方案 |
| Fig.3 Measurement of sonic field with immersion focusing UT of angle beam incidence |
標準試樣的制備：如圖3所示，該試件是一個200 20mm，厚度為10mm的不銹鋼。在該試件中有一排直徑是1.5mm，橫向距離相差7mm，深度距離相差0.5mm的橫通孔。
實驗驗證：我們使用上述水浸聚焦探頭，以19.5度的傾斜角和不同的軸向液程(在這里記為從探頭到試件表面的距離)斜入射試件表面，并按圖3中所示方向運動。記錄每個孔的回波最高值，回波高度代表了聲束進入試件后遇到反射體(圓孔)后反射回來聲束的強弱。它同時代表了探頭聲束的檢測能力。對于單個的孔來說，在反射波最強處可以認為探頭以一定角度和軸向液程發出的聲束的中軸線與反射體正交。因試件中每個孔的深度不同，記錄不同深度的每個孔回波的最高值，就可以確定焦點的位置。前面我們已經通過理論分析證實了聚焦探頭斜入射時，聲束在試件內部也是會聚的，在焦點處遇到反射體的回波強度應該是最大的。我們分別以19mm，16mm，13mm的軸向液程進行實驗得出的數據結果如圖4。
圖中可知，通過改變軸向液程可以調節焦點的位置，即不同的軸向液程進入試件后焦點的位置也不同。19mm軸向液程時在試件內部焦點深度的理論計算值為2mm，實測值為2.5mm，其相對誤差是25%。16mm時理論計算值是2.7mm，實測值為3.5mm，其相對誤差29%。13mm時理論計算值是3.7mm，實測值為5mm，其相對誤差35%。隨著軸向液程降低，焦點深度加大。而且，隨著軸向液程的降低，其理論計算焦點位置與實際焦點位置偏差增加。
通過上述實驗可以看到水浸聚焦探頭斜入射的聲場更為復雜，單純應用焦點深度的理論計算值進行檢測是難以獲得較高的檢測靈敏度的，尤其對于微小缺陷檢測的影響更大。因此我們可以首先通過理論計算大致估算出焦點的位置，然后再通過實驗精確測定焦點所在，準確把握水浸聚焦探頭斜入射時試件內部的二次焦點的位置。
3 聲場的測試與分析
為了提高檢測缺陷的靈敏度，為了更全面更直觀地掌握探頭斜入射時超聲在工件內部的聲場分布情況，作者通過實驗結合Origin軟件測試和分析了探頭斜入射時超聲在工件內部的聲場分布情況。 實驗采用上述探頭及圓孔試件和超聲C掃描檢測系統進行。首先讓該探頭以19mm的軸向液程和19.5°的入射角按圖3所示的運動方向進行掃描，超聲波進入到試件內部遇到圓孔反射回來時，記錄該孔反射波的最高值，用該值代表試件內部聲束軸線處聲場的強弱。
每一個孔代表試件內不同的深度，不僅記錄了在該深度聲束軸線處的聲場強弱，而且對于該深度軸線周圍的聲線的強弱，也進行了測試和記錄。方法是當探頭移動到一個孔的最高回波處時，使探頭以一定的步長，先向前再向后移動一定的步數，同時記錄回波的高度。回波的高低代表該聲線的強弱，回波越高，聲線聚集程度越強。記錄回波高度值和試件內部不同深度相應的位置就可以描述試件內部不同深度聲場的分布情況。
根據上述實驗獲得的數據，利用軟件進行分析的結果，見圖7，橫坐標代表圓孔試樣的上表面，縱坐標代表試件的深度，不同顏色代表超聲在試件內部不同位置的回波高度，它表示了各個位置聲場的強弱。由圖中分析可知，水浸聚焦探頭斜入射時，在聲束的橫截面上，軸線處的的聲場最強。而在整個聲束軸線上，聲場強度是不同的。聲束軸線處某一深度的聲場最強，那么焦點就應該在此位置。當被檢區域處于焦點處時，這時所獲得的檢測靈敏度最高。探頭移動的步長對于聲場測試的精度具有決定意義，步長越小，則測試精度越高，但相應測試時間長。
當我們用某一型號探頭進行檢測時往往要先測試探頭的性能，估算試件內部聲場。利用此方法可以更加準確地描述出試件內部聲場的實際情況，這為制訂檢測工藝提供了堅實的實驗基礎，對于提高檢測微小缺陷的靈敏度具于重要的意義。
4 結論
1) 采用水浸聚焦斜入射檢測工藝時，運用幾何聚 焦原理測算出的二次焦點位置與實際焦點位置存在偏差，實驗表明探頭與工件表面的距離越近，則偏差越大。
2) 實際檢測時，首先運用幾何聚焦原理估算二 次焦點的位置，縮小實驗范圍和實驗量，然后通過實驗精確測定二次焦點的位置。
3) 為提高檢測精度及靈敏度，更全面直觀地掌
握試件內部的聲場分布情況，通過實驗并結合軟件提出了一種測試和分析聲場的方法，該方法不僅能提高檢測靈敏度，而且對檢測微小缺陷具有重要的指導意義。