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超声波探头声束特点

常规单晶纵波超声探头工作的方式如同可发出高频机械振动的活塞,探头产生的这种振动即为声波。在压电换能器晶片(通常被称作晶片)被施与电压时,垂直于晶片表面的方向会受压变形。电压消失后,一般在一微秒之内,晶片反弹,产生机械能脉冲,形成超声波。下面图中的概念化示例表明一个压电晶片对短暂的电压脉冲产生的响应。

常规超声波晶片工作原理

常规超声波晶片工作原理

最常用于超声无损检测的探头类型在功能方面都具有以下基本属性:

类型 — 根据探头的功能可将探头划分为接触式、延迟块式、角度声束、或水浸式等类型。被测材料的特性,如:表面粗糙度、温度、可达性、材料内缺陷的位置、检测速度等,都会影响用户对探头类型的选择。

尺寸 — 尺寸是指激活探头晶片的直径。晶片通常被置于比它稍大一点的外壳中。

频率 — 频率是指一秒钟内声波完成振动周期的次数,通常用千赫(kHz)或兆赫(MHz)表示。大多数工业超声检测在500 kHz到20 MHz频率范围内进行,因此大多数探头的频率处于这个范围内。不过,用户也可以买到频率范围在50 kHz以下,以及200 MHz以上的商业探头。频率越低,穿透力越强;频率越高,分辨率和聚焦力度越高。

带宽 — 带宽是处于特定波幅范围内的频率响应的部分。在这种情况下,应该注意典型的NDT探头不会生成单一频率的声波,而只能在以额定的频率值为中心的频率范围内生成声波。工业标准将这个带宽确定在–6 dB(或半波幅)的位置处。

波形持续 — 波形持续是指每次探头被脉冲触发后生成的波动周期的数量。窄带宽探头要比宽带宽探头生成的波动周期数量多。晶片直径、基底材料、电子调谐、探头激励的方式都会影响波形持续。

灵敏度 — 灵敏度是指激励脉冲波幅与从指定目标反射的回波波幅之间的关系。

我们用以下这个比喻可以有效说明这个概念。发自典型的未聚焦圆盘探头的声束经常被想象成一束源自激活晶片区域的能量柱,这个能量柱在直径方向上扩散,最后消失。

超声波声束

超声波声束

实际上,真正的声束形状要比这复杂,因为压力在横向和轴向上都会逐渐发生变化。在下面的声束形状图中,红色代表能量最高的区域,而绿色和蓝色代表能量较低的区域。

超声波声束能量分布

超声波声束能量分布

探头的声场被分为两个区域:近场和远场。近场是指接近探头的区域。在这个区域中声压反复几次达到最大值、最小值。这个区域的终端为轴上最后一次出现最大声压值的位置。这个位置到探头表面的距离表示为N,即近场距离。近场距离N代表探头的自然焦距。

超声波近场区

超声波近场区

远场是近场距离(N值)以外的区域。在这个区域,随着声束直径的扩展及声能的消散,声压逐渐降低为零。近场距离是探头频率、晶片直径与被测材料声速互相作用的一个函数。通过以下公式,可以为相控阵检测中常用的正方形或长方形晶片,计算出这个函数值:

正方形或长方形晶片近场区计算公式

正方形或长方形晶片近场区计算公式

由于近场中声压的不同,很难使用基于波幅的技术精确评价缺陷(尽管近场中的厚度测量不成问题)。此外,N值代表通过声学透镜或相位调整技术使探头声束聚焦的最大距离。

宽高比常量基于晶片或孔径的短边和长边的长度比率计算而得:

短边/长边的比率

短边/长边的比率

如果是环形晶片,则不使用k值,而是使用晶片直径(D)代替长度项:

圆形晶片近场区计算公式

圆形晶片近场区计算公式


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