基于超声环阵相控阵的变孔径聚焦检测技术

沙正骁 ， 梁 菁 ， 李 彦

（1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；3. 材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095）

0 引言

在航空发动机的关键结构件中，对缺陷的检测灵敏度具有极高的要求，特别是对于粉末高温合金涡轮盘[1-3]等关键的热端部件，任何一个微小缺陷的漏检都可能产生灾难性后果。1980年，美国F404发动机的René 95粉末冶金涡轮盘破裂，使TF/A-18飞机坠毁，发生空难事故[4]，调查结果表明,事故的重要原因之一就是涡轮盘中的夹杂物缺陷引起的疲劳寿命[5-8]降低。

针对粉末盘的检测需求，多年来粉末材料无损检测技术研究主要围绕提高小缺陷检测能力[9-10]（即检测灵敏度）进行。聚焦可以使超声在局部产生声能量的聚集，极大地提高信噪比和检测灵敏度。目前，为了保证检测的高灵敏度，国内外航空发动机中的粉末涡轮盘等关键盘件全部采用水浸聚焦检测技术进行超声检测，同时采用分区域聚焦方式，解决被测试件全深度焦区覆盖的问题。

在此基础上，德国Fraunhofer无损检测研究所、加拿大R/D公司和美国GEIT陆续研究开发了超声相控阵检测技术[11]。该技术采用多晶片电子控制声场原理，用一个探头一次扫查，就能替代传统分区聚焦多个探头多次扫描，具备很高的检测精度和检测效率[12]。

虽然如此，但由于检测时焦点尺寸过小，导致焦区范围窄，使该技术在检测时存在灵敏度波动剧烈、材料噪声不易控制、扫查间距小等问题[13-14]，制约了其在实际粉末盘检测中的广泛应用。

本研究从声学理论出发，研究影响焦点控制的主要因素，提出变孔径超声相控阵聚焦检测方法，在传统的超声相控阵检测技术基础上进一步改善灵敏度一致性、近表面分辨力和焦点尺寸一致性等特性。通过在人工缺陷对比试块和实际粉末盘上的检测试验，验证该方法的可行性和有效性。

1 理论分析

在利用环形相控阵探头进行检测时，主要通过控制每个环形晶片的激励时间，达到控制焦点数量和位置的目的。与之相对的是传统的聚焦探头通过在平探头前端附加带曲率的透镜实现聚焦。从某种意义上说，一个环形相控阵探头的辐射声场等效于一个普通平探头前端附加一个可以调节曲率的透镜。因此，环形相控阵探头仍然遵循常规超声聚焦的理论。

根据超声聚焦理论，将声压降低到最大值–6 dB时在直径上的扩散宽度作为焦点直径，其计算方法见式（1）。

式中：λ为波长，mm；F为焦距，mm；D为晶片直径，mm。可以看出，晶片直径（即孔径）会对聚焦声场的形状产生较大的影响。在焦距固定的情况下，孔径越大焦点尺寸越小；在孔径固定时，焦距越短，焦点尺寸越小。

采用环形相控阵探头时，无论聚焦于近表面还是材料深处，往往使用全部晶片，所用孔径均相同。这使环形相控阵探头在检测不同深度区域时，焦点尺寸发生很大变化，同一个聚焦法则内，靠近入射面的检测分区和靠近底面的检测分区，焦点尺寸可能会相差数倍。这一点对于实际的检测是不利的。须知检测时扫查间距是根据所用探头的焦点尺寸设置的，如果不同分区的焦点尺寸不同，则为了保证所有被检区域的有效覆盖，必须以最小焦点尺寸作为控制条件，对于材料内部而言，扫查间距远远小于焦点尺寸，相邻采样点间有很大重叠，极大影响了检测的效率。

为了解决这一问题，可以通过控制聚焦法则，改变相控阵探头的孔径实现。当焦点位于近表面时，使用小的孔径；当焦点位于较深处时，使用较大的孔径，使焦点尺寸在整个检测深度范围内相对一致。

根据式（1），如果固定焦距和孔径的比值，则可以得到相似的焦点直径。

除了焦点直径外，聚焦的强度也会对检测有影响，为了表征聚焦的强度，定义归一化的焦距[11]：

式中，N为近场长度，mm。

对于聚焦探头，焦距应小于近场长度，因此SF的取值为0～1之间，值越小聚焦的效果越强。对于常规的聚焦探头，可以按归一化焦距将其分为弱聚焦（0.66

式中，IF为聚焦探头焦点处的声场强度，IN为平探头近场点的声场强度。可以看出，对于一定的SF，声场的相对强度不变。

2 试验模拟

根据上述理论分析，提出了两种超声环形相控阵的变孔径聚焦检测方法：

1）在设计聚焦法则时，固定焦距与孔径的比值，以获得一致的焦点直径和焦柱长度。

2）在设计聚焦法则时，固定焦距与孔径平方（近场长度）的比值，以获得一致的聚焦强度。

为了研究变孔径聚焦检测的效果，首先采用模拟软件（CIVA）对探头的声场进行模拟。模拟时采用相同的环形相控阵探头，设计不同的聚焦法则，计算探头发射、接收和合成声场。

设计了3组不同的试验：第1组是采用相同的孔径聚焦到不同的深度；第2组是在变化聚焦深度时，通过控制激励的晶片数改变孔径，在这一过程中保持焦距和孔径之比不变；第3组是在变化聚焦深度时，改变孔径保持焦距和近场长度之比不变。3组试验模拟的参数见表1。

表 1 孔径与聚焦深度变化模拟参数表Table 1 Simulation parameters for different aperture and focal depth

2.1 距离幅度特性

第1组模拟试验采用了固定的孔径，即不同聚焦深度时采用相同的孔径。可以看到，当聚焦深度较浅时，声场的能量高度集中，从轴向看声场分布在很小的焦区范围，而在此范围外声束则严重发散。随聚焦深度的增加，声场整体表现出更好的远场指向性，同时聚焦效果逐渐降低，焦区的轴向尺寸随聚焦深度的增加而增大。此外，还可以看出当聚焦深度变化时，焦点处声场的最大幅度有较大的波动，约为5 dB（图1a）。

第2组模拟试验是根据聚焦深度的变化选择适当的晶片数量，进而在检测时始终保证焦距与探头孔径的比值保持不变。可以看出，此时声场不同于固定孔径时的声场。当聚焦深度变化时，除了20 mm聚焦深度外，其他聚焦深度时焦柱的轴向尺寸几乎没有明显的变化。比较焦点处的声场强度可以发现，最大值与最小值相差约为7 dB（图 1b）。

第3组模拟试验与第2组类似，根据聚焦深度的变化选择适当的晶片数量，在此过程中保证焦距与近场长度的比值不变。可以看出，当聚焦深度由浅变深时，声场的焦区轴向长度随之增大，但变化的幅度比固定孔径时小。声场的幅度在聚焦深度变化时未发生显著的起伏变化，在整个深度范围内具有比较好的一致性，最大值与最小值相差约为3 dB（图1c）。

比较来看，3种聚焦方式中，固定焦距−近场长度比的方式，其分区之间声场幅度的过渡最为平滑，这表明检测时灵敏度的均匀性和一致性较好，焦区在轴线方向有一定的尺寸，检测时可以覆盖一定深度范围，避免存在灵敏度不足的区域。固定孔径方式下，灵敏度波动较大，特别是聚焦深度较浅时，焦区范围很窄，且焦区以外检测灵敏度急剧下降，存在漏检缺陷的隐患。固定焦距−孔径比的方式，其聚焦深度较大时聚焦效果好，灵敏度一致性较好，但当聚焦于近表面时，检测的灵敏度有较大幅度的降低，经过计算，此时焦距F已经超过近场长度N，此时的声场已经不具有聚焦效果，难以保证检测的灵敏度。

图 1 超声声场轴向分布Fig.1 Axial distribution of ultrasonic field

2.2 横向声束特性

根据模拟结果，获得不同聚焦方式下焦点尺寸随聚焦深度的变化情况，如图2所示。可以看出，在焦点尺寸的一致性方面，采用固定焦距−孔径比方式具有最佳效果，最大和最小焦点直径相差约1.5倍。如果只考虑聚焦深度在40～120 mm时，焦点直径几乎无变化。其他2种聚焦方式的焦点直径随聚焦深度增加大致呈线性增大，其中固定焦距−近场长度比方法的最大和最小焦点直径相差约2.2倍，效果比固定焦距−孔径比方式略差，而固定孔径方法的该数值为3.4倍。可见，2种变孔径检测方法均优于固定孔径方法。

图 2 不同聚焦方式下焦点尺寸随聚焦深度变化Fig.2 Diameter of focus vs. focal depth for different focal algorithm

需要说明的是，3种聚焦方式下，20 mm聚焦深度下的焦点直径都很小。主要原因为：相控阵探头虽然可以通过控制晶片数量获得不同孔径，但其变化的最小尺度以动态聚焦所需的最小晶片数为限。当聚焦深度很浅时，焦距F很小，为了获得适当的焦距−孔径比或焦距−近场长度比，也必须选用很小的孔径，但为了能够动态控制焦点位置，需要至少4个晶片，因此实际选用的孔径可能大于经过计算的孔径。

模拟仿真结果表明，2种变孔径检测方法在焦点尺寸和焦柱长度控制方面均显著优于固定孔径方法，此外，在声场强度和灵敏度一致性方面，固定焦距−近场长度比方法优于固定孔径方法，固定焦距−孔径比检测方法则有所不足。实际检测时，可以优先采用固定焦距−近场长度比的聚焦方式代替传统的固定孔径方式，以改善检测效果。

3 试验验证

3.1 检测条件

为了评估变孔径聚焦检测方法的能力，采用M2M公司的Multi 2000超声相控阵探伤仪，配合自行研制的盘件超声水浸检测操纵装置，组成盘件超声相控阵检测系统，在含有人工缺陷的一组粉末高温合金对比试块上进行试验验证，每个试块中含有不同埋深的ϕ0.4 mm平底孔。

采用R/D Tech公司的环形相控阵探头，标称频率为10 MHz，有效晶片直径32 mm。该探头中心为可拆卸的常规单晶片聚焦探头，相控阵部分为外围的14个同心排列的环形晶片，如图3所示。

图 3 环形相控阵探头的结构示意图Fig.3 Illustration of elements inside an annular phased array probe

3.2 聚焦法则设计

根据上述变孔径聚焦检测方法，设计分区聚焦法则。设计时，尽量按固定焦距−近场长度比的原则确定每个分区所采用的晶片数和聚焦深度。该聚焦法则与固定孔径超声相控阵检测时的聚焦法则参数分别见表2、表3。

表 2 固定孔径超声相控阵检测的聚焦法则参数Table 2 Focusing algorithm for fixed aperture ultrasonic annular phased array

表 3 变孔径聚焦超声相控阵检测的聚焦法则参数Table 3 Focusing algorithm for vari-aperture focusing ultrasonic annular phased array

从表2、表3中可以看出，传统超声相控阵检测的聚焦法则在设计时未考虑孔径和聚焦深度的关系，因此不同分区之间聚焦因子（F/N）和理论焦点尺寸变化很大，第1区和第7区聚焦因子和焦点尺寸相差达4倍。采用变孔径聚焦检测方法的聚焦法则，其聚焦因子和理论焦点尺寸的一致性方面都有所改善。这些变化使变孔径聚焦检测方法在实际检测时具有以下优势：

1）可以采用较大的扫查间距，提高检测效率；

2）不同分区灵敏度一致性好，噪声水平不会过高；

3）聚焦区沿轴向的长度增加，保证了更好的深度覆盖性；

4）减少了所用晶片数，近表面分辨力有所提高。

3.3 灵敏度和信噪比

在粉末高温合金对比试块上测试变孔径超声相控阵聚焦检测技术的灵敏度。记录将埋深在各分区内的平底孔反射信号幅度调整到80%所用的增益值，如图4所示。可以看出，本研究方法无论是在单个分区内还是在整个检测区域内，都表现出较高的灵敏度一致性，同时由于其聚焦特性能够使每个分区处于聚焦范围内，实现高灵敏度检测的目的。

图 4 粉末高温合金对比试块测得的检测灵敏度曲线Fig.4 Sensitivity curve measured on PM superalloy reference blocks

由于高灵敏度检测时噪声信号往往较突出，有可能影响实际检测效果。因此在测量灵敏度的同时，还关注了检测时的信噪比。试验时，在ϕ0.4 mm当量灵敏度下增加12 dB，观察噪声水平，进而评价检测的信噪比。结果如表4所示，部分波形图如图5所示。

试验结果表明，采用变孔径聚焦检测技术在各个分区均能达到ϕ0.4 mm+12 dB的检测灵敏度，噪声水平为5%～20%。

表 4 ϕ0.4 mm+12 dB灵敏度下不同分区的信噪比评价Table 4 Signal-to-noise ratio evaluation under ϕ0.4 mm+12 dB sensitivity

图 5 埋深为82.5 mm的平底孔在ϕ0.4 mm+12 dB灵敏度下的噪声水平Fig.5 Typical waveform of a FBH 82.5 mm in depth showing the noise level under ϕ0.4 mm+12 dB sensitivity

3.4 近表面分辨力

相控阵检测时，常常受到近表面分辨力差的困扰。主要原因是由于晶片数量多，发射和接收不同步，会使材料上表面反射信号回到探头的时间参差不齐，表现在波形上就是水−材料界面的反射信号在时基线上占宽大，造成很大的检测盲区，因而使靠近表面的缺陷难以分辨。本研究实际测试了采用变孔径聚焦检测时的近表面分辨力。利用粉末高温合金对比试块中不同埋深的平底孔作为标准反射体，观察其在聚焦法则第一分区中的波形情况，结果如图6所示。

从图6中可以看出，在ϕ0.4 mm当量灵敏度下，埋深3.2 mm的平底孔可以与界面反射信号明显区分，埋深更浅（1.6 mm）的平底孔则无法分辨，因此，该灵敏度下相控阵检测的近表面分辨力为1.6～3.2 mm。当灵敏度增加到 ϕ0.4 mm+12 dB时，埋深3.2 mm平底孔已经无法与界面反射信号区分，此时近表面分辨力为3.2～6.4 mm。

4 粉末盘检测验证

采用本研究中变孔径聚焦超声相控阵检测技术对粉末涡轮盘（最大直径为160 mm，最大厚度为65 mm）进行检测试验。典型缺陷的变孔径聚焦检测图像如图7所示。

对检测中发现的缺陷进行统计，并与分区聚焦检测的缺陷进行比较，结果见表5。可以看出，采用变孔径聚焦技术可以检测出当量尺寸在ϕ0.4 mm−20 dB以上的夹杂缺陷，在部分盘件中还能检测出分区聚焦方法未检测出的小缺陷。变孔径聚焦和分区聚焦两种方法对夹杂缺陷的评定结果相差不大。

图 6 超声相控阵检测近表面分辨力波形Fig.6 PAUT waveform showing the near surface resolution

图 7 典型缺陷的相控阵检测结果Fig.7 Typical defects in PM disks inspected by phased array

表 5 相控阵和分区聚焦检出缺陷比较情况Table 5 Comparison of defects inspected by PA and multi-zone ultrasonic technique

统计检测同一盘件花费的时间发现，与分区聚焦检测技术相比，相控阵检测技术的仪器虽然调整时间更长，但可以节省较大的扫查时间。采用本研究所述的变孔径聚焦检测技术，可以将检测时间由传统分区聚焦检测的近8 h缩短为2 h，节约3/4的检测时间。如只计算扫查时间，则可将时间缩短至近1/5。

需要说明的是，上述检测时间的计算只适用于试验中涉及到的特定型号的粉末盘，其他型号的粉末盘可能具有不同的几何结构和厚度，可节约的检测时间会有所出入。

5 结论

1）在理论分析基础上，提出的变孔径聚焦相控阵检测方法能够保证整个检测范围内聚焦程度和焦点尺寸大致相同。

2）模拟了声场分布曲线并利用平底孔试块验证了其声场分布情况，表明该方法在灵敏度一致性、检测效率、噪声水平控制和近表面分辨力等方面优于固定孔径超声相控阵检测方法。

3）采用本研究方法对粉末涡轮盘进行了超声检测，从缺陷检出情况和检测时间2个方面比较了该方法与传统分区聚焦检测的差异。变孔径聚焦相控阵检测与分区聚焦检测的缺陷检出能力接近，检测时间能缩短约3/4。