【正文】 的分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律，而并非幾何交匯成點(diǎn)。這個(gè)理論是整個(gè)水浸聚焦檢測(cè)技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)，所以十分的重要。⑴ 水浸超聲探頭聲場(chǎng)特性的測(cè)定方法超聲探頭的聲場(chǎng)特性測(cè)量方法有光彈法[41]、光纖探測(cè)法[42]、水聽器法[43]、球靶法[40]、數(shù)值計(jì)算法以及有限元模擬[44]等。其中光纖探測(cè)法又分端面法、聲光衍射法以及光纖光柵法等；數(shù)值計(jì)算法中較多的是利用Kirchhoff積分公式以及由此得到的一系列近似公式來描述圓盤聲源在連續(xù)波激勵(lì)下聲場(chǎng)的各項(xiàng)特性指標(biāo)[45]，也有利用時(shí)域有限差分法[46]等等，這些都是目前聲場(chǎng)研究的熱點(diǎn)。但是從檢測(cè)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、操作的難易以及適用性來比較，水聽器法和球靶法是目前國(guó)內(nèi)外最為常見的兩種測(cè)定方法。本實(shí)驗(yàn)室關(guān)于探頭聲場(chǎng)的測(cè)定都采用球靶法。球靶法原理認(rèn)為直徑非常小的小球所反射的聲壓與小球所在位置的聲壓呈正比關(guān)系?？紤]到整個(gè)探頭在焦平面上某一點(diǎn)所建立的聲壓等同于這一點(diǎn)上的一個(gè)點(diǎn)聲源在整個(gè)探頭上所建立的聲壓。一個(gè)收發(fā)兼用型的聚焦探頭測(cè)得的焦平面上某一直徑較小的小球所反射的聲壓為： （21）式中：J1 —— 一階貝賽爾函數(shù)；k —— 波數(shù)，k=2π∕λ；ρ —— 焦平面上的半徑變量；F —— 聚焦探頭在水中的焦距；—— 晶片所在平面上的半徑變量。由式（21）中可看出，如果兩個(gè)探頭的直徑與焦距之比相同，那么它們?cè)诮裹c(diǎn)處的聲壓分布也相同。⑵ 焦點(diǎn)附近軸線上的聲壓分布要說明聲場(chǎng)特性中的焦柱與焦柱長(zhǎng)度兩個(gè)參數(shù)，就必須要對(duì)焦點(diǎn)附近軸線上的聲壓分布進(jìn)行闡述。 計(jì)算焦點(diǎn)附近軸線上聲壓分布示意圖 Schematic diagram of focus near the axis of the calculated sound pressure distribution，假定為焦點(diǎn)，為焦距，為以焦點(diǎn)為圓心的球面，α是波面上的一點(diǎn)M與連線和軸線的夾角，C點(diǎn)處面積為的子源在點(diǎn)建立的聲壓為： （22）根據(jù)惠更斯費(fèi)涅爾原理（HuygensFresnel），上各點(diǎn)的振動(dòng)相位是相同的，那么M點(diǎn)在點(diǎn)建立的聲壓的相位與C點(diǎn)在點(diǎn)建立的聲壓的相位差為，如果選C點(diǎn)在點(diǎn)建立的聲壓的相位為零，則M點(diǎn)在點(diǎn)建立的聲壓可用下式表示： （23）而整個(gè)探頭所限定的這部分波面在點(diǎn)建立的聲壓應(yīng)是各點(diǎn)在點(diǎn)建立的聲壓的疊加，則： （24）由于進(jìn)行近似計(jì)算得，又因?yàn)?，故面積元，那么式（24）可寫成： （25）式中：；—— 晶片所在平面上的半徑變量； —— 所計(jì)算點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離。如果在此處不考慮聲壓隨時(shí)間的變化以及僅關(guān)注相對(duì)聲壓，那么這項(xiàng)與積分號(hào)前面的常數(shù)項(xiàng)都可略去。同時(shí)，在焦距比探頭直徑大得多的情況下，可以認(rèn)為隨的變化很小，可近似為常數(shù)。因此積分號(hào)內(nèi)分母中的也可以提到積分號(hào)外。于是整個(gè)探頭在點(diǎn)建立的聲壓可表示為： （26）經(jīng)過積分計(jì)算，取實(shí)數(shù)部分得到下式： （27）這就與考慮焦平面上小球反射的情形一樣了，軸線上一個(gè)很小的小球的反射聲壓（探頭為發(fā)收兼用型）為： （28）由式（27）與式（28）可知，當(dāng)兩個(gè)探頭的直徑與焦距之比相同時(shí)，其焦點(diǎn)附近沿軸線的聲壓分布規(guī)律也相同。當(dāng)……時(shí)，有極小值。 焦點(diǎn)附近軸線上小球反射聲壓分布 Ball reflected acoustic pressure distribution near the axis in the focus⑶ 焦柱直徑與焦柱長(zhǎng)度將式（21）作近似計(jì)算得： （29）若假定焦點(diǎn)處小球反射聲壓為1，則在焦平面上離焦點(diǎn)距離為的一點(diǎn)上，小球反射聲壓與焦點(diǎn)處小球反射聲壓之比為： （210）若此處以分貝（dB，decibel）為單位表示上述聲壓之比，則： （211）那么從式（211）可知，當(dāng)聲壓比為－6dB時(shí)，可得：式中：D —— 探頭直徑；—— 探頭在介質(zhì)中的波長(zhǎng)；F —— 探頭焦距。假設(shè)，則： （212）這里就把稱為焦柱直徑，它表述的距離就是在焦平面上，從焦點(diǎn)算起，小球反射聲壓下降6dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的小球偏離軸線的距離的兩倍。聚焦探頭在焦點(diǎn)處并非幾何意義上的匯聚成點(diǎn)，而是有一定直徑與長(zhǎng)度的近似圓柱的焦柱。 焦柱直徑示意圖 Schematic diagram of focus column diameter同理，將式（28）展開成： （213）假設(shè)時(shí)，此處若以分貝為單位表示軸線上離焦點(diǎn)處的聲壓與焦點(diǎn)處聲壓之比，則： （214）假設(shè)當(dāng)這個(gè)比值等于－6dB，相應(yīng)的值的，經(jīng)計(jì)算可得， （215）在實(shí)際計(jì)算時(shí)取經(jīng)驗(yàn)值，則： （216）L就稱為焦柱長(zhǎng)度。所謂焦校長(zhǎng)度就是從焦點(diǎn)處算起，軸線上的小球反射聲壓下降6dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的小球偏離焦點(diǎn)的距離的兩倍。 焦柱長(zhǎng)度示意圖 Schematic diagram of focus column length在此著重闡述焦柱直徑與焦柱長(zhǎng)度概念是因?yàn)橄乱徽乱v到講到的超聲成像測(cè)量缺陷尺寸方法的基礎(chǔ)。它闡述了在焦點(diǎn)附近可以設(shè)想存在著一個(gè)近圓柱形的區(qū)域，其直徑等于焦柱直徑，其長(zhǎng)度等于焦柱長(zhǎng)度。在這個(gè)圓柱體范圍以內(nèi)，聲壓沒有突變現(xiàn)象。在這個(gè)范圍以內(nèi)，焦柱直徑、長(zhǎng)度與探頭晶片直徑、焦距及焦點(diǎn)所在介質(zhì)中聲波的波長(zhǎng)之間存在著確定的關(guān)系，這種關(guān)系對(duì)實(shí)際應(yīng)用中控制各個(gè)參數(shù)的變化提供了方便。然而，理論計(jì)算在實(shí)際檢測(cè)中往往只能作為參考依據(jù)，這是由于受到探頭制作工藝以及外界環(huán)境等影響，所以要進(jìn)行實(shí)際測(cè)量加以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室采用球靶法，以實(shí)驗(yàn)室某國(guó)產(chǎn)水浸點(diǎn)聚焦探頭為例進(jìn)行測(cè)試。探頭參數(shù)為“Φ=14mm，F(xiàn)=50mm，=5MHz”，（取水中聲速）。實(shí)際通過機(jī)械走位，調(diào)整水層逐層測(cè)量。 （a） （b） 實(shí)驗(yàn)室水浸式聚焦探頭的聲場(chǎng)特性測(cè)量 Measurement of the ultrasonic field characteristic of immersion focusing probe（a）球靶法聲場(chǎng)測(cè)量的系統(tǒng)組成；（b）實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)實(shí)圖 試驗(yàn)探頭焦柱測(cè)量結(jié)果 Measurement results of focus column，而焦柱長(zhǎng)度為12mm，焦距為43mm，而且聚焦聲束整體向一側(cè)偏移，可見此國(guó)產(chǎn)探頭制作工藝較差，突顯出聚焦探頭聲場(chǎng)實(shí)測(cè)的必要性。 水浸聚焦探頭點(diǎn)∕線聚焦比較目前，對(duì)小口徑無縫鋼管的超聲檢測(cè)使用的聚焦探頭有兩種：點(diǎn)聚焦探頭與線聚焦探頭。兩者的區(qū)別在于點(diǎn)聚焦探頭形成的是點(diǎn)狀聚焦區(qū)，而線聚焦探頭形成的是線狀聚焦區(qū)。 點(diǎn)/線聚焦探頭示意圖 Schematic diagram of the sphericalfocus and the linefocus probes對(duì)于點(diǎn)、線聚焦探頭之間優(yōu)劣比較很多科研學(xué)者都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，大部分的文獻(xiàn)都認(rèn)為點(diǎn)聚焦探頭比線聚焦更有優(yōu)勢(shì)。從物理原理上來說，如果把一個(gè)探頭分成許許多多的小發(fā)射元，只有在球心這點(diǎn)上從球殼各個(gè)發(fā)射元發(fā)出聲波是同相位的。而在線聚焦的聚焦線，從各個(gè)發(fā)射元發(fā)出的聲波不可能都是同相位，因此聚焦效果就很不理想，也有學(xué)者曾經(jīng)對(duì)聚焦方式進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，驗(yàn)證了線聚焦的聚焦效果的遜色，[47][48]。 （a） （b） 兩種聚焦方式數(shù)值模擬比較 Numerical simulation paring of two focusing ways（a）點(diǎn)聚焦數(shù)值模擬；（b）線聚焦數(shù)值模擬然而，GB/T 57772008《無縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》在對(duì)前版的修改中并沒有對(duì)探頭的種類進(jìn)行修改，依然是點(diǎn)聚焦與線聚焦皆可。這也從一個(gè)側(cè)面說明了無縫鋼管作為一種特殊的工件，線聚焦探頭檢測(cè)并非毫無優(yōu)勢(shì)。不論是點(diǎn)聚焦還是線聚焦方式，聲束在管材截面上的分布都是一樣的，差別只在于鋼管沿軸向上的聲場(chǎng)分布是不同，正是基于此，使得兩種方法具有各自的特點(diǎn)。北京航空材料研究院何方成同志針對(duì)小口徑薄壁無縫鋼管點(diǎn)、線聚焦探頭檢測(cè)差異開展了較多的實(shí)驗(yàn)研究，利用參數(shù)相同的點(diǎn)、線聚焦探頭對(duì)不同長(zhǎng)度，不同深度的縱向人工缺陷的進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，主要結(jié)論認(rèn)為：點(diǎn)聚焦探頭在一定范圍內(nèi)可以檢測(cè)到比標(biāo)準(zhǔn)傷長(zhǎng)度短的缺陷，在實(shí)際檢測(cè)中對(duì)短而深的小缺陷敏感，對(duì)長(zhǎng)而淺的大缺陷檢測(cè)效率較低。點(diǎn)聚焦超聲檢測(cè)中反射幅度對(duì)人工傷的長(zhǎng)度不敏感，但對(duì)人工傷的深度很敏感；線聚焦超聲檢測(cè)中，反射幅度對(duì)人工傷的長(zhǎng)度和深度都很敏感，同時(shí)，線聚焦探頭檢測(cè)管材對(duì)于長(zhǎng)度小于標(biāo)準(zhǔn)傷的缺陷不敏感，但對(duì)于長(zhǎng)度大于標(biāo)準(zhǔn)傷的缺陷比點(diǎn)聚焦檢測(cè)敏感，在實(shí)際檢測(cè)中對(duì)長(zhǎng)而淺的大缺陷敏感，檢測(cè)效率較高[49]。小口徑無縫鋼管的缺陷分為縱向與橫向缺陷兩種，上述文獻(xiàn)中只針對(duì)縱向缺陷進(jìn)行了兩種聚焦探頭的對(duì)比分析，那么對(duì)于橫向缺陷，點(diǎn)、線聚焦存在何種差異，本實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充，加以說明。在試驗(yàn)中點(diǎn)、線聚焦探頭參數(shù)皆為“Φ=20mm，F(xiàn)=60mm，=10MHz”，入射角為20176。，水層距離為30mm，為了避免近表面盲區(qū)，對(duì)內(nèi)外壁缺陷使用二次波檢測(cè)，人工缺陷傷波的反射幅度皆調(diào)至滿輻的80%，記錄增益值進(jìn)行比較。 (a) (b) 兩種聚焦探頭對(duì)橫向缺陷檢測(cè)的比較 Comparison of two types of focus probe on transverse defect ultrasonic testing（a）內(nèi)壁人工缺陷對(duì)比；（b）外壁人工缺陷對(duì)比從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直觀看出，對(duì)同一橫向缺陷點(diǎn)聚焦探頭較為靈敏，隨著深度變大，它們之間的對(duì)缺陷敏感程度的差距也變大。綜上所述，點(diǎn)聚焦探頭由于焦點(diǎn)尺寸小，那么聲反射面積也隨之小，這就使得它對(duì)長(zhǎng)而淺的缺陷不敏感，而線聚焦探頭恰恰相反，它對(duì)短而深的缺陷不敏感，實(shí)際生產(chǎn)中線聚焦探頭的聚焦區(qū)在鋼管的縱向上有一定的長(zhǎng)度，因此，在自動(dòng)檢測(cè)無縫鋼管時(shí)，可以增大步進(jìn)量以提高檢測(cè)效率，而點(diǎn)聚焦則大受限制，所以在無縫鋼管的工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)中線聚焦探頭更為實(shí)用，但本文主要是實(shí)驗(yàn)室研究且對(duì)小口徑無縫鋼管缺陷進(jìn)行超聲成像無損分析，所以就精細(xì)掃查與超聲成像效果而言，本實(shí)驗(yàn)室采用點(diǎn)聚焦探頭進(jìn)行檢測(cè)分析。 橫向缺陷檢測(cè)對(duì)橫向缺陷使用純橫波檢測(cè)，探頭需要在鋼管軸線正上方保持一定的傾斜角度沿鋼管軸向進(jìn)行掃查，圖中S表示超聲波在鋼管壁內(nèi)部傳播折返一次的路程（以下簡(jiǎn)稱有效檢測(cè)聲程），即圖中標(biāo)示1至3的聲線傳播路程。由于聲束在傳播的過程中是不斷衰減的，所以在有效聲程內(nèi)檢測(cè)是十分重要的。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，將閘門設(shè)定在圖中2~3范圍內(nèi)，這樣就避免圖中1處的近表面盲區(qū)。同理，對(duì)于縱向缺陷檢測(cè)時(shí)，閘門設(shè)定范圍也是如此。 橫向缺陷檢測(cè)方式. 21 Ultrasonic testing method of transverse defect⑴ 焦點(diǎn)位置理論分析[40]眾所周知，聚焦聲束在進(jìn)入鋼管后要發(fā)生第二次匯聚，那么焦點(diǎn)位置的改變對(duì)鋼管的檢測(cè)影響很大，在此對(duì)斜入射焦點(diǎn)位置變化做理論幾何超聲學(xué)分析，探頭聲束軸線與鋼管軸線方向呈某一夾角，圖中表示探頭軸線的入射角，表示聲線的入射角，為與相對(duì)應(yīng)的折射角，為與相對(duì)應(yīng)的折射角，假設(shè)∠。 管壁內(nèi)焦點(diǎn)位置變化（探頭聲束軸線與鋼管軸線方向呈某一夾角情況） The Change of focus position inside the tube wall由圖中幾何關(guān)系可知： （217） （218） （219） （220） （221）由入射角與折射角的關(guān)系得： （222） （223）由式（219）與式（221）得： （224）由式（218）與式（220）得： （225）由式（224）與式（225）得： （226）： （227） （228）至此， （229）由式（229）可知，如果給定與的值，那么的值將隨的變化而變化。當(dāng)很小時(shí)，到達(dá)點(diǎn)的各聲線的聲程式近似相同的，因此認(rèn)為點(diǎn)就是入射后的焦點(diǎn)，將式（222）與式（223）兩邊微分得：。因?yàn)椋?，而，而，所以得? （230）又因?yàn)?，于是式?29）可寫成： （231）由此，如果已知探頭入射點(diǎn)到要探測(cè)點(diǎn)的距離以及折射角，則可以用式（231）計(jì)算出的值。反之，如果知道與的值，也可以由式（230）計(jì)算出的值。誠(chéng)然，本實(shí)驗(yàn)室用于小口徑無縫鋼管檢測(cè)掃描所用的點(diǎn)聚焦探頭晶片為圓盤面，所以探頭聲束軸線與鋼管截面方向也存在夾角。圖中表示鋼管的外壁圓弧。聲束經(jīng)鋼管表面折射后，也會(huì)二次匯聚到某一點(diǎn)，這一點(diǎn)也是同相位點(diǎn)，其證明過程類似于聲束軸線與鋼管軸線方向成某一角度的情況。 管壁內(nèi)焦點(diǎn)位置變化（探頭聲束軸線與鋼管截面呈某一夾角情況）