Page 133 - 《应用声学》2022年第1期

第 41 卷 第 1 期 沙正骁等： 应用超声干涉特征识别微小缺陷 129

3.2 特征扫描成像实验 信噪比达到最佳。扫查步进设为0.2 mm，扫查速度
本文采用超声特征扫描成像系统 (F-scan) 对 设为30 mm/s，为确保扫查范围覆盖整个试样，扫查
上述试样进行检测。该系统的优势在于全波列采集 范围设置为 90 mm × 90 mm。扫查完成后，框选底
完整的超声回波，并根据有无缺陷处的波形特征差 波尾部波列进行成像。
异进行成像。实验采用5077超声发射接收仪进行信
3.3 成像结果与分析
号发射和接收，探头选用频率为 10 MHz 的水浸聚
焦直探头。试样厚度为5 ∼ 80 mm，跨度较大，为达 小厚度试样灰度成像如图 7 所示。从图 7(a) ∼
(c) 可看出，试样中的无缺陷区域灰度值较低，底
到最佳检测效果，根据试样厚度的不同，使用了 4个
波尾部波列幅值较高；而有缺陷区域，灰度值较高，
不同晶片尺寸和焦距的探头。探头参数如表2所示。
底波尾部波列幅值较低；由灰度差异构成的图像
表 2 探头具体参数 将孔径为 ϕ0.1 mm ∼ ϕ0.4 mm 的微小缺陷显现出
Table 2 Specific parameters of probe 来，且随着试样厚度增大，缺陷图像有被放大的趋
势；5 mm 试样中的两个相距 1 mm、ϕ0.2 mm 缺陷
探头 频率 晶片 水中焦距 适用的试样
编号 f/MHz 尺寸/mm F/mm 厚度 L/mm 可以清晰分辨，而10 mm、20 mm试样中相距1 mm
1 10 8.9 38.1 5、10 的 ϕ0.2 mm 缺陷图像发生重叠，无法清晰分辨。因
2 10 12.7 76.2 20 此，以底波尾部波列为特征参量进行成像，能够有
3 10 19.0 152.4 40 效检出不同埋深的近表面缺陷，且当缺陷埋深小于
4 10 25.4 381.0 60、80 5 mm 时，能够有效分辨相距 1 mm、ϕ0.2 mm 的相
邻平底孔微缺陷。
为了保证探头能量能聚焦到缺陷位置，获得较
大厚度试样灰度成像如图 8 所示。从图 8 可以
好的成像效果，需要计算水层厚度，计算公式为
看出，与小厚度试样相比，大厚度试样成像效果更
H = F − Lc 3 /c 2 , (9) 差，因此将整体成像灰度值调高，从而提高对比度，
式 (9) 中，L 为试样的厚度，c 2 和c 3 分别为水和铝合 使缺陷显示更清晰。试样厚度较大时，侧壁干涉会
金材料中的声速。 引起试样侧壁附近的底波尾部波列幅值降低，灰度
以5 mm厚度试样为例，具体实验步骤如下：将 值变大，调高整体成像灰度值后，侧壁附近部分影像
试样平整地摆放在超声水浸系统的水槽中，从表 2 缺失。由于缺陷位置不在侧壁附近，受侧壁干涉的
可知，5 mm 厚度试样的检测应选择 1 号探头，按 影响小，不会影响检测结果。由图 8 可知，大厚度试
公式 (9) 计算得到水层厚度为 15.3 mm。打开超声 样中孔径为 ϕ0.1 mm ∼ ϕ0.4 mm 的微小缺陷均可
脉冲发射接收仪，设置发射电压 400 V 和激励频率 用干涉成像法检出，随着试样厚度增大，缺陷的放
10 MHz，同时调节增益使得底波尾部波列与噪声的 大作用更加明显，且缺陷周围出现明显的干涉条纹。

φ0.2 φ0.3
φ0.2
φ0.3
φ0.4
φ0.1 φ0.3 φ0.1 φ0.1

φ0.2
φ0.4 20 mm 20 mm φ0.4 20 mm

(a) 5 mm តನ (b) 10 mm តನ (c) 20 mm តನ
图 7 小厚度试样灰度成像图
Fig. 7 The gray scale image of small thickness sample