超聲探傷儀換能器聲場特性校準(zhǔn)規(guī)范

1超聲探傷儀換能器聲場特性校準(zhǔn)規(guī)范本規(guī)范規(guī)定了用于超聲無損檢測的超聲換能器(亦稱為“超聲探頭”)輻射聲場的計量特性、校準(zhǔn)條件和校準(zhǔn)方法。本規(guī)范適用于頻率在(0.5～15)MHz范圍內(nèi)的平面超聲換能器與聚焦超聲換能器。其他超聲換能器及其陣列聲場特性的校準(zhǔn)也可以參照本規(guī)范引用下列文件：JJF1001通用計量術(shù)語及定義JJF1034聲學(xué)計量名詞術(shù)語及定義GB3102.7聲學(xué)的量和單位GB/T16540—1996在(0.5～15)MHz頻率范圍內(nèi)的超聲場特性及其測量水聽器法GB/T18694—2002無損檢測超聲檢驗探頭及其聲場的表征ASTME1065—08超聲掃查部件特性的評價標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則(StandardGuideforEval-uatingCharacteristicsofUltrasonicSearchUnits)凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3術(shù)語和計量單位本規(guī)范采用JJF1001和JJF1034中有關(guān)的術(shù)語及定義。本規(guī)范采用GB3102.7中規(guī)定的量和單位。在與超聲換能器表面平行的聲場截面中，選擇比最大值低若干分貝(一般為3dB或6dB)的相同幅值點組成的封閉曲線并對其做擬合形成圓形，該圓形的直徑即為該處的聲束直徑，單位為毫米(mm)。3.2聲束擴散角beamspread以聲軸為參考線，在聲軸方向的某段空間內(nèi)，在聲軸兩側(cè)選擇比聲軸處聲壓低若干分貝(一般為3dB或6dB)的點并擬合成兩段直線，該兩段直線之間的夾角即為該段內(nèi)的聲場擴散角，單位為度()。聲軸上的聲壓場分布中，在最大幅值處(焦點)前后比最大幅值聲壓下降6dB的兩個位置間的距離，即為該超聲換能器的場深，單位為毫米(mm)。24概述超聲換能器廣泛應(yīng)用在超聲無損檢測等領(lǐng)域，超聲換能器的聲場特性是無損檢測用超聲換能器的重要參數(shù)，聲場特性參數(shù)一般可通過水聽器測量超聲信號和掃描聲場5計量特性5.1近場長度/焦距近場長度/焦距的偏差一般不超過標(biāo)稱值的±15%。5.2聲束直徑聲束直徑的偏差一般不超過標(biāo)稱值的±20%。5.3聲束擴散角聲束擴散角的偏差一般不超過標(biāo)稱值的±20%。5.4場深場深的偏差一般不超過標(biāo)稱值的±20%。注：后續(xù)校準(zhǔn)與上一次校準(zhǔn)值一般不超過士20%,以上技術(shù)要求不用于合格判定，僅供參考；其中焦距和場深一般僅適用于聚焦超聲換能器。6校準(zhǔn)條件6.1環(huán)境條件室溫：(18～28)℃;水溫：(15～33)℃。6.2測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備1)信號發(fā)生器及功率放大器具備猝發(fā)音功能的任意波形發(fā)生器，頻率范圍上限高于15MHz;如果信號發(fā)生器的輸出幅度較低，考慮采用功率放大器來驅(qū)動信號，功率放大器的帶寬應(yīng)優(yōu)于(0.5～15)MHz,總失真不大于2%。2)水聽器及其前置放大器水聽器組帶寬應(yīng)至少覆蓋(0.5～15)MHz,水聽器有效直徑一般應(yīng)小于介質(zhì)中工作頻率所對應(yīng)波長的2倍，即2λ;具體選擇依據(jù)也可以參照附錄D。3)數(shù)字示波器工作頻率上限不低于100MHz,采樣率應(yīng)高于200MHz;至少應(yīng)有兩個通道，具備時間延遲測量(時間分辨力優(yōu)于0.1μs)和幅值測量4)水槽及多自由度調(diào)節(jié)機構(gòu)測量用水槽應(yīng)滿足聲場掃描范圍的需求，應(yīng)具備最少兩個夾持調(diào)節(jié)機構(gòu)用于夾持及調(diào)節(jié)超聲換能器的位置和姿態(tài)。夾持調(diào)節(jié)機構(gòu)應(yīng)具有最少五個自由度的調(diào)節(jié)能力，包括X、Y、Z的空間定位，以及調(diào)節(jié)水平偏轉(zhuǎn)和垂直俯仰功能，其中X、Y、Z的空間定3位精度應(yīng)優(yōu)于0.02mm,另外兩個自由度旋轉(zhuǎn)角度分辨力應(yīng)優(yōu)于0.05°。5)溫度計測量范圍至少覆蓋(15～33)℃,示值誤差應(yīng)優(yōu)于±0.1℃。7校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)方法7.1校準(zhǔn)項目校準(zhǔn)項目見表1。表1平面/聚焦超聲換能器校準(zhǔn)項目一覽表項目名稱校準(zhǔn)方法1近場長度/焦距7.2.2.1/7.2.3.12聲束直徑7.2.2.2/7.2.3.23聲束擴散角7.2.2.3/7.2.3.347.2.3.47.2校準(zhǔn)方法聲場參數(shù)的測量，一般是通過掃描定位裝置帶動水聽器進(jìn)行若干平面的掃描得到，校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖1所示。信號發(fā)生器信號發(fā)生器前置放大器示波器水聽器電腦聚焦換能器y4Zx水域7.2.1校準(zhǔn)前檢查觀察超聲換能器的外觀，應(yīng)符合以下要求：1)待校超聲換能器應(yīng)無明顯的損壞，尤其換能器前端的匹配層應(yīng)完好；2)超聲換能器前端應(yīng)有相應(yīng)部分可以浸入水中。7.2.2平面超聲換能器聲場特性的校準(zhǔn)7.2.2.1近場長度將待校平面超聲換能器固定并確保其向水槽中發(fā)射聲波，連接信號發(fā)生器，設(shè)定工作頻率并切換至猝發(fā)音模式，激勵波形周期數(shù)目的設(shè)置既需要考慮水聽器接收波形達(dá)到穩(wěn)態(tài)，也要考慮水槽邊界反射不會對水聽器接收到的直達(dá)波形造成影響。通過多自由度調(diào)節(jié)機構(gòu)帶動水聽器對平面超聲換能器的輻射聲場進(jìn)行沿聲軸方向的縱向剖面掃描，得到沿聲軸方向的聲壓場數(shù)據(jù)。通過分析聲軸上的聲壓場，得到待校平4面超聲換能器的近場長度，即聲軸上的聲壓峰值處到換能器表面的距離，如圖2中的N?所示。掃描步進(jìn)間隔一般設(shè)置為不超過工作頻率所對應(yīng)波長的一半。圖2平面超聲換能器聲軸上聲壓分布及近場長度測量示意圖注：在繪制聲壓場分布時，需要代入掃描時水的聲速值。一般在掃描前后通過溫度計測量水槽中的水溫，以掃描起始和結(jié)束時的平均溫度為參考值，查詢附錄C中的表格得到掃描時的聲速值；其他聲場形態(tài)參數(shù)測量中處理過程相同。7.2.2.2聲束直徑通過多自由度調(diào)節(jié)機構(gòu)帶動水聽器對平面超聲換能器的輻射聲場進(jìn)行垂直于聲軸方向的橫向剖面掃描，得到聲壓場的二維圖。在該二維圖像中，找到最大點，在最大點周圍尋找幅度比最大值下降若干分貝的數(shù)據(jù)點得到封閉曲線，并通過適當(dāng)?shù)臄M合方式得到規(guī)則的圓，該圓的直徑即為聲束直徑。針對水聽器法通常得到的是一3dB或—6dB聲束直徑。注：如果擬合結(jié)果不是規(guī)則的圓，建議以橢圓的長軸短軸等方式表達(dá)。根據(jù)7.2.2.1得到的聲軸上的聲壓場分布，在遠(yuǎn)場區(qū)選擇位置A、C,如圖3所示。通過計算A、C處的一3dB聲束直徑，并考慮A、C點間的距離得到擴散角。圖3擴散角(⊙)計算示意圖擴散角計算如公式(1):@=2ψ=2×arctan[W/(Zc-Z?)](1)5Z?、Ze——聲軸上A、C兩點距換能器表面距離(Zc>Z。),mm;W——Z.處—3dB聲束直徑比Z。位置處—3dB聲束直徑增加值的一7.2.3聚焦超聲換能器聲場特性的校準(zhǔn)7.2.3.1焦距將待校聚焦超聲換能器固定并確保其向水槽中發(fā)射聲波，連接信號發(fā)生器，設(shè)定工作頻率并切換至猝發(fā)音模式，激勵波形周期數(shù)目的設(shè)置既需要考慮水聽器接收波形達(dá)到穩(wěn)態(tài)，也要考慮水槽邊界反射不會對水聽器接收到的直達(dá)波形造成影響。通過多自由度調(diào)節(jié)機構(gòu)帶動水聽器對聚焦超聲換能器的輻射聲場進(jìn)行沿聲軸方向的縱向剖面掃描，得到沿聲軸方向的聲壓場數(shù)據(jù)。通過分析聲軸上的聲壓場，得到待校聚焦超聲換能器的焦點，焦點到換能器表面的距離即為焦距，如圖4中的F?所示。掃描步進(jìn)間隔一般設(shè)置為不超過工作頻率所對應(yīng)波長的一半。圖4聚焦超聲換能器聲軸上聲壓分布及焦距、場深測量示意圖7.2.3.2聲束直徑參照7.2.2.2。7.2.3.3聲束擴散角參照7.2.2.3。7.2.3.4場深根據(jù)7.2.3.1得到的聲軸上的聲壓場分布，在焦點前后尋找比焦點處聲壓幅值下降6dB的位置，該兩個位置間的距離，即為該超聲換能器的場深，如圖4所示。8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)8.1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理所有的數(shù)據(jù)應(yīng)先計算后修約，不確定度保留一位小數(shù)。8.2校準(zhǔn)證書超聲換能器經(jīng)校準(zhǔn)后出具校準(zhǔn)證書，校準(zhǔn)證書應(yīng)包括的信息及推薦的校準(zhǔn)證書內(nèi)頁格式見附錄A。8.3校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定6測量不確定度評定按JJF1059.1—2012進(jìn)行，其不確定度評定示例見附錄B。9復(fù)校時間間隔校準(zhǔn)時間間隔的長短取決于其使用情況，如環(huán)境條件、使用頻率、測量對象等，因此，使用單位可根據(jù)實際使用情況自主決定復(fù)校的時間間隔。建議復(fù)校時間間隔為2年。7校準(zhǔn)證書的內(nèi)容A.1校準(zhǔn)證書至少應(yīng)包括以下信息：b)證書的編號、頁碼及總頁數(shù)；c)校準(zhǔn)實驗室的名稱和地址；d)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期；f)送校單位的名稱和地址；g)被校超聲換能器的描述；h)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的名稱及編號；i)校準(zhǔn)所用計量標(biāo)準(zhǔn)的名稱、技術(shù)參數(shù)及有效期；j)校準(zhǔn)時的環(huán)境條件；1)校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度；m)復(fù)校時間間隔的建議；n)校準(zhǔn)人簽名、核驗人簽名、批準(zhǔn)人簽名；o)校準(zhǔn)結(jié)果僅對被校對象有效的聲明；p)未經(jīng)校準(zhǔn)實驗室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制校準(zhǔn)證書的聲明。A.2推薦的平面超聲換能器校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁格式，見圖A.1。8一、平面超聲換能器校準(zhǔn)結(jié)果 圖1過軸截面聲壓分布二維圖圖2聲軸上聲壓分布一維圖2.距離探頭表面近場長度處(遠(yuǎn)近場分界點)的聲束直徑：圖3距離探頭表面近場長度處橫向剖面圖圖4兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)對稱性圖5距離探頭表面近場長度處橫向剖面草帽圖3.歸一化距離S=1.3(遠(yuǎn)場)處的聲束直徑：圖6橫向剖面掃描圖圖7兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)對稱性圖8橫向剖面草帽圖4.聲束擴散角：在聲軸方向上，距離探頭表面mm,至距離探頭表面mm的范圍內(nèi)，聲束圖9聲束擴散角取段測量結(jié)果圖圖A.1校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁格式(1)9二、聚焦超聲換能器校準(zhǔn)結(jié)果圖1過軸截面聲壓分布二維圖圖2聲軸上聲壓分布一維圖2.焦點處的聲束直徑：圖3焦點處橫向剖面圖圖4兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)對稱性圖5焦點處橫向剖面草帽圖3.1.3倍焦距處的聲束直徑：—3dB聲束直徑為mm,U=%(k=2);圖6橫向剖面掃描圖圖7兩個垂直方向一維數(shù)據(jù)對稱性圖8橫向剖面草帽圖4.聲束擴散角：在聲軸方向上，距離探頭表面mm,至距離探頭表面mm的范圍內(nèi)，聲束圖9聲束擴散角取段測量結(jié)果圖5.場深：圖10場深計算示意圖圖A.2校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁格式(2)測量不確定度評定示例B.1測量方法通過掃描機構(gòu)帶動水聽器，對超聲換能器輻射的垂直于聲軸方向的聲壓分布進(jìn)行掃描，得到聲場分布數(shù)據(jù)。通過程序計算找到最大點，在最大點周圍尋找幅度為最大值71%的數(shù)據(jù)點得到封閉的曲線，并通過適當(dāng)?shù)臄M合方式得到規(guī)則的圓，該圓的直徑即為一3dB聲束直徑。同樣也可以得到一6dB聲束直徑。B.2不確定度評定測量模型聲束直徑的測量，是基于步進(jìn)掃描系統(tǒng)開展的，其測量模型為：am=N×l(B.1)式中：N——步進(jìn)數(shù)；B.3不確定度的評定考慮若干影響因素及修正量，修正后實際得到的聲束直徑應(yīng)考慮以下不確定度1)重復(fù)測量引入的不確定度對距離平面活塞超聲換能器表面近場長度處的橫向剖面進(jìn)行分析，測量一3dB聲束直徑，測量結(jié)果為(單位mm):5.59,5.61,5.62,5.65,5.57,5.59。則單次測量值的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u。=0.50%。2)掃描定位精度引入的分量實驗所用步進(jìn)電機/伺服電機定位精度一般優(yōu)于10μm,綜合考慮加工后機械結(jié)構(gòu)的振動與變形，及長時間掃描與特殊情況下的脈沖丟失，掃描期間其重復(fù)定位精度遠(yuǎn)優(yōu)于50μm。以最小聲場參數(shù)2mm為例，掃描定位精度引起的測量相對不確定度不超過2.5%;假設(shè)滿足矩形分布，則掃描定位精度引起的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(δa?)=3)水聽器空間平均效應(yīng)引入的分量空間平均效應(yīng)指用于測量超聲換能器輻射聲場的水聽器存在有效孔徑，不能當(dāng)作理想的點接收器引入的不確定度分量。平均效應(yīng)修正后的聲壓場測量，偏差一般不超過3.0%;假設(shè)滿足矩形分布，引起的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(δa、)=3.0%/√3=1.73%。4)水聽器指向性引入的分量掃描過程中，待測超聲換能器和水聽器法線并不始終重合，應(yīng)該考慮指向性引入的不確定度分量。以最高頻率15.0MHz為例，即假設(shè)水中波長0.1mm、水聽器直徑為0.2mm,實驗所用平面活塞換能器遠(yuǎn)場擴散角一般不超過5°,由IEC62127-3中水聽器的指向性圖可以得到，即便不做指向性修正，因角度偏轉(zhuǎn)造成的聲壓幅值損失不超過10.0%;如果數(shù)據(jù)處理中考慮指向性修正，則修正后指向性引入的不確定度一般不超過3.0%,相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(δaa)=3.0%/√3=1.73%。5)擬合算法引入的分量實際測量時，因超聲換能器非理想垂直或水平夾持，以及測量過程中噪聲和振動的干擾，聲場形態(tài)往往不是非常理想，聲束直徑計算需要利用最小二乘法等算法擬合得到。經(jīng)實驗驗證，擬合算法引入的最大相對不確定度一般不超過3.00%;假設(shè)滿足矩形分布，引起的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(òae)=3.0%/√3=1.73%。6)聲場不理想引入的分量掃描聲場時，超聲換能器輻射出的聲場不嚴(yán)格垂直于探頭表面，導(dǎo)致掃描得到的用于計算聲束直徑的聲場平面與探頭表面很難嚴(yán)格平行，而且輻射聲場本身也并非理想對稱。多次實驗表明，聲場不理想引入的最大偏差一般不超過4.0%。假設(shè)滿足矩形分布，它所引起的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u。=4.0%/√3=2.31%。B.4相關(guān)性各輸入量之間未發(fā)現(xiàn)有任何值得考慮的相關(guān)性。B.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度影響聲束直徑的各輸入量相互獨立，不確定度來源及相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表表B.1測量不確定度來源匯總表序號不確定度來源相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度/%1重復(fù)性2掃描定位精度3水聽器空間平均效應(yīng)4水聽器指向性5擬合算法6聲場不理想合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(a)=√u2+u2(δa)+u2(δas)+u2(δaa)+u2(δac)+u:U=2×4.08%=8.16%(B.3)附錄C去離子水的聲速隨溫度變化表表C.1不同溫度下的去離子水聲速溫度/℃聲速/(m/s)D.1水聽器靈敏度校準(zhǔn)和指向性測量用于測量超聲換能器聲場的水聽器一般要進(jìn)行靈敏度和指向性的校準(zhǔn)，從而得到掃描面內(nèi)真實的聲壓場分布。水聽器幾何尺寸與其敏感元件尺寸并不完全一致，其有限的孔徑可能會引入空間平均效應(yīng)。而水聽器敏感元件尺寸的確定需要進(jìn)行指向性測量，可依據(jù)如下步驟：把水聽器安裝在位于超聲換能器的遠(yuǎn)場中的支架上。在指向性響應(yīng)要求的頻率下，換能器以猝發(fā)音方式工作。首先保持水聽器敏感元件的法線近似平行于聲軸，在垂直于聲軸的方向上平移水聽器，并繞通過水聽器敏感元件平面的兩個相互垂直的軸旋轉(zhuǎn)水聽器，調(diào)節(jié)水聽器使接收信號最大。水聽器接收信號的測量可用過敏感元件平面的兩個旋轉(zhuǎn)軸中的任一軸線來實現(xiàn)，或用兩者的平均值確定。該信號是水聽器旋轉(zhuǎn)角度θ的函數(shù)。指向性響應(yīng)是用在某一特定角度上接收的信號除以水聽器最大的接收信號來確定。D.2水聽器敏感元件有效半徑的確定如果進(jìn)行掃描用水聽器的敏感元件是圓形的