场测量的原理和应用

1场测量的原理

全聚焦相控阵声场中，超声能量充斥于整个目标区体积内，且按一定规律分布。声场中任何扰动，或者说目标区内形态的任何改变(例如出现缺陷)会使超声能量的分布发生相应改变，探头接收的信号也会改变(捕捉到缺陷信息)，故提出场测量。

场测量不需要像以往常规脉冲反射法那样知晓波束指向，波束中心线路径和边界角位置，这是因为常规脉冲反射法超声像一支手电筒，用光束去扫描检测区域，必须知道何时光束指向何处；而全聚焦相控阵像太阳光一样笼罩检测目标区，无处不在。至于阳光的强弱(能量分布不均匀)，可以通过场校准解决。

既然场测量不按以往基于A扫的规则进行，所以也不需要A扫以及一切与A扫有关的术语，包括超声路径、信号时间、折射角，波束边界角、波形、波高、底波、反射波、折射波、波形转换波以及相关计算公式等。

场测量的可行性和优势建立在全聚焦相控阵系统的独特的信号发射和接收方式，独特的声场，独特的目标区细分聚焦方法以及信号处理方法等一系列技术基础上。即通过大窗口长时间接收保证获取足够能量和信息，通过海量信号的叠加平均处理获得高信噪比信号，通过对细分的目标区逐点聚焦实现检测区域覆盖和提高信号分辨率，使场测量具有很高的检测灵敏度和可靠性。

2场测量过程

场测量过程实质上就是全聚焦相控阵检测过程。

全聚焦相控阵对焊缝的检测步骤为：

01校准

在试块上按照场校准规则完成校准，不需要利用A扫。

02检测

使用经过校准的系统，按照场测量规则在工件上实施检测，同样不需要利用A扫。

可结合图6来理解用场测量进行焊缝检测的过程：

图6(a)所示是纵波斜射检测焊缝的一般情况，探头放在焊缝一侧的适当位置，声束以某一角度穿过焊缝，用场的概念思考，认为此时超声能量充斥目标区，即目标区处处有超声能量，通过从场中获取的信号，能够探知目标区的状况。

图6(b)的不同之处是焊缝中存在两个缺陷，即气孔和裂纹。缺陷的出现将改变目标区声场能量的分布状态，探头能检测到这一改变，记录和显示这些缺陷。需要强调的是：目标区内出现任何缺陷，都会引起声场能量分布变化，只要信噪比和灵敏度足够，就能被检测出来。

图6(c)中，有一条裂纹处于焊缝上表面的热影响区，按照传统方法检测，此裂纹无法被探测到，因为按照此位置布置的检测声束的纵波、横波、一次波、二次波都打不到它；但按照场测量理论，此裂纹能够检出！因为目标区处处有超声能量，该裂纹即使位置不佳，仍然会引起场能量分布变化从而被探测到。

3场测量的试验

通过多项试验证明场测量技术路线是可行的。

如图7(a)所示的试验间接证明全聚焦相控阵声场比常规脉冲反射法声场的声压分布均匀，且全聚焦相控阵探头波束更宽。将全聚焦相控阵探头放在试块上的固定位置进行测量，可同时获得4个不同深度横孔的回波信号，且相邻孔信号幅度差不超过6dB；而同样位置的脉冲反射法常规探头只有1个孔回波信号出现，深度差10mm的相邻孔信号波幅差达21dB。

图7(b)所示的试验证明全聚焦相控阵可检出上表面缺陷。使用折射角55°探头，探头前沿距离刻槽40mm远，按照传统认识是无法探测到上表面深度0.5mm刻槽的，但此试验证明该刻槽可以探测到，经增益补偿和信号处理后显示的缺陷图像非常清晰。从工程应用角度来说，全聚焦相控阵技术没有上表面盲区。

图7 全聚焦相控阵检测试验

场测量应用优势

用“场”的概念理解检测过程，以及用“场测量”和“场校准”技术路线实施检测的全聚焦相控阵系统，其应用具有以下优势：

(1) 解决了全聚焦相控阵系统无法提供A扫信号显示带来的问题。在技术应用过程中，不需要利用A扫信号。

(2) 简化了技术应用过程，包括系统校准过程、工件扫查过程、数据评定过程、工艺编制过程，也简化了理论和实际操作培训过程。过程简化除了能大幅度提高效率外，也将减少人为失误。

(3) 检测速度大幅度提高。主要体现在以下3个方面：一是用沿线扫查代替锯齿扫查，发现缺陷不需要寻找最高波；二是能够覆盖更大的深度范围，初步试验证明对100mm厚度焊缝可不分区，一次扫查完成检测；三是上表面缺陷的检出效果较好，无须增加对上表面盲区的补充检测。

(4) 检测灵敏度和可靠性大幅度提高。扫查灵敏度可提高12dB甚至更多；目标区内局部补偿量可达24dB甚至更多，能保证检测目标区内各种小缺陷的检出。

来源：《无损检测》2020年第2期

作者：强天鹏，杨贵德，杜南开，陈建华，张国强，龚成刚