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什么聚焦探头？
由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1 mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。利用聚偏二氟乙烯(PVDF)高分子薄膜制作的箔式探头，可以获得0.2 mm直径的超细声柬，用在医用诊断仪器CT上可以获得清晰度很高的图像。
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海底管道检测用线聚焦超声探头声场研究
摘　要:海底管道缺陷的检测是由管道内智能猪完成的,智能猪上的超声探头阵列以恒定的速度一次性爬过管道,采集并记录缺陷数据供离线分析。所以探头的种类和性能直接影响对缺陷的检出率。论文针对智能猪用柱形曲面声透镜水浸式线聚焦探头,建立了其声场模型,并对其轴线声场和焦距进行了数值模拟。最后,实测了其轴线声场分布。
海底管道超声自动检测系统,又称智能猪,是用于检测管道中缺陷的一种智能装置。其中,超声传感器阵列是其核心部件。它由多个传感器组成。而传感器的结构特点和性能是保证缺陷检出率的关键因素。通过对普
&&&&&& 1　数学模型
& & 超声采用平面型矩形压电晶片,由柱形曲面声透镜聚焦声束。为了方便其声场数学模型的建立,采用图1所示的两套坐标系。直角坐标系原点在声透镜背面中心上(见图1(a)),x、y轴分别为透镜长度和高度方向,z轴垂直于透镜背平面(xoy面)。图中a、b分别为压电晶片的长度和宽度;柱面坐标系是取透镜内表面的圆柱体几何中心作为原点,r是透镜的曲率半径,&是透镜曲面上的点在yoz平面上的投影与z轴正方向的夹角。
& &&假设晶片由一系列点源组成,每个点源向外发射单一频率的球面波,设球面波声压为P1,不考虑点源之间的相互干涉,且假设到达声透镜背面(xoy面)的时间相同。则
& & & &&P1=p0exp(j&0t) & & & & & &(1)
式中p0为原始声信号幅值;&0为超声波中心频率。声束到达透镜后,由于在透镜中的声程不同,声波出现相位上的变化,此时透镜的作用相当于相位变换器,假设声波在透镜中按球面波衰减,则到达透镜曲面上的声压P2为
式中c1为透镜材料中的声速。把透镜曲面上的点作为二次点源,向外发射球面波,不考虑它们间的相互干涉,则空间一点M(x,y,z)处,由透镜曲面上一点发射到该点的声压P3为
(x1,y1,r(1-cos&)是透镜曲面上的点;c2是水中的声速。空间一点的声压可看作是透镜曲面上所有的点源在这一点辐射的声压之和。为此,在透镜曲面上取一微元ds,ds=rdxd&,则微元向空间一点辐射的声信号为
沿透镜曲面积分,就可得到空间一点M(x,y,z)处的声压为
式(5)就是线在空间的声场分布数学模型。
& &&2　数值模拟
& & 直接求解式(5)得声场分布的精确解较难。我们采用近似的方法计算这一积分。将透镜按长度方向分成M等分,再将其按&角度的方向分成N等分。则可将透镜曲面分成M&N个小块,空间一点的声压可看成是这些小块发射的声压叠加。只要M和N足够多,是可以满足计算精度要求的。
& &&取透镜材料为有机玻璃,其中声速为2700 m/s,水中声速为1500 m/s,透镜的曲率半径为?0 mm,透镜长10 mm,宽10 mm,超声波中心频率为5 MHz。经编程计算,其中心线(z轴方向)上的声压分布如图2中实线所示。此时最大声压对应的距离为43 mm,即该探头的焦距为43 mm。
& &&3　试验结果及分析
& & 试验用探头与数值计算时参数一致,试验是在水中利用小球法得到的,测量沿着z轴方向的步长为5 mm,共测了14个点,结果见图2中虚线。从图中可看出,理论值与实测分布基本吻合。
& & 4　结束语
& & 论文在对比分析了目前常用的超声探头的性能特点的基础上,提出使用线的方案。并建立了该种探头的数学模型,对其进行了数值模拟,并实测了其中心线上的声压分布,二者吻合较好。
& & 致谢:对上海核物理研究所中心全体老师的帮助和钟志明老师的指导,并提供试验设备及测试环境表示感谢。
& & 参考文献:
& & [1]杨思乾,刘艳华,李京龙.水浸聚焦探头声束轴线声场的编程计算[J].测试技术学报,):76279.
& & [2] OGI H, HIRAO M, OHTA T. Line2focusing elec2tromagnetic acoustic transducers for the detection of&slit defects [J]. IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics, and Frequency Control, ):3412346.
& & [3] REBER K, BELLER M, WILLEMS H,et al. A new&generation of ultrasonic in2line inspection tools for de2&tecting, sizing and locating metal loss and cracks in&transmission pipelines[C]. IEEE Ultrasonics Symposi2&um .
& & [4]晏荣明.超声检测用球面声透镜聚焦规律研究[J].声学技术,):1242127.
& & [5]何家忠,钱盛友,张福成.球面2锥面声透镜换能器的研究[J].压电与声光, ):2872288.
& & 本文作者：宋寿鹏 &阙沛文 &刘清坤
[整理编辑：中国测控网]
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线聚焦探头关键技术研究 徐永明．程星国 口HaⅫ机械J561116 摘要：Hm8，014规格的小直径薄壁管的超声渡捡测，目产探头很难选到内、外壁伤波高协调到2分ⅢH内的
耍求，对此拄们进行了Ⅸ论分析．井用国产探头与美国TLC线聚焦探生进行对比实验．初步确定声束焦斑宽度的
大小是影响内、外伤分辨率的主要囡素。最后按其指导制作jIj丁符合要求的探头．验证了理论的t碲性．
关键词：超声波检测；水浸线聚焦探头；小直径薄壁管
引言 在航空发动机制造领域，需要对o8一m14的荐种管料进行超声波探伤来保证其质量，技术上
属于小直径薄壁管超声波检测的领域。按照相关标准，可采用5M―IOMHz的点聚焦或线聚焦探头
进行检测，由于历史原因，我厂采异 的是线聚焦探头。但是经实验，市场上国产的线聚焦超声波探
头对小直径薄壁管内壁伤的分辨率较低，达不标准要求的内、外伤波高相差在2分贝以内的要求。
而我厂使用的美国TLC探头则能达到此要求，对此我们进行了分析研究。
1线聚焦探头的基本分析 霆 目1缝聚焦探头结构示意口 lI线聚焦探头概述 普通直探头的结构如图l所示，超声波探头利用压电晶片的压电效应来发射和接收超声波。由
于晶片发射的声束总是随距离的增大而扩散的，为了进一步提高检测灵敏度．人们仿造光学中的聚
焦技术，使声柬汇聚．以得到局部的高能声束。实现聚焦声束最常用的方法是利用声透镜，使用球
面透镜可以产生点聚焦声柬．使用柱面透镜可以产生线聚焦声束。线聚焦探头就是在直探头基础上
加一柱面透镜形成的：
12线聚焦原理 聚焦探头是通过声透镜实现声束的聚焦的。由于干涉现象的存在．实际产生的聚焦声束并不是
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