非球面聚焦換能器被設(shè)計(jì)為通過平坦，圓柱或復(fù)曲面界面聚焦在具有給定折射角的材料中的精確點(diǎn)上。

這次演講將展示這種特定聚焦技術(shù)的主要優(yōu)勢，這要?dú)w功于壓電復(fù)合技術(shù)及其成形能力。

我們還將關(guān)注壓電復(fù)合技術(shù)的機(jī)械和電聲特性，從而可以設(shè)計(jì)出無與倫比的高分辨率和信噪比傳感器。

某些需要特殊調(diào)整的檢查手段的應(yīng)用，例如坯料，鍛件或加壓零件的檢查，將重點(diǎn)介紹。

也將介紹這種技術(shù)與相控陣概念相結(jié)合的可能性。

介紹

一些必須用非破壞性方法檢查的關(guān)鍵部件，是由于其衰減或均勻性差而被認(rèn)為對超聲波難以加工的材料制成的，例如鈦或奧氏體鋼。這些材料要求低檢查頻率，高靈敏度和大帶寬。

同時(shí)，要檢測的缺陷的大小和深度（有時(shí)是大?。┬枰^高的橫向分辨率。高橫向分辨率，長聲程和低頻的結(jié)合使得必須使用大孔徑和聚焦換能器。

另外，檢查通常是通過具有散焦效果的界面進(jìn)行的。

為了提高這些困難檢查的性能，Imasonic開發(fā)了Fermat換能器概念。

費(fèi)馬換能器的概念

傳感器定義
Fermat傳感器的主要特征是其非球面聚焦有源表面，與傳統(tǒng)傳感器相比，其尺寸通常較大。

換能器的定義是通過計(jì)算來確定的，該計(jì)算定義了一個(gè)表面，從該表面起每個(gè)點(diǎn)都同時(shí)飛向缺陷。該傳感器專用于一種特定的設(shè)置，并考慮到：


• 檢查材料（聲速）

• 預(yù)期折射角

• 檢查深度或聲音路徑

• 界面幾何形狀（平面，圓柱，復(fù)曲面等）

計(jì)算活動(dòng)表面時(shí)要考慮到預(yù)期的橫向分辨率和景深。圖1顯示了Fermat換能器形狀的示例。




圖1：費(fèi)馬換能器的形狀示例。

理論上的改進(jìn)
圖2和圖3展示了在給定的設(shè)置下由于采用了費(fèi)馬（Fermat）概念而獲得的改進(jìn)，并且對傳統(tǒng)的聚焦換能器和費(fèi)馬（Fermat）換能器進(jìn)行了比較。標(biāo)稱設(shè)置如下：

• 工作頻率：2MHz

• 折射角：65°

• 對焦距離：55毫米

• 橫向分辨率：<5mm

• 接口幾何形狀：圓柱形，凹形




圖2：使用傳統(tǒng)的聚焦換能器進(jìn)行光束仿真：

• 折射角：55°

• 聚焦距離：25 mm

• 橫向分辨率：4mm。

圖3：使用Fermat換能器進(jìn)行光束仿真：

• 折射角：62°

• 對焦距離：55毫米

• 橫向分辨率：4.5毫米

Fermat概念可在適當(dāng)?shù)恼凵浣嵌认聦?shí)現(xiàn)更精確的聚焦

技術(shù)

1-3
壓電復(fù)合材料Fermat換能器的壓電層是由壓電復(fù)合材料制成的。Imasonic的壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)稱為1-3，如圖4所示。壓電陶瓷棒嵌入聚合物材料中。




圖4：1-3壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意圖。

這些壓電復(fù)合材料的電聲和機(jī)械性能對Fermat換能器非常感興趣。（請參閱以下參考資料中的論文（1））




圖5：根據(jù)陶瓷的百分比，壓電復(fù)合材料的特性變化。




電聲性能
1-3結(jié)構(gòu)的特征之一是陶瓷的百分比。可以通過修改桿的尺寸及其間距來進(jìn)行調(diào)整。圖5顯示了陶瓷百分比對壓電復(fù)合材料性能的影響。垂直的紅線顯示了Fermat傳感器的最佳百分比。它對應(yīng)于高電阻抗（低介電常數(shù)E ₃₃），低聲阻抗（Z）和高耦合系數(shù)（kt）。

高電阻

高電阻抗允許大孔徑傳感器，同時(shí)保持與大多數(shù)超聲脈沖發(fā)生器/接收器兼容的電阻抗。

低聲阻抗

聲阻抗與水匹配。與整體式壓電陶瓷相比，這導(dǎo)致了更好的能量傳遞，并結(jié)合了強(qiáng)大的電聲性能，使靈敏度水平提高了10至50dB。

高耦合系數(shù)

高耦合系數(shù)的結(jié)果是高靈敏度和高信噪比。

此外，復(fù)合材料的自然阻尼可實(shí)現(xiàn)60％至90％的相對帶寬，同時(shí)保持非常好的靈敏度。

機(jī)械性能
聚合物的機(jī)械性能用于使壓電復(fù)合材料成形為聚焦換能器。圖6顯示了一個(gè)寬口費(fèi)馬換能器，其有效區(qū)域是凸形的，以便聚焦通過孔的圓柱形界面。

1-3結(jié)構(gòu)還使復(fù)合材料具有更好的抗機(jī)械沖擊和振動(dòng)性。

聚合物的膨脹系數(shù)接近換能器其他組件（正面，背面等）的膨脹系數(shù)，導(dǎo)致傳感器在溫度和熱沖擊方面的性能得到改善。




圖6：帶有活動(dòng)區(qū)域整形的寬孔徑探頭（100毫米）的示例。

圖7：使用透鏡聚焦和通過有效區(qū)域的形狀聚焦之間的比較。

圖8：由Imasonic開發(fā)的用于Fermat換能器計(jì)算的Quick Sonic軟件

設(shè)計(jì)

主動(dòng)曲面計(jì)算
Imasonic已開發(fā)了一個(gè)特定的軟件（參見圖8），主要有2個(gè)目標(biāo)


• 快速模擬給定頻率和有效尺寸的橫向分辨率，或快速計(jì)算有效頻率和有效分辨率的有效尺寸

• 計(jì)算用于制造換能器的有效表面的形狀

波束模擬
換能器的精確設(shè)計(jì)是由CEA開發(fā)的CIVA軟件（見圖9）完成的，在這種情況下，可以進(jìn)行兩種類型的模擬：

• 通過界面進(jìn)行光束模擬，并考慮到了費(fèi)馬有效表面

• 模擬上面計(jì)算的光束與可以在軟件中描述的缺陷之間的相互作用




圖9：CEA開發(fā)的CIVA仿真軟件，用于Fermat換能器設(shè)計(jì)。

可選功能

費(fèi)馬換能器通常是單元件浸入式換能器。但是，它們的特點(diǎn)是可以匹配不同的使用條件，或者與相控陣技術(shù)結(jié)合使用（請參見下面參考文獻(xiàn)中的論文（2））。

接觸式Fermat傳感器


圖10：使用軟質(zhì)材料楔形件和水耦合系統(tǒng)接觸Fermat傳感器。

當(dāng)出于環(huán)境或工業(yè)原因無法使用浸入技術(shù)時(shí)，可以將楔子與Fermat換能器一起使用以代替水路。在這種情況下，Imasonic會(huì)使用柔軟的材料楔形件，其聲學(xué)特性接近水。楔形可以與界面幾何形狀匹配。耦合是通過水膜完成的，并且探頭可以集成水灌溉系統(tǒng)（請參見圖10）。




這種楔形的優(yōu)點(diǎn)是：

• 柔軟的正面可以稍微適合界面上的不規(guī)則之處

• 接近水的聲阻抗減少了由于水膜厚度變化而引起的問題

相控陣Fermat換能器
Fermat概念也可以與相控陣技術(shù)相結(jié)合。在這種情況下，除了機(jī)械聚焦外，還可以對光束進(jìn)行電子控制，以增加檢查區(qū)域。已經(jīng)開發(fā)了不同的解決方案，將在下面的應(yīng)用示例中更詳細(xì)地顯示。

應(yīng)用實(shí)例

鈦鋼坯
的檢驗(yàn)根據(jù)GE標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造了多套Fermat換能器，用于直徑6“至13”的鈦鋼坯的多區(qū)域檢驗(yàn)。圖11a中顯示了這些用于6“坯料的傳感器。

檢查是在L0°探頭浸入水中進(jìn)行的，每個(gè)探頭專用于大約1“的深度范圍。必須在此范圍內(nèi)檢測到FBH＃2（0.8mm），孔之間的均勻性要好于3dB。區(qū)域，信噪比的最低要求為16dB。

到目前為止，設(shè)計(jì)的所有類型的傳感器均已在工業(yè)檢查系統(tǒng)中成功測試并實(shí)現(xiàn)（如圖11b所示）。




圖11a和b：用于檢查鈦坯料的單元素費(fèi)馬換能器組。

使用相控陣技術(shù)檢測鈦坯料
一些特殊的矩陣相控陣費(fèi)馬換能器已為SNECMA開發(fā)，用于鈦坯料檢測。這些傳感器已與M.FINK（法國ESPCI）開發(fā)的時(shí)間倒轉(zhuǎn)鏡技術(shù)配合使用（請參見下面參考文獻(xiàn)中的論文（3））。這項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)行3D光束控制并補(bǔ)償鈦的不均勻性。這種矩陣費(fèi)馬換能器的示例如圖12所示。




圖12：采用時(shí)間倒轉(zhuǎn)鏡技術(shù)的用于鈦坯檢驗(yàn)的Matrix Fermat換能器。

獲得的結(jié)果非常有前景，并且在140mm深度處檢測到FBH＃1（0.4mm），信噪比無與倫比

從內(nèi)孔檢查轉(zhuǎn)子葉片的凹槽
與Tecnatom合作開發(fā)了三個(gè)Fermat傳感器，用于從內(nèi)孔檢查渦輪葉片的凹槽（請參見下面參考文獻(xiàn)中的論文（2））。上面的圖6中顯示了這些傳感器中的一個(gè)，其有效表面被劃分為16個(gè)環(huán)以電子地改變聚焦距離，而圖13中顯示了三個(gè)傳感器在其探頭支架上。

檢查的主要困難之一是不同參數(shù)的組合：

• UT路徑非常長，約為400mm

• 只能從直徑150mm的內(nèi)孔進(jìn)入

• 在復(fù)雜的幾何區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的缺陷，臨界尺寸為1.5mm

該檢查已成功使用校準(zhǔn)塊進(jìn)行了測試，并檢測到所有缺陷，并在火力發(fā)電廠中進(jìn)行了進(jìn)一步的檢查，證明了該技術(shù)的工業(yè)適用性。

同時(shí)，將破壞性測試方法替換為非破壞性方法，并減少了檢查時(shí)間和成本。

高溫核容器檢查
與CEA CEREM（Commissariat?l'?nergie Atomique –法國）一起開發(fā)了特殊的Fermat換能器，用于核容器的高溫檢查（見圖14）。檢查是在180°C的浸入水中完成的。

探頭的設(shè)計(jì)必須結(jié)合換能器的大孔徑和熱約束。壓電復(fù)合材料的機(jī)械性能可承受溫度變化，同時(shí)保持有源區(qū)域的形狀和性能。




圖13：探頭支架上的三個(gè)費(fèi)馬探頭。	圖14：高溫費(fèi)馬換能器。

檢查主泵的熱障


圖15：熱障檢查配置的示意圖。

主泵熱障檢查的主要要求如下（見圖15）。





• 通過奧氏體鋼中200mm的聲音路徑進(jìn)行檢查

• 通過最小半徑為50mm的復(fù)曲面接口進(jìn)行檢查

• 能夠檢測5mm的缺陷，并以5mm的分辨率確定其周向延伸尺寸

• 折射角0°LW

為了滿足這些要求，Imasonic設(shè)計(jì)并制造了具有費(fèi)馬表面的彎曲線性相控陣探頭。探頭如圖16所示，費(fèi)馬有效表面分為16個(gè)元素，如圖17所示。

• 線性陣列用于控制光束并確定缺陷延伸的尺寸

• Fermat表面旨在通過復(fù)曲面界面聚焦

• 實(shí)施了軟質(zhì)材料楔形物以與水膜形成連接。

聚焦區(qū)域的光束尺寸約為12x13mm，這與仿真非常一致。用這種技術(shù)進(jìn)行這種檢查的可行性已被成功證明。




圖16：接觸式Fermat線性相控陣探頭。

圖17：圖16中所示探針的活動(dòng)區(qū)域的視圖

結(jié)論

本文中說明的示例清楚地證明了費(fèi)馬傳感器的功能和性能。

多項(xiàng)檢查可以提高以下參數(shù)的性能：


• 靈敏度和信噪比

• 橫向分辨率

• 光束預(yù)測與控制

同時(shí)，可以開發(fā)新的檢查技術(shù)，并針對以下問題提供解決方案：


• 復(fù)雜的界面幾何

• 聲音路徑長

• 難以檢查的材料