聚乙烯电熔接头表面不规则对超声相控阵检测的影响分析

　　1　前言

　　聚乙烯管道电熔接头连接时一般将电热丝布置于管件的内表面,施工时将管子与管件配合后用专用的加热控制电源将管件中的电热丝通电加热,使管件与管材的接触表面熔化结合,冷却后使管件与管材牢固、密封地结合在一起[1]。由于各种因素的影响,电熔连接接头处不可避免地会产生各种缺陷,使接头成为聚乙烯管道系统的薄弱环节,给管道的使用带来了安全隐患。

　　笔者采用超声相控阵技术及B扫描实时成像技术,通过足够数量的探头排列和触发时间控制,并选用不同频率范围,可以实现表面平整的嵌入式电阻丝电熔连接接头的检测[2]。但是由于我国许多生产厂家制造的聚乙烯电熔接头表面并不平整,具有凹凸槽和不同形状的纹路。在相控阵聚焦技术检测表面不平整的聚乙烯电熔接头时,由于耦合剂与聚乙烯两者声速的差异,使延时触发的相控阵超声发射不能按预定位置形成聚焦,造成检测图像的畸变和灵敏度的降低,另外,两者声阻抗的差异也会产生灵敏度的降低和盲区的增大。笔者对聚乙烯电熔接头表面不规则对超声相控阵检测的影响进行系统地分析和研究,并探索出一种实用的方法,可以基本消除表面不规则对超声相控阵检测的影响,使超声相控阵技术能够适用于表面不规则的聚乙烯电熔接头的质量检测。

　　2　相控阵聚焦的原理

　　对于图1所示的一维线阵,阵元长度为H、宽度为w,阵元中心间距为d。设定在均匀无损耗介质中,嵌在无限大、硬障板内表面积为H×w的平面换能器,当方向振速分布均匀时,辐射面所激发的声压场(单位:Pa)可通过Rayleigh积分表示为[3]

　　t———时间变量,s

　　vo(t)———换能器表面的法向振速(当法向振速分布均匀时,vo(t)为常量)

　　该线阵的辐射声压场可通过将每个阵元的辐射声压场叠加而获得,设阵元数为N,对第i阵元其相对声压幅度为Ai。则在z=0的平面内,在某一位置A(xz,yz,z)其合成声场值PA为:

　　采用超声相控阵聚焦技术,对于一维线阵,为使各单元发出的超声波同时到达该焦点,先要计算焦点与各单元之间的距离,根据算出的距离差,来控制施加到各单元的时间延迟量Ti。按公式(3)计算:

　　运用电子技术,按计算得到的时序控制激发各个阵元(如图2所示),使阵列中各阵元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面,在效果上相当于改变了换能器的空间排列形式。同样,在反射波的接受过程中,按一定规则和时序控制接收阵元的接受并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示,由此实现了超声波声束的动态聚焦[4]。