第三章 TOFD技术的工艺知识
3.1
探头的一般要求
与常规脉冲反射技术使用的超声探头不同，TOFD技术所使用的探头不要求小的扩散角和好的声束方向性。恰恰相反，由于TOFD检测利用的是波的衍射，在实际探测中衍射信号与反射信号相比方向性弱得多，所以在TOFD技术中我们往往使用小尺寸的晶片，大扩散角的探头，有利于衍射信号的捕捉。
典型的探头结构如图2.1，它包括一个安装在有机玻璃或相似材料的楔块中的压电传感器。选择具有宽频带和短脉冲的压电探头可以得到更高的深度分辨率。通过楔块在金属内形成的纵波，其典型角度为45度、60度或70度。该传感器上配有螺纹，以便更换楔块。探头和楔块之间必须使用耦合剂提高超声波传递效率。这样设计的缺陷是耦合剂最终会因风干而必须及时添加。
通常使用的探头的参数范围如下表：
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频率 1MHZ – 15MHZ
晶片尺寸 3mm – 20mm 楔块角度（钢中） 45 °– 70° 3.2 探头的扩散角和频率分量计算
3.2.1 声束扩散角计算
在TOFD检测中，当初次扫查时，最重要的设置是声束扩散，因为通常目标是尽可能用少量的扫查次数去检查尽量大体积的金属。因此，计算覆盖范围是非常重要的。声束扩散的数学计算略述如下：
盘状晶片振荡器发出超声波束其半角被定义为：
sinγ=Fλ/D
其中：λ为介质中声波波长，D为晶片直径，F为声束边界截取系数，也称扩散因子。几个常用的F值见下表：
截取波束边缘的声压下降值 F值 下降6dB F = 0.51 下降12dB F = 0.8 下降20dB F = 1.08
探头发出的声束大概描述如下图。探头近场区的情况比较复杂，目前计算假定感兴趣的区域为远场区，则上面的公式是适合的。
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下表给出了不同频率和晶片尺寸探头的楔块中的波长和波束扩散角数据，已知超声波在某塑料中的声速为2.4mm/μs, 扩散因子F取0.8.
频率（MHZ） 在楔块中的波长（mm） 3 5 10 0.8 0.48 0.24 D = 15 mm 2.45° 1.47° 0.73° 声束扩散角度 D = 10 mm 3.67° 2.20° 1.10° D = 6 mm 6.12° 3.67° 1.83° 不同频率和晶片尺寸探头的楔块中的波长和波束扩散角关系
由表可知，要想得到最大的声束扩散角，则需要使用最低频段、最小尺寸的晶片。
为了获得以典型角度45度，60度或70度进入金属的纵波，与探头探测面相连的有机玻璃／聚苯乙烯的楔块应切削成适当的角度。两个不同的介质边界处的折射角度用Snell定律计算。
c1／c2=sinθ1／sinθ2
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其中c为速度，θ为法向角度，1，2分别表示介质1和2。
例如钢中声速为5950m／s，楔块中声速为2400m／s，则波束在楔块和钢中对应的角度应为：
楔块中角度(度) 16.57 20.44 22.27 在钢中角度(度) 45° 60° 70°
为计算被测工件中声束扩散，需要执行如下步骤： 1） 为选择金属的声束中心角，计算楔块中入射角度θP
sinθP = sinθLCp/CL
2） 计算楔块中声束扩散角γ
sinγ=Fλ/D=FCp/Df
3） 求出楔块中扩散的上下边界角γ上 = θp＋γ和γ下 = θp－γ 4） 用Snell定律分别求出工件中声束边界角度
sinγL上 = sinγ上CL/CP sinγL下 = sinγ下CL/CP
【例题】求晶片尺寸6mm，频率5MHz，折射角60°的纵波斜探头的钢中-12dB声束边界角，设工件中纵波声速C=5.95mm/μs，楔块中纵波声速CP = 2.4mm/μs。
折射角公式计算出楔块中纵波入射角度：
sinθP = sin60°× 2.4/5.95 θP =20.44°
计算楔块中纵波的声束扩散角
sinγ = 0.8 ×2.4/6×5 γ = 3.67°
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计算楔块中纵波的声束上下边界角
γ上 = 20.44 + 3.67 = 24.11 γ下 = 20.44 - 3.67 = 16.77
计算钢中纵波的声束上下边界角
sinθL上 = sin24.11×5.95/2.4; θL上 = 90° sinθL下 = sin16.77×5.95/2.4; θL下 = 45.67°
答案：该纵波斜探头在钢中的-12dB上边界角为90°，下边界角为45.67°
下表给出金属中60度声束中心角时声束扩散的例子
频率（MHz） 钢中60度声束中心角的声束扩散 D = 6mm 3 5 10 40.2°-90.0° 47.3°-84.0° 3.2°-68.5° D = 10mm 47.2°-84.0° 51.9°-70.6° 55.8°-64.8° D = 15mm 51.1°-72.2° 54.5°-66.5° 57.1°-63.1°
表中最大声束扩散是由3 MHz，6 mm直径的晶片得到的，它向右扩散到上表面上(90度折射角)。由Snell定律可知，声束扩散并不关于声束中心对称。随着频率或晶片直径增加，声束扩散迅速减小。下图为一对60度探头波束聚焦在工件三分之二深度处时的声束扩散，从中可以明显地看到这种效果。
虽然参数选择的第一原则是高频率得到高的分辨率和大直径得到较高声束强度，但是在检查的发现缺陷阶段，声束的覆盖范围成为参数选择的第二因素，这促使我们选择低频率和小直径。当缺陷已经发现和确定位置后，就需要优化设置进一步扫查缺陷，以得到最佳的尺寸精度。
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