JJF 1650-2017超声探伤仪换能器声场特性校准规范-(高清原版).pdf
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1、中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 6 5 02 0 1 7超声探伤仪换能器声场特性校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rF i e l dP a r a m e t e r so fU l t r a s o u n dF l a wD e t e c t o rT r a n s d u c e r s 2 0 1 7-1 1-2 0发布2 0 1 8-0 2-2 0实施国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 发 布市场监管总局市场监管总局超声探伤仪换能器声场特性校准规范C a l i b r a t
2、i o nS p e c i f i c a t i o nf o rF i e l dP a r a m e t e r so fU l t r a s o u n dF l a wD e t e c t o rT r a n s d u c e r sJ J F1 6 5 02 0 1 7 归 口 单 位:全国声学计量技术委员会 主要起草单位:中国计量科学研究院北京理工大学吉林省计量科学研究院 本规范委托全国声学计量技术委员会负责解释J J F1 6 5 02 0 1 7市场监管总局市场监管总局本规范主要起草人:杨 平(中国计量科学研究院)徐春广(北京理工大学)边文萍(中国计量科学研究院)
3、肖定国(北京理工大学)朱 岩(中国计量科学研究院)房法成(吉林省计量科学研究院)J J F1 6 5 02 0 1 7市场监管总局市场监管总局目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语和计量单位(1)3.1 声束直径(1)3.2 声束扩散角(1)3.3 场深(1)4 概述(2)5 计量特性(2)5.1 近场长度/焦距(2)5.2 声束直径(2)5.3 声束扩散角(2)5.4 场深(2)6 校准条件(2)6.1 环境条件(2)6.2 测量标准及其他设备(2)7 校准项目和校准方法(3)7.1 校准项目(3)7.2 校准方法(3)8 校准结果表达(5)8.1 校准数据处理(5)8.2
4、校准证书(5)8.3 校准结果的不确定度评定(5)9 复校时间间隔(6)附录A 校准证书的内容(7)附录B 测量不确定度评定示例(1 0)附录C 去离子水的声速随温度变化表(1 3)附录D 水听器的选择依据(1 4)J J F1 6 5 02 0 1 7市场监管总局市场监管总局引 言 本规范依据J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则所给出的规则和格式进行编制。本规范参照了G B/T1 8 6 9 42 0 0 2 无损检测 超声检验 探头及其声场的表征、A S TM E1 0 6 50 8 超 声 扫 查 部 件 特 性 的 评 价 标 准 导 则(S t a n d
5、 a r d G u i d ef o rE v a l u a t i n gC h a r a c t e r i s t i c so fU l t r a s o n i cS e a r c hU n i t s)中描述的测量方法,声场特性主要参考了A S TM E1 0 6 50 8,包括近场长度/焦距、声束直径、声束扩散角、场深等参数。本规范为首次发布。J J F1 6 5 02 0 1 7市场监管总局市场监管总局超声探伤仪换能器声场特性校准规范1 范围本规范规定了用于超声无损检测的超声换能器(亦称为“超声探头”)辐射声场的计量特性、校准条件和校准方法。本规范适用于频率在(0.5
6、1 5)MH z范围内的平面超声换能器与聚焦超声换能器。其他超声换能器及其阵列声场特性的校准也可以参照采用。2 引用文件本规范引用下列文件:J J F1 0 0 1 通用计量术语及定义J J F1 0 3 4 声学计量名词术语及定义G B3 1 0 2.7 声学的量和单位G B/T1 6 5 4 01 9 9 6 在(0.51 5)MH z频率范围内的超声场特性及其测量 水听器法G B/T1 8 6 9 42 0 0 2 无损检测 超声检验 探头及其声场的表征A S TM E1 0 6 50 8 超声扫查部件特性的评价标准导则(S t a n d a r dG u i d e f o rE v
7、 a l-u a t i n gC h a r a c t e r i s t i c so fU l t r a s o n i cS e a r c hU n i t s)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语和计量单位本规范采用J J F1 0 0 1和J J F1 0 3 4中有关的术语及定义。本规范采用G B3 1 0 2.7中规定的量和单位。3.1 声束直径 s o u n db e a md i a m e t e r在与超声换能器表面平行的声场截面中,选择比最大值低若干分贝(一般为3d B或
8、6d B)的相同幅值点组成的封闭曲线并对其做拟合形成圆形,该圆形的直径即为该处的声束直径,单位为毫米(mm)。3.2 声束扩散角 b e a ms p r e a d以声轴为参考线,在声轴方向的某段空间内,在声轴两侧选择比声轴处声压低若干分贝(一般为3d B或6d B)的点并拟合成两段直线,该两段直线之间的夹角即为该段内的声场扩散角,单位为度()。3.3 场深 d e p t ho f f i e l d声轴上的声压场分布中,在最大幅值处(焦点)前后比最大幅值声压下降6d B的两个位置间的距离,即为该超声换能器的场深,单位为毫米(mm)。1J J F1 6 5 02 0 1 7市场监管总局市场
9、监管总局4 概述超声换能器广泛应用在超声无损检测等领域,超声换能器的声场特性是无损检测用超声换能器的重要参数,声场特性参数一般可通过水听器测量超声信号和扫描声场获得。5 计量特性5.1 近场长度/焦距近场长度/焦距的偏差一般不超过标称值的1 5%。5.2 声束直径声束直径的偏差一般不超过标称值的2 0%。5.3 声束扩散角声束扩散角的偏差一般不超过标称值的2 0%。5.4 场深场深的偏差一般不超过标称值的2 0%。注:后续校准与上一次校准值一般不超过2 0%,以上技术要求不用于合格判定,仅供参考;其中焦距和场深一般仅适用于聚焦超声换能器。6 校准条件6.1 环境条件室温:(1 82 8);水温
10、:(1 53 3)。6.2 测量标准及其他设备1)信号发生器及功率放大器具备猝发音功能的任意波形发生器,频率范围上限高于1 5MH z;如果信号发生器的输出幅度较低,考虑采用功率放大器来驱动信号,功率放大器的带宽应优于(0.51 5)MH z,总失真不大于2%。2)水听器及其前置放大器水听器组带宽应至少覆盖(0.51 5)MH z,水听器有效直径一般应小于介质中工作频率所对应波长的2倍,即2;具体选择依据也可以参照附录D。3)数字示波器工作频率上限不低于1 0 0MH z,采样率应高于2 0 0MH z;至少应有两个通道,具备时间延迟测量(时间分辨力优于0.1s)和幅值测量功能。4)水槽及多自
11、由度调节机构测量用水槽应满足声场扫描范围的需求,应具备最少两个夹持调节机构用于夹持及调节超声换能器的位置和姿态。夹持调节机构应具有最少五个自由度的调节能力,包括X、Y、Z的空间定位,以及调节水平偏转和垂直俯仰功能,其中X、Y、Z的空间定2J J F1 6 5 02 0 1 7市场监管总局市场监管总局位精度应优于0.0 2mm,另外两个自由度旋转角度分辨力应优于0.0 5。5)温度计测量范围至少覆盖(1 53 3),示值误差应优于0.1。7 校准项目和校准方法7.1 校准项目校准项目见表1。表1 平面/聚焦超声换能器校准项目一览表序 号项目名称校准方法1近场长度/焦距7.2.2.1/7.2.3.
12、12声束直径7.2.2.2/7.2.3.23声束扩散角7.2.2.3/7.2.3.34场 深7.2.3.47.2 校准方法声场参数的测量,一般是通过扫描定位装置带动水听器进行若干平面的扫描得到,校准系统如图1所示。图1 水听器法校准超声换能器声场特性示意图7.2.1 校准前检查观察超声换能器的外观,应符合以下要求:1)待校超声换能器应无明显的损坏,尤其换能器前端的匹配层应完好;2)超声换能器前端应有相应部分可以浸入水中。7.2.2 平面超声换能器声场特性的校准7.2.2.1 近场长度将待校平面超声换能器固定并确保其向水槽中发射声波,连接信号发生器,设定工作频率并切换至猝发音模式,激励波形周期数
13、目的设置既需要考虑水听器接收波形达到稳态,也要考虑水槽边界反射不会对水听器接收到的直达波形造成影响。通过多自由度调节机构带动水听器对平面超声换能器的辐射声场进行沿声轴方向的纵向剖面扫描,得到沿声轴方向的声压场数据。通过分析声轴上的声压场,得到待校平3J J F1 6 5 02 0 1 7市场监管总局市场监管总局面超声换能器的近场长度,即声轴上的声压峰值处到换能器表面的距离,如图2中的N0所示。扫描步进间隔一般设置为不超过工作频率所对应波长的一半。图2 平面超声换能器声轴上声压分布及近场长度测量示意图注:在绘制声压场分布时,需要代入扫描时水的声速值。一般在扫描前后通过温度计测量水槽中的水温,以扫
14、描起始和结束时的平均温度为参考值,查询附录C中的表格得到扫描时的声速值;其他声场形态参数测量中处理过程相同。7.2.2.2 声束直径通过多自由度调节机构带动水听器对平面超声换能器的辐射声场进行垂直于声轴方向的横向剖面扫描,得到声压场的二维图。在该二维图像中,找到最大点,在最大点周围寻找幅度比最大值下降若干分贝的数据点得到封闭曲线,并通过适当的拟合方式得到规则的圆,该圆的直径即为声束直径。针对水听器法通常得到的是-3d B或-6d B声束直径。注:如果拟合结果不是规则的圆,建议以椭圆的长轴短轴等方式表达。7.2.2.3 声束扩散角根据7.2.2.1得到的声轴上的声压场分布,在远场区选择位置A、C
15、,如图3所示。通过计算A、C处的-3d B声束直径,并考虑A、C点间的距离得到扩散角。图3 扩散角()计算示意图扩散角计算如公式(1):=2=2a r c t a nW/(Zc-Za)(1)4J J F1 6 5 02 0 1 7市场监管总局市场监管总局式中:Za、Zc 声轴上A、C两点距换能器表面距离(ZcZa),mm;W Zc处-3d B声 束 直 径 比Za位 置 处-3d B声 束 直 径 增 加 值 的 一半,mm。7.2.3 聚焦超声换能器声场特性的校准7.2.3.1 焦距将待校聚焦超声换能器固定并确保其向水槽中发射声波,连接信号发生器,设定工作频率并切换至猝发音模式,激励波形周期
16、数目的设置既需要考虑水听器接收波形达到稳态,也要考虑水槽边界反射不会对水听器接收到的直达波形造成影响。通过多自由度调节机构带动水听器对聚焦超声换能器的辐射声场进行沿声轴方向的纵向剖面扫描,得到沿声轴方向的声压场数据。通过分析声轴上的声压场,得到待校聚焦超声换能器的焦点,焦点到换能器表面的距离即为焦距,如图4中的FL所示。扫描步进间隔一般设置为不超过工作频率所对应波长的一半。图4 聚焦超声换能器声轴上声压分布及焦距、场深测量示意图7.2.3.2 声束直径参照7.2.2.2。7.2.3.3 声束扩散角参照7.2.2.3。7.2.3.4 场深根据7.2.3.1得到的声轴上的声压场分布,在焦点前后寻找
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