專利名稱：針對噪聲鑄造材料的超聲檢查方法和相關(guān)探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
所公開的實(shí)施例一般涉及非破壞性測試，而且更具體地涉及針對噪聲材料(noisy material)的超聲檢查方法和相關(guān)探頭。
背景技術(shù)：
鑄件被廣泛地用于許多工業(yè)應(yīng)用中以制造復(fù)雜且昂貴的部件。如可適用領(lǐng)域中的 普通技術(shù)人員所理解的，鑄件以粗糙的形式被制造并且被進(jìn)一步加工為最后的形狀，其在 許多應(yīng)用中要求通過復(fù)雜的最后加工切割而獲得的高質(zhì)量密封表面。然而，鑄造過程所固 有的是鑄造部件中的收縮(shrinkage)、夾雜物(inclusion)或者空隙，其至少部分是由于 從鑄模脫落的污垢或沙子或者在固化期間的材料收縮產(chǎn)生的。因此，當(dāng)粗糙的鑄造部件被 加工為最后的產(chǎn)品時(shí)，常常得到具有收縮、夾雜物或者空隙的表面下區(qū)域，從而生成缺陷， 所述缺陷至少必須進(jìn)行維修或者在最差情況下要求必須廢棄(scrapped)該部件。
例如在油氣工業(yè)中，鑄件被用于生產(chǎn)大的工業(yè)組件，所述工業(yè)組件被制造用于油 氣生產(chǎn)和傳輸系統(tǒng)。 一般存在三種鑄造材料用于這些組件——球墨鑄鐵、片狀鑄鐵和鑄鋼。 根據(jù)所使用的鑄造材料的類型和所發(fā)現(xiàn)的缺陷的位置，鑄造材料可以被維修或者可以被打 碎以再熔化，因此促使由于維修成本和/或替換廢棄鑄件所需要的生產(chǎn)周期(lead-time) 而導(dǎo)致的制造成本的上升。 X射線、渦流檢查、磁粒子檢查(magnetic particle inspection)、液體著色滲透 (liquid dye penetrant)和超聲是檢查鑄造材料通常使用的技術(shù)的不同示例。然而，這些 傳統(tǒng)技術(shù)在其檢測小的表面下缺陷的能力方面有限。在液體著色滲透技術(shù)中，模具被遍布 在要檢查的表面上并且擦去過量的染料材料，僅留下缺陷中所吸收的那部分染料。然后使 用粉末吸收材料來定位表面缺陷。類似地，在磁粒子檢查中，磁粒子被遍布在要測試的表面 上并且施加磁場，使得所述粒子集中在所述缺陷造成磁場泄露的區(qū)域中。鑒于它們的本來 性質(zhì)，液體著色滲透和磁粒子檢查技術(shù)都不能用于檢測鑄造部件中小的表面下缺陷。
在渦流檢查中，在被檢查的部件的表面和近表面生成的循環(huán)電流(或者渦流)被 缺陷干擾并且由渦流檢查系統(tǒng)檢測。然而，如普通技術(shù)人員理解的，使用渦流難以檢測在檢 查表面下深處的小缺陷，因?yàn)橼吥w效應(yīng)迅速地衰減進(jìn)入表面的能量并且因?yàn)橛行娣e隨著 深度而增大，因此增加了能夠檢測的最小缺陷的大小。X射線技術(shù)使用透過測試件厚度的 輻射源來在與輻射源相對放置的X射線檢測器上記錄缺陷。然而，由X射線檢查所檢測的 缺陷的大小限于樣品的厚度的大約2%，所述厚度可以從50毫米變化到超過300毫米厚。 因此，大大降低了使用X射線裝置來檢查厚部件的能力。另外，針對這些類型的檢查需要專 門的高能X射線設(shè)施或者伽瑪射線儀器，因此限制了能夠投資昂貴設(shè)施以進(jìn)行大鑄件的高 能、X射線或者伽瑪射線檢查的鑄件提供商的數(shù)量。 超聲檢查用于鑄造材料檢查已經(jīng)多年。通常認(rèn)為，當(dāng)在鑄造材料中使用超聲時(shí)缺 陷的分辨率由于鑄造材料的微觀結(jié)構(gòu)的性質(zhì)而受限。球墨鑄鐵和片狀鑄鐵包含與鐵隔離的 大量碳。這些材料中的隔離碳會(huì)散射超聲，導(dǎo)致有很大噪聲的超聲信號。使用超聲來檢查鑄造材料的挑戰(zhàn)之一是能夠區(qū)別缺陷信號與正常鑄造材料微觀結(jié)構(gòu)散射信號。然而，傳統(tǒng) 散射理論教導(dǎo)為了檢測較厚部件中的鑄造材料中的缺陷，應(yīng)當(dāng)降低聲能的頻率。傳統(tǒng)上， 使用工作在1MHz和5MHz之間頻率的雙元件探頭來降低對散射的靈敏度并且保持對所述缺 陷的靈敏度，但是它們檢查具有大約0. 5毫米的特征長度的缺陷的性能并不令人滿意。
因此，期望的是開發(fā)針對噪聲材料的新超聲檢查方法和相關(guān)探頭，其對小的表面 下缺陷的靈敏度有所提高同時(shí)保持或降低對微觀結(jié)構(gòu)背景噪聲的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
通過使用接合到單元件(single element)超聲探頭的聚碳酸酯延遲器層
(polycarbonate delay layer)來解決本領(lǐng)域中已知的上述需要或其他需要中的一個(gè)或多 個(gè)。 這種接合到單元件超聲探頭的聚碳酸酯延遲器層降低了對來自鑄造材料的微觀
結(jié)構(gòu)的背景噪聲的靈敏度并且提高了對來自缺陷的散射聲信號的靈敏度。 用于檢測噪聲材料中的缺陷的方法也在本文公開的主題的范圍內(nèi)。這樣的方法包
括以下步驟從聲晶體元件(acoustic crystal element)經(jīng)過附接到該聲晶體元件的聚碳
酸酯延遲器層發(fā)出一定量的聲能；并且基于由所述缺陷散射的經(jīng)過所述聚碳酸酯延遲器的
所發(fā)出聲能的一部分的測量來檢測所述噪聲材料中的所述缺陷。 上面的簡潔描述闡明了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的特征以便可以更好地理解后面的 詳細(xì)描述并且可以更好地明白對本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。當(dāng)然存在本發(fā)明的其他特征，所述特征將 在下文中進(jìn)行描述并且將針對所附權(quán)利要求的主題。 在這個(gè)方面，在詳細(xì)地解釋本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例之前，要理解的是，本發(fā)明的各個(gè) 實(shí)施例在其應(yīng)用方面不限于下面描述中闡明的或者附圖中圖解的構(gòu)造細(xì)節(jié)和組件布置。本 發(fā)明能夠具有其他實(shí)施例并且能夠以各種方式被實(shí)施和執(zhí)行。而且，要理解的是，本文采用 的措詞和術(shù)語用于描述的目的而不應(yīng)當(dāng)被看作是限定。 因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)明白，本公開所基于的概念可以容易地被用作設(shè)計(jì)用于 執(zhí)行本發(fā)明的幾個(gè)目的的其他結(jié)構(gòu)、方法和/或系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，重要的是，權(quán)利要求被 看作包括這樣的等同構(gòu)造，只要它們不偏離本發(fā)明的精神和范圍。 而且，前述摘要的目的是使得專利審查員和/或不熟悉專利或者法律術(shù)語或者措 詞的通常是公眾以及特別是科學(xué)家、工程師和專業(yè)人員能夠通過粗略的檢查而迅速地確定 本申請的技術(shù)公開的性質(zhì)和本質(zhì)。因此，摘要既不意欲限定本發(fā)明或者申請也不意欲以任 何方式限定本發(fā)明的范圍，其中本發(fā)明或者申請僅僅由權(quán)利要求書限定。


通過參考下面的詳細(xì)說明同時(shí)結(jié)合附圖考慮，更好地理解本發(fā)明的所公開實(shí)施例 及其許多附帶優(yōu)點(diǎn)，從而將更容易完全明白本發(fā)明的所公開實(shí)施例及其許多附帶優(yōu)點(diǎn)，在 附圖中 圖1圖解了根據(jù)所公開主題的實(shí)施例的單元件超聲檢查探頭的示意圖； 圖2圖解了根據(jù)所公開主題的實(shí)施例的單元件超聲檢查探頭和傳統(tǒng)探頭的性能
比較中使用的非破壞性評估校準(zhǔn)標(biāo)樣(standard);
圖3A-3C圖解了單元件超聲檢查探頭針對分別在球墨鑄鐵的校準(zhǔn)標(biāo)樣塊的示例
性深度8、15和25毫米處的缺陷所測量的信號作為時(shí)間的函數(shù)的變化； 圖4圖解了對于使用傳統(tǒng)雙元件探頭在各種材料中的檢查測量、作為平底孔深度
的函數(shù)的信噪比的變化； 圖5圖解了對于圖1的單元件超聲檢查探頭、作為平底孔深度的函數(shù)的信噪比的 變化； 圖6圖解了對于單元件聲檢查探頭的厚度從5毫米變化到100毫米的延遲器層、 作為鐵厚度深度的函數(shù)的任意單位的聲信號幅度的變化的模擬結(jié)果； 圖7A和7B圖解了根據(jù)所公開主題的實(shí)施例的用于曲面的單元件超聲檢查探頭的 示意圖的兩個(gè)視圖；以及 圖8圖解了根據(jù)所公開主題的實(shí)施例的用于曲面的單元件超聲檢查探頭的示意 圖的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式
所公開的主題的實(shí)施例一般涉及非破壞性測試，而且更具體地涉及用于檢查鑄造 材料的超聲探頭和相關(guān)方法。在所公開的單元件超聲檢查探頭中使用聚碳酸酯延遲器第一 次允許檢測在球墨鑄鐵和片狀鑄鐵部件中的特征尺寸分別小至0. 5毫米或者3. 0毫米的表 面下鑄造缺陷，以前從未在迄今認(rèn)為太高的頻率處(因此生成具有不可接受的信噪比的微 觀結(jié)構(gòu)背景散射)使用超聲檢測技術(shù)測量過該鑄造缺陷。 在整個(gè)說明書中對"一個(gè)實(shí)施例"或"實(shí)施例"的引用意指在至少一個(gè)實(shí)施例中包 括結(jié)合實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或者特性。因此，在整個(gè)說明書各處的短語"在一個(gè)實(shí) 施例中"或"在實(shí)施例中"的出現(xiàn)不必指的是同一個(gè)實(shí)施例。而且，可以在一個(gè)或更多實(shí)施 例中以任何適當(dāng)?shù)姆绞絹斫M合所述具體特征、結(jié)構(gòu)或者特性。現(xiàn)在參考附圖，描述改進(jìn)的超 聲檢查探頭的實(shí)施例，其中在幾個(gè)附圖中相同的附圖標(biāo)號表示等同或者對應(yīng)的部件。
圖1圖解了根據(jù)所公開主題的一個(gè)實(shí)施例的單元件超聲檢查探頭10的示意圖。 如圖所示，單元件超聲檢查探頭10包括在聚碳酸酯延遲器14上面安裝的接觸超聲換能器 (具有帶有適當(dāng)電連接的超聲生成元件、匹配層(未示出)和襯里層(backing layer)(未 示出)，以下統(tǒng)稱為超聲換能器或者晶體元件12)。接觸元件12具有特征尺寸k，如果接觸 元件12是圓柱形的則該特征尺寸可以是直徑。而且，如圖1所示，聚碳酸酯延遲器14具 有高度H2和寬度W2，對于具有圓柱形聚碳酸酯延遲器14的實(shí)施例而言所述寬度也可以是 直徑。在使用中，聚碳酸酯延遲器14的下表面16被安裝到要檢查的表面，并且以適當(dāng)?shù)念l 率驅(qū)動(dòng)接觸元件12從而生成到該表面中的聲能束。用于驅(qū)動(dòng)接觸元件12的頻率、接觸元 件12的直徑和聚碳酸酯延遲器14的尺寸特性的選擇為單元件超聲檢查探頭10產(chǎn)生期望 的聲能束。如普通技術(shù)人員所明白的，接觸元件12也作為從鑄件散射的聲能的接收器，所 述聲能被進(jìn)一步處理以便檢測在被檢查的部件中的缺陷。 如根據(jù)本文所公開的主題會(huì)變得更清楚的，單元件超聲檢查探頭10的上述參數(shù) 的范圍預(yù)期用于其各個(gè)可能的實(shí)施例，以便允許檢查噪聲材料。這包括換能器有源元件的 類型(其幾何形狀和工作頻率)、電連接、匹配層和襯里層。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易 見的，超聲元件也可以是以一維或者二維布置的線性或者相控陣列。如本文自始至終所使
6用的，措詞"噪聲材料"是指其中它們的微觀結(jié)構(gòu)的性質(zhì)將散射超聲能量從而阻礙小缺陷的 檢測的材料。措詞"噪聲材料"不意欲限于鑄造材料。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)明白的， 在查閱了所公開的主題后，所公開的本發(fā)明的實(shí)施例可以被應(yīng)用到具有如下結(jié)構(gòu)的其他材 料該結(jié)構(gòu)反射和/或散射超聲能量，從而在所接收的信號中生成噪聲并且使得較小的缺 陷難于檢測。除了球墨鑄鐵、片狀鑄鐵和鑄鋼之外，這樣的材料的示例還包括但是不限于復(fù) 合材料、陶瓷和結(jié)構(gòu)上多孔的材料。 如已經(jīng)所述的，通常難于使用超聲來檢查鑄鐵材料。具有聚碳酸酯延遲器14的單 元件超聲檢查探頭10在檢查鑄鐵材料中的缺陷方面提供較好的信噪比，所述鑄鐵材料諸 如但是不限于片狀鑄鐵和球墨鑄鐵。聚碳酸酯延遲器14產(chǎn)生用于提高檢查性能所需要的 更好超聲束屬性。單元件超聲檢查探頭10的有益特征之一包括其設(shè)計(jì)可選擇延遲器以最 大化對鑄鐵材料中的缺陷的靈敏度同時(shí)最小化對諸如鑄造材料微觀結(jié)構(gòu)特征的固有材料 特性的靈敏度，這將在下面進(jìn)行進(jìn)一步的解釋。 在圖1所示的圖示中，接觸元件12是5MHz換能器，其具有直徑為大約12. 7毫米 (大約0. 5英寸)的圓形截面，并且聚碳酸酯層14的形狀是具有大約32毫米(大約1. 25 英寸)的高度H2和大約38毫米(大約1.5英寸)的直徑L2的圓柱體；然而，可以在所公開 的主題的范圍中使用其他形狀和尺寸。例如但不視為限定，聚碳酸酯層14可以具有矩形或 者正方形截面。另外，如所適用領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員在查看了本文公開的主題后會(huì)明白 的，聚碳酸酯層14的形狀不是限制性的，只要其側(cè)面積足夠大使得超聲波不干擾其側(cè)壁即 可。 如下面會(huì)變得更清楚的，廣泛的實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值建模已經(jīng)允許開發(fā)聚碳酸酯延遲 器14的工程(engineered)形狀和高度，其與接觸元件12的驅(qū)動(dòng)頻率的選擇一起使得本發(fā) 明人可以達(dá)到期望的信噪比水平，如下面在實(shí)驗(yàn)和建模結(jié)果的總結(jié)中進(jìn)一步說明的。相信 聚碳酸酯延遲器14的作用就像對于從被檢查的鑄造部件的微觀結(jié)構(gòu)中所散射的一些聲能 的過濾器，但是與來自所述微觀結(jié)構(gòu)的背景噪聲相比，來自缺陷的信號更直接(direct)且 然后被傳感器優(yōu)先地檢測到。還相信，來自微觀結(jié)構(gòu)的聲散射信號在聚碳酸酯延遲器14處 以從探頭的接收部分散射開的各個(gè)角度發(fā)生(come off)，并且來自缺陷的散射更直接、到 達(dá)傳感器元件12并且被檢測到。 在此應(yīng)當(dāng)注意的是，傳統(tǒng)的散射理論教導(dǎo)在用于檢測鑄造部件中的缺陷的聲傳 感器中，應(yīng)當(dāng)降低頻率以便達(dá)到所述部件的更深處。如將要所示的，這些發(fā)明人實(shí)際上已經(jīng) 提高了頻率以提高對小缺陷的靈敏度，同時(shí)聚碳酸酯延遲器14允許對來自缺陷的散射的 靈敏度并且衰減來自微觀結(jié)構(gòu)的散射。通常，三比一的信噪比是期望的。聚碳酸酯延遲器 14的示例性實(shí)施例包括但不限于Lucite和Rexolite。單元件超聲檢查探頭10的有益特 征之一在于如下事實(shí)超聲檢查可能在制造之前找到缺陷而此時(shí)鑄造材料仍然在鑄造廠， 從而允許維修或者拒絕所述部件并因此避免了重大、不必要的制造成本。
傳統(tǒng)上當(dāng)檢查噪聲鑄造材料時(shí)，使用雙元件探頭。為了評估單元件超聲檢查探頭 10的實(shí)施例在噪聲材料中的性能，制造球墨鑄鐵、片狀鑄鐵和鑄鋼的校準(zhǔn)標(biāo)樣，并且使用單 元件超聲檢查探頭10的實(shí)施例和兩個(gè)傳統(tǒng)雙元件超聲檢查探頭來進(jìn)行這些標(biāo)樣的測量并 進(jìn)行比較。第一傳統(tǒng)雙元件探頭是2. 25MHz探頭，以下稱為傳統(tǒng)探頭A，而第二傳統(tǒng)雙元件 探頭是5MHz雙元件探頭，以下稱為傳統(tǒng)探頭B。然而如已經(jīng)所述的，本文公開的主題可等同
7地應(yīng)用到其他材料，所述材料包括但不限于復(fù)合材料、陶瓷和結(jié)構(gòu)上多孔的材料。
圖2圖解了在三個(gè)不同深度(8、15和25毫米)具有模擬缺陷的校準(zhǔn)標(biāo)樣之一的示例性實(shí)施例。這些標(biāo)樣是塊20，該塊20具有前表面22、底表面24以及用于模擬各種材料中的缺陷的一組不同大小(從大約0. 5毫米到5毫米變化)和深度(從大約0毫米到大約35毫米變化)的平底孔26(或者FBH)。在圖2的示例性校準(zhǔn)標(biāo)樣中，每個(gè)平底孔26包括0. 5毫米直徑的孔28與沉孔30。為了包括鑄件表面條件的影響，構(gòu)造了鑄態(tài)的和已加工的塊20。通過研磨生成表面粗糙度為64微英寸的已加工的表面。另外，制得軋鋼材料的另一個(gè)校準(zhǔn)標(biāo)樣，其中已加工的表面被用作評估過程中的憑據(jù)(entitlement)。
塊20中的每個(gè)都包含具有平坦且平滑表面的特定厚度的一組臺(tái)階(st印)，以便在給定的深度生成"后壁(backiall)"信號。圖3A-3C圖解了來自單元件超聲檢查探頭10的、針對分別在球墨鑄造校準(zhǔn)標(biāo)樣塊20的8、 15和25毫米處的模擬缺陷的測量的信號作為時(shí)間的函數(shù)的變化。如圖所示，典型的測量信號包括在被標(biāo)注為32的信號部分的前表面22的檢測，所述信號對應(yīng)于在34的每個(gè)平底孔26的檢測、在36的沉孔30的檢測和在38的底表面24的檢測。如所解釋的，使用由球墨鑄鐵、片狀鑄鐵和鑄鋼制成的不同塊20來研究不同的深度范圍(0-35毫米)和缺陷直徑(0.5到5毫米)。如本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員會(huì)理解的，可以針對特定的深度范圍優(yōu)化根據(jù)所公開的各個(gè)實(shí)施例的單元件探頭的聚碳酸酯延遲器14的高度。 使用浸沒(immersion)和接觸檢查技術(shù)來進(jìn)行可行性測試。所述浸沒技術(shù)被認(rèn)為是這個(gè)過程的憑據(jù)(或者最佳的可能性能)，而接觸掃描將提供當(dāng)前使用的檢查過程的基準(zhǔn)。包含平底孔26的塊20被掃描，并且通過比較來自缺陷的峰值幅度和來自正常微觀結(jié)構(gòu)散射的峰值信號而使用標(biāo)準(zhǔn)過程來計(jì)算信噪比。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)來自所評估的鑄造材料中的所感興趣的缺陷的3或者更大的信噪比。所進(jìn)行的基準(zhǔn)測試表明當(dāng)前使用的接觸檢查過程和浸沒檢查技術(shù)不能在所有的鑄造材料上提供3或者更大的信噪比。由于微觀結(jié)構(gòu)散射相對于缺陷信號的低幅度，所以對鑄鋼件中的0. 5毫米直徑的人工缺陷的檢測是可能的，而對鑄鐵材料中的類似缺陷的檢測提出了更難的挑戰(zhàn)。石墨球和石墨片產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)散射信號具有比從鑄鋼所觀察的更大的幅度。當(dāng)使用浸沒檢查技術(shù)進(jìn)行測試時(shí)，觀察到來自球墨鑄鐵中的石墨的散射相對于鋼有所增大，但是不足以大得阻止對0. 5毫米直徑的平底孔的檢測。當(dāng)對球墨鑄鐵測試當(dāng)前使用的接觸方法時(shí)，這個(gè)材料的信噪比阻止對0. 5毫米直徑的平底孔的檢測。對于片狀鑄鐵，微觀結(jié)構(gòu)散射阻止通過所有方法檢測0. 5毫米平底孔。除了來自微觀結(jié)構(gòu)的影響之外，表面粗糙度也在信噪比的惡化中起一定作用?？紤]到這些影響，發(fā)展了被確定為對質(zhì)量關(guān)鍵的檢查變量的值的范圍，包括對于球墨鑄鐵和片狀鑄鐵的各種成品而言位于從0毫米變化到30毫米的深度的平底孔和處于從0毫米到3毫米的范圍的平底孔直徑。應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然已經(jīng)對于球墨鑄鐵和片狀鑄鐵部件執(zhí)行了本文公開的測試和建模結(jié)果，但是所公開的探頭和方法可適用于其他鑄造材料的檢查；因此，所述兩種示例性測試和建模結(jié)果不應(yīng)當(dāng)視為任何方式的限定。 使用球墨鑄鐵和片狀鑄鐵的塊20中的平底孔26所進(jìn)行的測試表明傳統(tǒng)探頭A和B不能克服上述的微觀結(jié)構(gòu)散射影響。傳統(tǒng)探頭A提供了散射信號的合理降低，但是不能以足夠的信噪比檢測0. 5毫米直徑的平底孔。超聲2MHz波長是所感興趣缺陷的大約3-4倍。這個(gè)波長-缺陷比降低了分辨這些缺陷的能力。因此，需要更高的超聲頻率來分辨所感興趣的缺陷。使用更高檢查頻率的一個(gè)問題是來自正常鑄造材料微觀結(jié)構(gòu)的散射隨著檢查的頻率而增大。必須確定最適合于以足夠的信噪比分辨所感興趣的缺陷的頻率。如已經(jīng)所述的，為了合理地檢測結(jié)構(gòu)中的缺陷，認(rèn)為3的SNR足以區(qū)分缺陷和微觀結(jié)構(gòu)散射。
使用傳統(tǒng)探頭A和B以及單元件超聲檢查探頭10的實(shí)施例對不同校準(zhǔn)塊20中的多組平底孔26執(zhí)行實(shí)驗(yàn)測試，并且記錄信噪比。圖4和5示出了對于傳統(tǒng)探頭A(圖4)和單元件超聲檢查探頭IO(圖5)、對于三個(gè)平底孔直徑，信噪比的變化與平底孔深度的關(guān)系。這些測試的結(jié)果表明傳統(tǒng)探頭B在鑄鋼塊和鑄鐵塊中的8毫米FBH處產(chǎn)生更大的信噪比值，而傳統(tǒng)探頭A在鑄鐵塊中的較深FBH處表現(xiàn)得更好。這是由于與鑄鋼中的衰減相比鑄鐵中的頻率相關(guān)衰減有所增加。圖5中的對于單元件超聲檢查探頭10的結(jié)果表明信噪比大于3的接受準(zhǔn)則并且隨著不同的FBH深度而變化很少?？傊瑢τ谟汕蚰T鐵(具有O. 5毫米或者更大的直徑的缺陷)、片狀鑄鐵(具有3毫米或者更大的直徑的缺陷)和鑄鋼(具有0. 5毫米或者更大的直徑的缺陷)制成的校準(zhǔn)塊，在使用根據(jù)本文公開的主題的單元件超聲檢查探頭在所提到的深度范圍內(nèi)進(jìn)行的測量中的信噪比全部大于3，對于在球墨鑄鐵、片狀鑄鐵和鑄鋼中的所提到的最小缺陷直徑而言分別從4變化到8. 7、從6. 7變化到7. 9以及從3變化到13。 發(fā)現(xiàn)單元件超聲檢查探頭10的最佳工作頻率在3MHz到5MHz之間，且當(dāng)材料從片狀鑄鐵改變到球墨鑄鐵以及改變到鑄鋼(微觀結(jié)構(gòu)噪聲降低)時(shí)在更高頻率表現(xiàn)得更好。也已經(jīng)在本申請的受讓人的制造工廠以及制造供應(yīng)商的兩個(gè)工廠進(jìn)行了現(xiàn)場測試。已經(jīng)對由所有三種材料鑄造的組件進(jìn)行了現(xiàn)場測試。在現(xiàn)場測試的所有材料中檢測到使用單元件超聲檢查探頭10的各個(gè)實(shí)施例的超聲指示。 為了進(jìn)一步研究和優(yōu)化探頭性能，通過由數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)的聲場計(jì)算來對新穎且有
益的單元件超聲檢查探頭IO和傳統(tǒng)雙元件聲探頭的行為進(jìn)行建模。通過數(shù)值模擬比較了
具有多個(gè)頻率的雙元件探頭和具有不同長度的延遲線、不同的延遲線材料、延遲線厚度、延
遲線直徑和工作頻率的單元件探頭。所述模型用于研究來自具有不同尺寸和在不同深度的
缺陷的響應(yīng)。在建模研究期間，將與所建模的探頭相關(guān)聯(lián)的所有尺寸參數(shù)保持不變。傳統(tǒng)
雙元件探頭的模型結(jié)果與如上所解釋的它們的對應(yīng)物的實(shí)驗(yàn)性能吻合較好。 圖6示出了對于厚度從5毫米變化到100毫米的延遲器層、聲信號幅度作為鐵深
度的函數(shù)的變化的模擬結(jié)果。在這個(gè)特定結(jié)果中，所模擬的延遲器層材料是Lucite。如圖
6所示，對于較小的延遲器厚度存在相當(dāng)大的束輪廓(profile)的幅度梯度和束上的幅度
變化?；谇蚰T鐵材料的模型結(jié)果，如圖6所示，可接受的厚度范圍大約在32毫米和40
毫米之間。當(dāng)增大Lucite厚度時(shí)，幅度的梯度降低，并且對于大約32毫米和40毫米的厚
度，斜率幾乎變?yōu)榱?。對于大?0毫米的Lucite延遲器厚度，觀察到幅度梯度。觀察到大
約35毫米的最佳Lucite延遲器厚度?；趫D6所示的建模結(jié)果，對于包括35毫米厚的聚
碳酸酯延遲元件的單元件探頭，預(yù)期對于30毫米厚的球墨鑄鐵件上的缺陷的均勻靈敏度。
與由諸如石英的其他材料制成的延遲元件相比，具有聚碳酸酯延遲元件的單元件探頭的作
為頻率的函數(shù)的信噪比的變化的模擬結(jié)果還示出了明顯更高的信噪比。 如上所總結(jié)的，當(dāng)前使用的單元件探頭和雙元件探頭在球墨鑄鐵材料中的模擬性
能結(jié)果已經(jīng)表明所公開的新穎且有益的單元件探頭的性能與傳統(tǒng)雙元件探頭相比更好。在
一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，為更高性能進(jìn)行優(yōu)化的單元件探頭使用35毫米厚的Lucite延遲元件材料和大約4MHz的工作頻率。在這個(gè)實(shí)施例中，所選擇的Lucite延遲元件的直徑是25. 4毫米(1英寸)或者更大以便避免任何側(cè)壁反射。 對各種鑄造材料的鑄造校準(zhǔn)塊的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬的進(jìn)一步使用還提供了單元件探頭的另一個(gè)實(shí)施例，所述單元件探頭包括5MHz換能器與32毫米厚的Rexolite延遲元件。這個(gè)實(shí)施例對于球墨鑄鐵中的0. 5毫米平底孔和片狀鑄鐵中的3毫米平底孔實(shí)現(xiàn)了大于3的信噪比。如上所示和所解釋的，所述延遲元件能夠在保持來自缺陷的信號的同時(shí)明顯減少微觀結(jié)構(gòu)噪聲。如本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所理解的，Lucite和Rexolite之間的其中一個(gè)差別是Rexolite是具有比Lucite更大硬度和略高聲音速度的聚碳酸酯。在所公開的主題的一些實(shí)施例中，Rexolite是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼘τ谠诖植诘蔫T造表面上舌U除時(shí)將保持得更好(hold up better to scr即ping over a rough cast surface)。
除了平坦的鑄造表面之外，還存在具有凸凹曲率的許多鑄造表面，諸如——但不視為限制貫穿本文所公開的主題——膛壁(boresurface)、圓柱表面、隔膜表面(diaphragmsurface)，僅舉幾個(gè)例子。曲率的范圍可以很寬，大致從大約IOO毫米直徑變化到大約1000毫米直徑或者更大。當(dāng)用于平坦表面檢查的超聲探頭被應(yīng)用到彎曲表面檢查時(shí)，由于超聲波在延遲器和鑄件表面之間的界面處的耦合不足所以來自缺陷的信號幅度和信噪比可能減小。由表面曲率引起的自然聚焦或散焦也可能影響來自鑄件中的缺陷的信號幅度和信噪比。 為了更好地檢查彎曲表面鑄件，圖7 (A和B)和8圖解了被配置成改進(jìn)通過彎曲表面界面的超聲能量耦合的單元件超聲探頭40和50的兩個(gè)示例性實(shí)施例。圖7A和7B示出了具有窄部分44的延遲元件42的示例，所述窄部分44被配置成靠著彎曲表面布置以進(jìn)行檢查。通過修整被放置在要檢查的鑄件的表面上的延遲元件42的表面的部分46來獲得窄部分44。圖7A和7B的聚碳酸酯延遲元件42的直徑從大約6. 4毫米(0. 25英寸)變化到大約51毫米(2英寸)。單元件超聲探頭40的延遲器高度可以從大約5毫米變化到大約50毫米，并且延遲器底部寬度可以從2. 54毫米(0. 1英寸)變化到大約51毫米(2英寸)。
在圖8所示的單元件超聲探頭50中，聚碳酸酯延遲器54的底端52被加工成球形以輕微地聚焦超聲能量。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述延遲器的端部可以是圓錐形的，如圖所示。圓錐的另一端具有小開口 56，小開口 56在檢查期間與鑄件的彎曲表面接觸。這種設(shè)計(jì)把來自聚碳酸酯延遲器的過濾效果與略微聚焦的超聲束和窄圓錐開口組合，從而對具有彎曲表面的鑄件實(shí)現(xiàn)最佳的檢查結(jié)果。 檢測噪聲材料中的缺陷的方法也在本文公開的主題的范圍內(nèi)。這樣的方法包括以下步驟從聲晶體元件經(jīng)過附接到所述聲晶體元件的聚碳酸酯延遲器層發(fā)出一定量的聲能，所述聚碳酸酯延遲器的表面與噪聲材料的表面接觸；并且基于由所述缺陷散射的經(jīng)過所述聚碳酸酯延遲器的所發(fā)出聲能的一部分的測量來檢測所述噪聲材料中的缺陷。另外，這樣的方法還可以包括以下步驟從聲晶體元件經(jīng)過從由Lucite延遲器層和Rexolite延遲器層組成的組中選擇的聚碳酸酯延遲器層而發(fā)出一定量的聲能，并且噪聲材料選自由下述材料組成的組復(fù)合材料、陶瓷、結(jié)構(gòu)上多孔的材料、球墨鑄鐵、片狀鑄鐵和鑄鋼。當(dāng)檢測球墨鑄鐵中的缺陷時(shí)，這些缺陷可能具有大約0. 5毫米或者更大的特征尺寸并且位于距球墨鑄鐵的表面高達(dá)40毫米的深度。當(dāng)檢測片狀鑄鐵中的缺陷時(shí)，這些缺陷可能具有大約3. 0毫米或者更大的特征尺寸并且位于距片狀鑄鐵的表面高達(dá)40毫米的深度。
如本文已經(jīng)解釋的，所述方法也適用于具有曲面的噪聲材料，其中與噪聲材料的表面接觸的所述聚碳酸酯延遲器層的表面比附接到聲晶體元件的聚碳酸酯延遲器層的表面更窄或者其中聚碳酸酯延遲器層是中空的并被填充流體并且包括具有開口的圓錐件，該開口設(shè)置在中空的聚碳酸酯延遲器的端部上。 雖然在附圖中示出了并且上面結(jié)合幾個(gè)示例性實(shí)施例具體、詳細(xì)、全面地描述了本文所述的主題的所公開實(shí)施例，但對本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員顯而易見的是，在實(shí)質(zhì)上不偏離本文闡明的新穎教導(dǎo)、原理和概念以及在所附權(quán)利要求中所述的主題的優(yōu)點(diǎn)的情況下可能進(jìn)行許多修改、改變和省略。因此，應(yīng)當(dāng)僅僅通過所附權(quán)利要求書的最廣義解釋來確定所公開的創(chuàng)新的適當(dāng)范圍，以便涵蓋所有這樣的修改、改變和省略。另外，可以根據(jù)替代實(shí)施例來改變或者重新排序任何過程或者方法步驟的順序或者次序。最后，在權(quán)利要求書中，任何方法加功能的句子意欲涵蓋本文描述為執(zhí)行所述功能的結(jié)構(gòu)，并且不僅涵蓋結(jié)構(gòu)等同物而且涵蓋等同結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種用于檢查噪聲材料中的缺陷的超聲探頭(10)，包括具有第一表面的聚碳酸酯延遲器(14)層，所述第一表面被配置為設(shè)置在所述噪聲材料的表面上；以及至少一個(gè)聲晶體元件(12)，其設(shè)置在所述聚碳酸酯延遲器(14)層的第二表面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的超聲探頭(IO)，其中，所述聚碳酸酯延遲器(14)層選自由Lucite 延遲器層和Rexolite延遲器層組成的組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的超聲探頭(IO)，其中，所述聚碳酸酯延遲器(14)層是高度在20 毫米和40毫米之間的Lucite延遲器層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的超聲探頭(IO)，其中，所述噪聲材料選自由下述材料組成的組復(fù) 合材料、陶瓷、結(jié)構(gòu)上多孔的材料、球墨鑄鐵、片狀鑄鐵和鑄鋼。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的超聲探頭(IO)，其中，所述鑄造材料是球墨鑄鐵，并且所述缺陷具 有大約0. 5毫米或者更大的特征尺寸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的超聲探頭(IO)，其中，所述鑄造材料是片狀鑄鐵，并且所述缺陷具 有大約3. 0毫米或者更大的特征尺寸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3的超聲探頭(IO)，其中，所述至少一個(gè)聲晶體元件(12)的驅(qū)動(dòng)頻率 從大約lMHz變化到大約5MHz。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5的超聲探頭(IO)，其中，所述缺陷是位于距所述球墨鑄鐵的表面高 達(dá)40毫米的深度的表面下缺陷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的超聲探頭(IO)，其中，所述缺陷是位于距所述片狀鑄鐵的表面高 達(dá)40毫米的深度的表面下缺陷。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3的超聲探頭(10)，其中，所述聚碳酸酯延遲器層是高度在20毫米 和40毫米之間的Rexolite延遲器層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的超聲探頭(io)，其中，所述噪聲材料的表面是彎曲的，并且具有所述第一表面的所述聚碳酸酯延遲器層的端部比具有所述第二表面的第二端部更窄。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的超聲探頭(10)，其中，所述噪聲材料的表面是彎曲的，并且所述 聚碳酸酯延遲器(14)的端部是具有開口的圓錐形，圓錐形端部的開口被配置為設(shè)置在所 述噪聲材料的表面上。
13. —種用于檢查噪聲材料中的缺陷的單元件超聲探頭(10)，包括 用于降低對來自所述噪聲材料的微觀結(jié)構(gòu)的背景噪聲的靈敏度并且用于提高對來自所述缺陷的散射聲信號的靈敏度的裝置，所述裝置具有第一表面，所述第一表面被配置為 設(shè)置在所述鑄造材料的表面上；以及聲晶體元件(12)，其設(shè)置在用于降低對來自所述噪聲材料的微觀結(jié)構(gòu)的背景噪聲的靈 敏度并且用于提高對來自所述缺陷的散射聲信號的靈敏度的裝置的第二表面上，所述聲晶 體元件被配置為生成要被所述缺陷散射的聲信號。
14. 一種用于檢測噪聲材料中的缺陷的方法，所述方法包括從聲晶體元件經(jīng)過附接到該聲晶體元件的聚碳酸酯延遲器層發(fā)出一定量的聲能，所述 聚碳酸酯延遲器的表面與所述噪聲材料的表面接觸；并且基于由所述缺陷散射的經(jīng)過所述聚碳酸酯延遲器的所發(fā)出聲能的一部分的測量來檢 測所述噪聲材料中的缺陷。
15.權(quán)利要求14的方法，其中，所述發(fā)出還包括從聲晶體元件經(jīng)過從由Lucite延遲器 層和Rexolite延遲器層組成的組中選擇的聚碳酸酯延遲器層而發(fā)出該一定量的聲能，并 且所述噪聲材料選自由下述材料組成的組復(fù)合材料、陶瓷、結(jié)構(gòu)上多孔的材料、球墨鑄鐵、 片狀鑄鐵和鑄鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及針對噪聲鑄造材料的超聲檢查方法和相關(guān)探頭。公開了針對噪聲材料的超聲檢查方法和相關(guān)探頭以檢查鑄造材料中的缺陷，所述探頭使用具有第一表面的聚碳酸酯延遲器(14)層，所述第一表面被配置為設(shè)置在所述鑄造材料的表面上；以及聲晶體元件(12)，其設(shè)置在所述聚碳酸酯延遲器層的第二表面上。
文檔編號G01N29/24GK101750454SQ200910262420
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者D·E·黑肯伯格, E·焦?fàn)柲? F·約瑟利, F·貝蒂, M·K·克姆, R·巴里加奇, T·J·巴青格, T·L·斯維加特, W·I·費(fèi)迪, Z·孫 申請人:諾沃皮尼奧內(nèi)有限公司