非球面聚焦換能器被設計為通過平坦，圓柱或復曲面界面聚焦在具有給定折射角的材料中的精確點上。

這次演講將展示這種特定聚焦技術的主要優勢，這要歸功于壓電復合技術及其成形能力。

我們還將關注壓電復合技術的機械和電聲特性，從而可以設計出無與倫比的高分辨率和信噪比傳感器。

某些需要特殊調整的檢查手段的應用，例如坯料，鍛件或加壓零件的檢查，將重點介紹。

也將介紹這種技術與相控陣概念相結合的可能性。

介紹

一些必須用非破壞性方法檢查的關鍵部件，是由于其衰減或均勻性差而被認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，要檢測的缺陷的大小和深度（有時是大小）需要較高的橫向分辨率。高橫向分辨率，長聲程和低頻的結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行的。

為了提高這些困難檢查的性能，Imasonic開發了Fermat換能器概念。

費馬換能器的概念

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，與傳統傳感器相比，其尺寸通常較大。

換能器的定義是通過計算來確定的，該計算定義了一個表面，從該表面起每個點都同時飛向缺陷。該傳感器專用于一種特定的設置，并考慮到：


• 檢查材料（聲速）

• 預期折射角

• 檢查深度或聲音路徑

• 界面幾何形狀（平面，圓柱，復曲面等）

計算活動表面時要考慮到預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：費馬換能器的形狀示例。

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

• 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：使用傳統的聚焦換能器進行光束仿真：

• 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概念可在適當的折射角度下實現更精確的聚焦

技術

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




圖4：1-3壓電復合結構的示意圖。

這些壓電復合材料的電聲和機械性能對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：根據陶瓷的百分比，壓電復合材料的特性變化。




電聲性能
1-3結構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行調整。圖5顯示了陶瓷百分比對壓電復合材料性能的影響。垂直的紅線顯示了Fermat傳感器的最佳百分比。它對應于高電阻抗（低介電常數E ₃₃），低聲阻抗（Z）和高耦合系數（kt）。

高電阻

高電阻抗允許大孔徑傳感器，同時保持與大多數超聲脈沖發生器/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，這導致了更好的能量傳遞，并結合了強大的電聲性能，使靈敏度水平提高了10至50dB。

高耦合系數

高耦合系數的結果是高靈敏度和高信噪比。

此外，復合材料的自然阻尼可實現60％至90％的相對帶寬，同時保持非常好的靈敏度。

機械性能
聚合物的機械性能用于使壓電復合材料成形為聚焦換能器。圖6顯示了一個寬口費馬換能器，其有效區域是凸形的，以便聚焦通過孔的圓柱形界面。

1-3結構還使復合材料具有更好的抗機械沖擊和振動性。

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




圖6：帶有活動區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域的形狀聚焦之間的比較。

圖8：由Imasonic開發的用于Fermat換能器計算的Quick Sonic軟件

設計

主動曲面計算
Imasonic已開發了一個特定的軟件（參見圖8），主要有2個目標


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

• 計算用于制造換能器的有效表面的形狀

波束模擬
換能器的精確設計是由CEA開發的CIVA軟件（見圖9）完成的，在這種情況下，可以進行兩種類型的模擬：

• 通過界面進行光束模擬，并考慮到了費馬有效表面

• 模擬上面計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開發的CIVA仿真軟件，用于Fermat換能器設計。

可選功能

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

接觸式Fermat傳感器


圖10：使用軟質材料楔形件和水耦合系統接觸Fermat傳感器。

當出于環境或工業原因無法使用浸入技術時，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會使用柔軟的材料楔形件，其聲學特性接近水。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（請參見圖10）。




這種楔形的優點是：

• 柔軟的正面可以稍微適合界面上的不規則之處

• 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相結合。在這種情況下，除了機械聚焦外，還可以對光束進行電子控制，以增加檢查區域。已經開發了不同的解決方案，將在下面的應用示例中更詳細地顯示。

應用實例

鈦鋼坯
的檢驗根據GE標準，已經設計和制造了多套Fermat換能器，用于直徑6“至13”的鈦鋼坯的多區域檢驗。圖11a中顯示了這些用于6“坯料的傳感器。

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

到目前為止，設計的所有類型的傳感器均已在工業檢查系統中成功測試并實現（如圖11b所示）。




圖11a和b：用于檢查鈦坯料的單元素費馬換能器組。

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




圖12：采用時間倒轉鏡技術的用于鈦坯檢驗的Matrix Fermat換能器。

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

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

檢查的主要困難之一是不同參數的組合：

• UT路徑非常長，約為400mm

• 只能從直徑150mm的內孔進入

• 在復雜的幾何區域中發現的缺陷，臨界尺寸為1.5mm

該檢查已成功使用校準塊進行了測試，并檢測到所有缺陷，并在火力發電廠中進行了進一步的檢查，證明了該技術的工業適用性。

同時，將破壞性測試方法替換為非破壞性方法，并減少了檢查時間和成本。

高溫核容器檢查
與CEA CEREM（Commissariat?l'?nergie Atomique –法國）一起開發了特殊的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。

探頭的設計必須結合換能器的大孔徑和熱約束。壓電復合材料的機械性能可承受溫度變化，同時保持有源區域的形狀和性能。




圖13：探頭支架上的三個費馬探頭。	圖14：高溫費馬換能器。

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的聲音路徑進行檢查

• 通過最小半徑為50mm的復曲面接口進行檢查

• 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設計并制造了具有費馬表面的彎曲線性相控陣探頭。探頭如圖16所示，費馬有效表面分為16個元素，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表面旨在通過復曲面界面聚焦

• 實施了軟質材料楔形物以與水膜形成連接。

聚焦區域的光束尺寸約為12x13mm，這與仿真非常一致。用這種技術進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中所示探針的活動區域的視圖

結論

本文中說明的示例清楚地證明了費馬傳感器的功能和性能。

多項檢查可以提高以下參數的性能：


• 靈敏度和信噪比

• 橫向分辨率

• 光束預測與控制

同時，可以開發新的檢查技術，并針對以下問題提供解決方案：


• 復雜的界面幾何

• 聲音路徑長

• 難以檢查的材料