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超聲波檢測幻象波解析

發(fā)布時間：2018-02-09  點擊次數(shù)：人次  分享：

脈沖超聲波的兩個頻率術(shù)語

脈沖超聲波的工作頻率即脈沖包絡(luò)線內(nèi)超聲波的頻率，這是大家熟悉的公稱頻率、中心頻率等相近術(shù)語，具體數(shù)值為5MHz、2.5MHz 等。 脈沖超聲波的重復(fù)頻率即每秒發(fā)射超聲脈沖的次數(shù)，又叫脈沖頻率、掃描頻率。設(shè)脈沖周期為τ，則重復(fù)頻率fh=1/τ。

為什么需要有重復(fù)頻率？

脈沖波是持續(xù)時間短、間隔時間長的波；但在檢測時，又必須是重復(fù)發(fā)射的波。這是因為：檢測期間內(nèi)，探頭在不停地運動，重復(fù)發(fā)來的脈沖波要保證聲束掃查到應(yīng)檢部位的全部體積。有資料認為：當fh 低于40Hz 時，不利于實時掃查；保持熒光屏有一定亮度。脈沖頻率所以叫“重復(fù)頻率”，是因為前后兩個脈沖時間間隔近似為τ，但它們在熒光屏上的位置卻是重復(fù)的、重合的，所以重復(fù)頻率越高，熒光屏亮度也越高。熒光屏亮度低，不利于觀察。根據(jù)人眼的視覺暫留和熒光屏的熒光暫留現(xiàn)象，一般認為：要求產(chǎn)生穩(wěn)定圖像最少的重復(fù)頻率fh 為20Hz。

對重復(fù)頻率的具體要求

然而，重復(fù)頻率并非越高越好。重復(fù)頻率高，會使熒光屏整個背景亮度高，甚至會有幻象閃爍，且還可能會導(dǎo)致不同脈沖信號間相互干擾。另外，重復(fù)頻率高，儀器的功耗大，攜帶不便，一般認為fh 不大于500Hz 為宜。

 重復(fù)頻率與工件厚度的關(guān)系
（脈沖寬度窄較周期比較可以忽略），它們的影像在熒光屏上是重合的，但它們的聲程差卻很大。例如橫波在鋼中的速度Cs=3230m/s，假定重復(fù)頻率fh=500Hz，兩個脈沖的聲程差為6.46米。這個聲程差之少半為3m，可視為無衰減橫波的最大理論掃描范圍(即不與相鄰脈沖相互干涉的范圍)。而我們檢測的工件最大厚度通常小于1m。所以在fh 不大于500Hz 時，不會發(fā)生脈沖信號干涉現(xiàn)象，似乎重復(fù)頻率與工件厚度，沒什么關(guān)系?！昂窆ぜ貜?fù)頻率低，薄工件要重復(fù)頻率高”這樣敘述，可能對厚度大于1m 的， fh>1000Hz 鋼件而言的。一般情況下(如fh 在80~200Hz)，不需要考慮重復(fù)頻率與工件厚度的關(guān)系。

發(fā)射電路

發(fā)射電路是一個電脈沖信號發(fā)射器，（非恒定，指最高電壓），施加到壓電晶片上產(chǎn)生脈沖超聲波。有些高能型儀器也提供高達1000KV 高壓電脈沖，以適應(yīng)一些特殊情況的檢測要求。發(fā)射電路通常可分為調(diào)諧和非調(diào)諧式兩種，調(diào)諧式電路諧振頻率由電路中的電感，電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄。諧振頻率要調(diào)諧到與探頭固有頻率一致，這種電路常為了穿透高衰減材料而需激發(fā)寬脈沖的情況。非調(diào)諧式電路發(fā)射短脈沖，脈沖形式包含尖脈沖，方波等脈沖形式，脈沖頻帶較寬，可適應(yīng)不同頻帶貸款的探頭，目前常見UT探傷儀為非調(diào)諧式電路系統(tǒng)。為了使探頭能量轉(zhuǎn)化率達到最高，并保證發(fā)射的超聲波具有要求頻頻譜，頻帶越寬，發(fā)射脈沖越窄，分辨力越好。

超聲波探傷儀操作誤區(qū)之一幻象波

超聲波探傷儀使用者用直探頭檢測軸類工件有時候會碰到一個奇怪的現(xiàn)象，檢測時找到一個底波前清晰穩(wěn)定的缺陷波，評估時發(fā)現(xiàn)，這個缺陷波在不同位置都有，不管是探頭軸向移動還是周向移動，缺陷波都存在，距離固定。但是換個不同頻率探頭卻發(fā)現(xiàn)，這個遍布軸全身的“大缺陷”找不到了。這個波很有可能就是幻象波，也稱幽靈波或鬼波。

一、超聲波探傷儀幻象波識別的辦法

   1）、把探頭放在工件有疑似幻象波的位置，降低超聲波探傷儀器的重復(fù)頻率，當降低到一定值時，這個波突然消失，便可判斷這個波為幻象波。有些型號的儀器沒有專門的按鍵調(diào)節(jié)重復(fù)頻率，一般此類儀器重復(fù)頻率與深度范圍聯(lián)動控制，可增加檢測范圍，到一定值時，幻象波也會突然消失。

   2）、手指沾油后按壓探頭對應(yīng)的底波位置，如果看到底波隨手指的按壓出現(xiàn)跳動，而缺陷波也發(fā)生大的跳動，可判定為幻象波，手指吸收的是到達底波位置的超聲波能量，不應(yīng)影響到缺陷波幅的高低。相應(yīng)位置涂黃油或浸入液體當中，也可以發(fā)現(xiàn)幻象波會大幅降低甚至消失。

   3）、周向移動探頭，發(fā)現(xiàn)缺陷波一直處于同一深度，且清晰穩(wěn)定只會輕微抖動。實際工件的缺陷很少出現(xiàn)這種規(guī)則的大面積缺陷，也可以據(jù)此判別幻象波的存在。

   4）、工作時間變長，儀器發(fā)熱或環(huán)境穩(wěn)定變化時，幻象波有時也會突然消失。因為超聲波探傷儀器的重復(fù)頻率會隨各晶體管元器件的溫度變化而調(diào)整。

二、超聲波探傷儀器出現(xiàn)幻象波的原理

   超聲波探傷幻象波不是缺陷波，也不是變形波，而是一種由于材質(zhì)及設(shè)備等綜合因素造成的非缺陷波，不管是在進口還是國產(chǎn)各品牌超聲波探傷儀都可能出現(xiàn)?；孟蟛ǖ漠a(chǎn)生只要是由于超聲波探傷儀同步電路中同步脈沖的重復(fù)頻率過高，它決定了發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率，即單位時間內(nèi)向被檢測工件發(fā)射超聲脈沖的次數(shù)。如果重復(fù)頻率較高時，探傷時所調(diào)的靈敏度也很高，會使沒有被充分衰減的多次反射信號落入下一掃描周期內(nèi)，即產(chǎn)生幻象波。幻象波的產(chǎn)生與材質(zhì)種類有很大關(guān)系。由于d≤λ（d 為晶粒直徑，λ為波長）時，散射衰減是與晶粒直徑的3 次方成正比，當材料具有良好的透聲性，如果在下一單元掃描開始之前，多次反射回波尚未完全衰減，則容易產(chǎn)生幻象波。幻象波的由來（以下觀點為個人觀點，僅供參考）教材上原話是“第一個同步脈沖未消失，第二個同步脈沖又開始掃描，這樣在示波屏上就會顯示幻象波”容我小小的吐槽一下，對一個新人而言，這等于沒說。其實幻象波就是上次掃描發(fā)射的聲波未衰減完全進入了下一個發(fā)射-接收周期?？吹竭@，我當時又有一個疑問，（這個疑問基于明白了接收回波和發(fā)射回波不可能碰到一起的前提。碰到一起就是幻象波臨界狀態(tài)了，下文詳述） 這個疑問就是：既然幻象波是這次未衰減完全的聲波進入了下個脈沖周期，那么聲波要進入下個脈沖周期走過的聲程肯定是要大于底波，但是示波屏上顯示的幻象波聲程卻在一次底波之前，如果你已經(jīng)想到這個問題了，你已經(jīng)離答案很近了，而且你的想法也確實都是正確的。這就產(chǎn)生了一個矛盾：理論中幻象波的聲程大于底波，實際示波屏顯示幻象波聲程小于底波聲程。理論中幻象波的聲程大于底波實際上示波屏上顯示的幻象波聲程并不是實際聲程是儀器摒棄掉了第一個脈沖周期后自動個進入到第二個脈沖周期計算聲程，大多數(shù)情況第一個脈沖期內(nèi)的聲波已經(jīng)完全衰減完畢但特殊情況如工件晶粒均勻，對聲波衰減小，會有未衰減完全的聲波進入到第二個脈沖周期。這種情況如圖：

如圖所示：脈沖重復(fù)頻率升高則由t=1/f 可知脈沖周期t 縮短即第二周期籃框向左移動，因第一周期內(nèi)未衰減完底波因位置固定，籃框左移相當于未衰減完底波和第二脈沖周期始波位置增大。即顯示為脈沖重復(fù)頻率增大，幻象波在屏幕上右移。我們假設(shè)超聲波儀器可連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖重復(fù)頻率。使第二周期籃框持續(xù)向左移動，則幻象波會持續(xù)在屏幕上右移。當移動籃框使第二周期始波和未衰減完底波的上一次底波重合，則顯示幻象波在屏幕上和第一次底波重合，第一次底波回波聲壓增大，波幅變高。繼續(xù)增高脈沖重復(fù)頻率，籃框繼續(xù)向左移動，未衰減完底波的上一次底波會出現(xiàn)第二脈沖周期始波右側(cè)，顯示為屏幕上幻象波聲程突然出現(xiàn)。

 結(jié)論：屏幕上出現(xiàn)幻象波，增高脈沖重復(fù)頻率，幻象波在屏幕上右移，直到和底波重合，繼續(xù)增大脈沖重復(fù)頻率，則幻象波在始波側(cè)再次出現(xiàn)。

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