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超聲波檢測(cè)幻象波解析

發(fā)布時(shí)間：2018-02-09  點(diǎn)擊次數(shù)：人次  分享：

脈沖超聲波的兩個(gè)頻率術(shù)語(yǔ)

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(chēng)頻率、中心頻率等相近術(shù)語(yǔ)，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(shí)間短、間隔時(shí)間長(zhǎng)的波；但在檢測(cè)時(shí)，又必須是重復(fù)發(fā)射的波。這是因?yàn)椋簷z測(cè)期間內(nèi)，探頭在不停地運(yùn)動(dòng)，重復(fù)發(fā)來(lái)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(rèn)為：當(dāng)fh 低于40Hz 時(shí)，不利于實(shí)時(shí)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?yàn)榍昂髢蓚€(gè)脈沖時(shí)間間隔近似為τ，但它們?cè)跓晒馄辽系奈恢脜s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(jué)暫留和熒光屏的熒光暫留現(xiàn)象，一般認(rèn)為：要求產(chǎn)生穩(wěn)定圖像最少的重復(fù)頻率fh 為20Hz。

對(duì)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(huì)使熒光屏整個(gè)背景亮度高，甚至?xí)谢孟箝W爍，且還可能會(huì)導(dǎo)致不同脈沖信號(hào)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(rèn)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(gè)脈沖的聲程差為6.46米。這個(gè)聲程差之少半為3m，可視為無(wú)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(cè)的工件最大厚度通常小于1m。所以在fh 不大于500Hz 時(shí)，不會(huì)發(fā)生脈沖信號(hào)干涉現(xiàn)象，似乎重復(fù)頻率與工件厚度，沒(méi)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(duì)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(gè)電脈沖信號(hào)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(dá)1000KV 高壓電脈沖，以適應(yīng)一些特殊情況的檢測(cè)要求。發(fā)射電路通?？煞譃檎{(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(jiàn)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(dá)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(cè)軸類(lèi)工件有時(shí)候會(huì)碰到一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，檢測(cè)時(shí)找到一個(gè)底波前清晰穩(wěn)定的缺陷波，評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)缺陷波在不同位置都有，不管是探頭軸向移動(dòng)還是周向移動(dòng)，缺陷波都存在，距離固定。但是換個(gè)不同頻率探頭卻發(fā)現(xiàn)，這個(gè)遍布軸全身的“大缺陷”找不到了。這個(gè)波很有可能就是幻象波，也稱(chēng)幽靈波或鬼波。

一、超聲波探傷儀幻象波識(shí)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(dāng)降低到一定值時(shí)，這個(gè)波突然消失，便可判斷這個(gè)波為幻象波。有些型號(hào)的儀器沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的按鍵調(diào)節(jié)重復(fù)頻率，一般此類(lèi)儀器重復(fù)頻率與深度范圍聯(lián)動(dòng)控制，可增加檢測(cè)范圍，到一定值時(shí)，幻象波也會(huì)突然消失。

   2）、手指沾油后按壓探頭對(duì)應(yīng)的底波位置，如果看到底波隨手指的按壓出現(xiàn)跳動(dòng)，而缺陷波也發(fā)生大的跳動(dòng)，可判定為幻象波，手指吸收的是到達(dá)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(dāng)中，也可以發(fā)現(xiàn)幻象波會(huì)大幅降低甚至消失。

   3）、周向移動(dòng)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(huì)輕微抖動(dòng)。實(shí)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(shí)間變長(zhǎng)，儀器發(fā)熱或環(huán)境穩(wěn)定變化時(shí)，幻象波有時(shí)也會(huì)突然消失。因?yàn)槌暡ㄌ絺麅x器的重復(fù)頻率會(huì)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(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)各品牌超聲波探傷儀都可能出現(xiàn)。幻象波的產(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(guò)高，它決定了發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率，即單位時(shí)間內(nèi)向被檢測(cè)工件發(fā)射超聲脈沖的次數(shù)。如果重復(fù)頻率較高時(shí)，探傷時(shí)所調(diào)的靈敏度也很高，會(huì)使沒(méi)有被充分衰減的多次反射信號(hào)落入下一掃描周期內(nèi)，即產(chǎn)生幻象波?；孟蟛ǖ漠a(chǎn)生與材質(zhì)種類(lèi)有很大關(guān)系。由于d≤λ（d 為晶粒直徑，λ為波長(zhǎng)）時(shí)，散射衰減是與晶粒直徑的3 次方成正比，當(dāng)材料具有良好的透聲性，如果在下一單元掃描開(kāi)始之前，多次反射回波尚未完全衰減，則容易產(chǎn)生幻象波?；孟蟛ǖ挠蓙?lái)（以下觀點(diǎn)為個(gè)人觀點(diǎn)，僅供參考）教材上原話是“第一個(gè)同步脈沖未消失，第二個(gè)同步脈沖又開(kāi)始掃描，這樣在示波屏上就會(huì)顯示幻象波”容我小小的吐槽一下，對(duì)一個(gè)新人而言，這等于沒(méi)說(shuō)。其實(shí)幻象波就是上次掃描發(fā)射的聲波未衰減完全進(jìn)入了下一個(gè)發(fā)射-接收周期?？吹竭@，我當(dāng)時(shí)又有一個(gè)疑問(wèn)，（這個(gè)疑問(wèn)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(gè)疑問(wèn)就是：既然幻象波是這次未衰減完全的聲波進(jìn)入了下個(gè)脈沖周期，那么聲波要進(jìn)入下個(gè)脈沖周期走過(guò)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(gè)問(wèn)題了，你已經(jīng)離答案很近了，而且你的想法也確實(shí)都是正確的。這就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾：理論中幻象波的聲程大于底波，實(shí)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(shí)際上示波屏上顯示的幻象波聲程并不是實(shí)際聲程是儀器摒棄掉了第一個(gè)脈沖周期后自動(dòng)個(gè)進(jìn)入到第二個(gè)脈沖周期計(jì)算聲程，大多數(shù)情況第一個(gè)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(duì)聲波衰減小，會(huì)有未衰減完全的聲波進(jìn)入到第二個(gè)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(dòng)，因第一周期內(nèi)未衰減完底波因位置固定，籃框左移相當(dāng)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(dòng)，則幻象波會(huì)持續(xù)在屏幕上右移。當(dāng)移動(dòng)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(dòng)，未衰減完底波的上一次底波會(huì)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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