超聲檢測靈敏度極限的研究

發布時間：2017-09-01

1引言

超聲檢測靈敏度是指超聲檢測系統能發現的最小不連續性的尺寸,靈敏度越高,能發現不連續性的尺寸越小,因而它是超聲檢測系統最重要的性能之一,在某些特殊材料(如陶瓷等)或某些完整性要求極高的工件的檢測中尤為重要。盡管如今超聲已可檢測出小至微米級的不連續性[1],提高檢測靈敏度的努力仍在繼續,并不斷取得進展。因而人們不禁要問超聲能檢測出的最小不連續性尺寸到底是多少?或超聲檢測的靈敏度是否存在極限?

2檢測最小不連續性理論分析

2.1理論模型

以A顯示反射法檢測最小不連續性的模型如圖1所示,接收電路輸出的不連續性的回波信號幅度為:

V=E?η?T?D(θ)?G(x)?W(f,d)?A?e-2αx(1)

式中E―激勵信號幅度

η―換能器的發射和接收效率

T―耦合層的聲壓透過率

D(θ)―換能器的發射和接收指向性

G(x)―擴散衰減

W(f,d)―最小不連續性的散射功率

α―介質的衰減系數

x―聲程

A―接收放大電路的放大倍數

2.2理論分析

檢測系統所接收到的不連續性的信號幅度V是由激勵信號幅度E、換能器的發射和接收效率η、耦合層的聲壓透過度T、換能器的發射和接收指向性D(θ)、擴散衰減G(x)、最小不連續性的散射功率W(f,d)、介質的衰減系數α、聲程x和接收放大電路的放大倍數A等因素決定的。該信號幅度很重要,因為對某特定的不連續性,其回波幅度越大,越容易被檢出;反之則越容易被漏檢。

對于特定的被檢對象、檢測系統和特定位置的不連續性,其它因素保持相同,只有散射功率W(f,d)對不連續性的信號幅度V起決定作用。當被檢介質中的不連續性遠小于其中傳導聲波的波長時,將發生散射現象。最小不連續性的散射能力可用散射功率W(f,d)來表示,W(f,d)由檢測頻率、不連續性的尺寸、形狀及性質決定。以鋼中球形氣孔為例,球形氣孔對連續平面波的散射功率為[2]:

式中I0―入射波聲強

C―聲速

f―檢測頻率

δm―散射相位(可從文獻[2]中查閱)

鋼中球孔(以直徑d=0.2 mm為例)的相對散射功率W′(f,d) =W(f,d)I0隨頻率變化的理論計算結果如圖2所示。

當Kd 1,即頻率較低時,W′(f,d)隨f的增加而增加,即不連續性的回波信號幅度隨頻率的增加而提高;

當Kd 1,即頻率較高時,W(f,d)保持恒定,即不連續性的回波信號幅度不再隨頻率的增加而提高。

2.3最小不連續性的極限

為了檢測出不連續性,經放大的回波信號幅度V必須高于CRT的顯示閾值,否則該信號無法顯示;另外,由于被檢工件材質的微觀結構及其表面的粗糙度引起的聲學系統噪聲和由于電子儀器引起的電子系統噪聲將在CRT上產生背景雜波信號,使不連續性信號識別困難。只有當S/N≥1時,不連續性信號才能被識別(工程上為使不連續性信號被可靠識別,要求S/N≥2)。這樣,可定義,當S/N= 1時所檢測出的不連續的尺寸即為這一檢測系統所能檢測出的最小不連續性(即靈敏度極限)。所以,靈敏度極限是由不連續性的信號和系統的噪聲共同決定的。即,要提高檢測靈敏度,一方面要盡量提高不連續性的回波信號幅度(由檢測系統、被檢對象、不連續性決定);另一方面,要盡量降低雜波信號幅度(由工件表面狀況、檢測儀器電子噪聲決定)。

3試驗研究

試驗是以反射式水浸法進行的(如圖3所示),不連續性為一圓錐體,反射面為圓形端面。采用連續正弦信號經斬波后得到的準正弦波激勵,用示波器接收,CRT能識別的最小顯示為2 mv(以滿屏為基準即為-34 dB)。試驗時,通過不斷改變端面直徑,找出在示波器上剛能顯示和識別回波信號時的最小直徑dmin。