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超聲檢測靈敏度極限的研究
發(fā)布時間：2017-09-01
1引言
超聲檢測靈敏度是指超聲檢測系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)的最小不連續(xù)性的尺寸,靈敏度越高,能發(fā)現(xiàn)不連續(xù)性的尺寸越小,因而它是超聲檢測系統(tǒng)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(xù)性[1],提高檢測靈敏度的努力仍在繼續(xù),并不斷取得進(jìn)展。因而人們不禁要問超聲能檢測出的最小不連續(xù)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(xù)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(xù)性的模型如圖1所示,接收電路輸出的不連續(xù)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(fā)射和接收效率
T―耦合層的聲壓透過率
D(θ)―換能器的發(fā)射和接收指向性
G(x)―擴(kuò)散衰減
W(f,d)―最小不連續(xù)性的散射功率
α―介質(zhì)的衰減系數(shù)
x―聲程
A―接收放大電路的放大倍數(shù)
2.2理論分析
檢測系統(tǒng)所接收到的不連續(xù)性的信號幅度V是由激勵信號幅度E、換能器的發(fā)射和接收效率η、耦合層的聲壓透過度T、換能器的發(fā)射和接收指向性D(θ)、擴(kuò)散衰減G(x)、最小不連續(xù)性的散射功率W(f,d)、介質(zhì)的衰減系數(shù)α、聲程x和接收放大電路的放大倍數(shù)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(xù)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(tǒng)和特定位置的不連續(xù)性,其它因素保持相同,只有散射功率W(f,d)對不連續(xù)性的信號幅度V起決定作用。當(dāng)被檢介質(zhì)中的不連續(xù)性遠(yuǎn)小于其中傳導(dǎo)聲波的波長時,將發(fā)生散射現(xiàn)象。最小不連續(xù)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(xù)性的尺寸、形狀及性質(zhì)決定。以鋼中球形氣孔為例,球形氣孔對連續(xù)平面波的散射功率為[2]:
式中I0―入射波聲強(qiáng)
C―聲速
f―檢測頻率
δm―散射相位(可從文獻(xiàn)[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(jié)果如圖2所示。
當(dāng)Kd 1,即頻率較低時,W′(f,d)隨f的增加而增加,即不連續(xù)性的回波信號幅度隨頻率的增加而提高;
當(dāng)Kd 1,即頻率較高時,W(f,d)保持恒定,即不連續(xù)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(xù)性的極限
為了檢測出不連續(xù)性,經(jīng)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(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其表面的粗糙度引起的聲學(xué)系統(tǒng)噪聲和由于電子儀器引起的電子系統(tǒng)噪聲將在CRT上產(chǎn)生背景雜波信號,使不連續(xù)性信號識別困難。只有當(dāng)S/N≥1時,不連續(xù)性信號才能被識別(工程上為使不連續(xù)性信號被可靠識別,要求S/N≥2)。這樣,可定義,當(dāng)S/N= 1時所檢測出的不連續(xù)的尺寸即為這一檢測系統(tǒng)所能檢測出的最小不連續(xù)性(即靈敏度極限)。所以,靈敏度極限是由不連續(xù)性的信號和系統(tǒng)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(xù)性的回波信號幅度(由檢測系統(tǒng)、被檢對象、不連續(xù)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(jìn)行的(如圖3所示),不連續(xù)性為一圓錐體,反射面為圓形端面。采用連續(xù)正弦信號經(jīng)斬波后得到的準(zhǔn)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(zhǔn)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。
3.1檢測頻率試驗
以不同檢測頻率(f=4,2.2和0.8 MHz)進(jìn)行試驗,不同檢測頻率下回波幅度隨不連續(xù)性直徑的變化規(guī)律見圖4所示,不同條件下能探測到反射體的最小直徑dmin為:
對f=4 MHz:dmin=0.1 mm,d/λ=0.27
對f=2.2 MHz:dmin=0.25 mm,d/λ=0.37
對f=0.8 MHz:dmin=0.8 mm,d/λ=0.54
3.2聲程試驗
以不同聲程(X=N和2 N,N為近場長度)試驗的結(jié)果如圖5所示。
對X=N:dmin=0.1 mm,d/λ=0.27
對X=2 N:dmin=0.17 mm,d/λ=0.46
3.3激勵信號幅度試驗
以不同幅度(E=40 V和12.5 V)準(zhǔn)正弦波激勵信號試驗的結(jié)果見圖6。
對E=40 V:dmin=0.1 mm,d/λ=0.27
對E=12.5 V:dmin=0.15 mm,d/λ=0.41
3.4反射體性質(zhì)試驗
以不同性質(zhì)(鋼和有機(jī)玻璃)反射體試驗結(jié)果如圖7所示。
對鋼反射體:dmin=0.13,d/λ=0.11
對有機(jī)玻璃反射體:dmin=0.67,d/λ=0.58
4結(jié)論
超聲檢測能發(fā)現(xiàn)的最小不連續(xù)性尺寸(即靈敏度)取決于:檢測系統(tǒng)參數(shù)(包括:激勵信號、換能器、放大倍數(shù)、電子噪聲、CRT的顯示閾值);耦合條件;被檢材料(包括:表面粗糙度和微觀結(jié)構(gòu));不連續(xù)性(包括:形狀、性質(zhì)及位置);
對于特定的不連續(xù)性,在頻率較低時,靈敏度隨檢測頻率的增加而提高;在頻率較高時則不然;激勵信號幅度愈高,或聲程愈短(在遠(yuǎn)場),或被檢介質(zhì)與不連續(xù)性的聲阻抗差別愈大,檢測靈敏度愈高。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
