脉冲反射法声速信号分析

脉冲反射法声速信号分析

声速是固体材料的基本功能参数。由于材料的成分或加工工艺(熔铸、轧制等)等的改变,都会使材料的声速与手册中的不同。因此在教学、科研、工程实践和无损检测等过程中,都可能遇到精密测量实际材料声速的问题。常用的声速测量方法,Edward等人在关于材料弹性参数及测量的专著中有详尽的介绍,而在超声速度测量方法标准的附录A中则进行了全面的概括。随着数字示波器的普及,很多旨在消除模拟示波器读数误差的方法已逐渐失去意义。目前市售的超声声速测量仪器,基本上采用脉冲反射法进行测量。结合数字示波器的记录和精确读数,能够达到很高的测量精度。脉冲反射法声速测量原理简单,只需要知道声程l和传播时间t两个量,由公式c=l/t就能得到声速。声程可以由测微仪简单地测出来,但传播时间的判断就比较困难。笔者主要讨论传播时间测量的问题,使用NDT-5077PR脉冲发射/接收仪进行精密声速测量。1超声接头直径的计算声速测量的样品按照要求需要有两个平行表面作为探测面,这两个面的间距>5mm。另外要求样品其它表面不影响声束的传播。从加工方便的角度,一般将样品加工成圆柱体。样品直径经计算须满足下式要求:D>2lsinθ2+d(1)D>2lsinθ2+d(1)式中D为样品的直径;l为样品中的声程;d为声源(超声探头中的换能器)的直径;θ为声束扩散角,其与样品中的波长λ满足波动学方程sinθ=1.22λ/d关系。声束扩散角是与中轴线的夹角,计算直径时需乘以2,边界对声束的影响需要和声束传到边界同样的时间才能传回探头,所以计算时除以2。最后式(1)简化成:D>1.22lλd+d(2)D>1.22lλd+d(2)对应常见的5MHz纵波超声探头,按通常材料5km/s的纵波声速,λ≈1mm,晶片直径6mm,超声波在5mm厚的样品中反射两个来回,对应20mm的声程,可以估算出样品的直径需要>10mm。笔者试验采用的样品是厚度6mm的98钨棒材,直径20mm。2超声传播时间测量在对测量结果要求不高的场合下,采用成品超声测量仪或自制仪器,配合单探头进行脉冲反射法测量声速。即脉冲发生器产生一个激励信号,通过超声探头产生超声波,在样品中传播并反射后,又由同一探头作为接收探头,将超声波信号转换成电信号,通过放大后由仪器直接判断读数或由示波器记录分析。如图1所示。市售的超声测量仪器基本上都基于图1的测量系统。其输出脉冲一般都是近似于方波的单个重复频率脉冲。图2是采用NDT-5077PR脉冲发射/接收仪测得的典型波形。激发信号的起点是脉冲发生器输出的激励脉冲直接经过信号放大器被记录下来的,不能认为是超声波传播开始的时间,所以选择回波1～3来计算超声传播时间。将3次回波的波形作对比,发现波形并不完全重合。因此选取图2(b)中前3个比较明显的波峰和波谷来计算时间如下。从表1中可以看出,时间间隔的分散性约0.2%,不确定度为0.82ns,能满足大多数测量精度的要求。但由于测量时取的点较少,容易引入偶然因素的影响。3设置正弦波自适应测试采用实验室常见的测量仪器,搭建成双探头脉冲反射测量系统,如图3所示。利用频率发生器作为脉冲激励源,输出重复频率的正弦信号驱动超声探头1。在样品对侧由接收探头2单独接收超声信号,经信号放大器放大后由示波器记录。该试验装置与常用的透射法声速测量装置一致。但透射法直接假设信号源输出到发射探头后就立即产生超声波,直接将探头2接收到的第一个超声波脉冲的时间作为计时终点,对于精密声速测量而言会带来较大的误差。笔者读取的是超声波前几次到达探头2的信号,以计算超声传播时间。因为两个信号间超声波在样品中反射了一个来回,所以仍属于脉冲反射法。设置函数发生器输出5MHz正弦波,每组波列5个周期,得到的典型信号见图4。从表2中可以看出,时间间隔的分散性约0.1%,但不确定度降到了0.26ns,并且有更多的测量点,有利于发现和排除异常数据。4超声传播的频率分布信号波形的畸变导致组成该波形的频谱发生了改变,对超声传播时间的判断带来了误差。为了分析该问题产生的原因,对两种方法的回波波形进行傅里叶变换频谱分析,结果见图5。函数发生器的频谱较脉冲发射/接收仪的明显要窄得多,频谱变化主要是由正弦信号列的前端和后端不连续的部分引起。所以,以每个回波的波形起跳点为零相位参考点,在正弦信号列的中段同相位点(如图4中的2～6点)分别对应的相位,计算超声传播时间的误差较小。通过频谱分析可以看到,随着样品中声程的增加,低频成分不断减少,整个超声波的频率谱都在逐渐向高频端移动,这样就带来了波形的畸变。各个回波的中心频率对比见表3。从表3中可以看到,对于前3个回波,脉冲发射/接收仪的中心频率有近10%的移动,而函数发生器的中心频率基本上没有发生变化。超声波在样品中的传播过程为:忽略反射时的损耗,把反射面等效为镜像面,将厚度为h的样品中的声程l等效为超声波在l长的样品中的直接传播,得到图6所示图像。在超声波传播的过程中,即使是样品垂直于声传播方向的尺寸足够大,由于声束扩散角θ,声束不可避免地会产生发散现象。随着传播距离的增加,在换能器晶片固定的面积范围内,能够接收到的超声波能量占总能量的百分比将越来越少。而低频超声波的发散角大于高频超声波的发散角,从而超声传播的轴线上高频成分所占的比例越来越大,导致中心频率向高频端偏移。因此,离激励探头越近,信号的畸变越小,越有利于准确计算超声传播时间。5方波脉冲反射信号分离问题由于改进的脉冲反射法声程较单探头脉冲反射法少一个样品厚度,因此样品直径的要求可以适当放宽。对声衰减较大的样品,相同条件下也能够提高信号强度和信噪比。对于探头来说,采用函数发生器按超声探头的工作频率输出正弦激励信号,较超声声速测量仪的方波脉冲信号来说,频谱更窄,更接近于探头中换能器的理想工作状态。对于信号放大器来说,采用常用脉冲反射法,存在数十伏到数百伏的激励信号与微伏级的回波信号分离问题。即使经过分离后,系统中的信号动态范围也极大,并且回波信号也受到一定损失。从示波器上也能看出,在激励信号段,放大器工作在饱和失真状态;而调节示波器垂直灵敏度,使回波有较好的信噪比后,激励信号段示波器也工作在超屏状态改进的脉冲反射法可将信号接收探头的弱信号回路与激励信号的高电压隔离,对其后的信号放大电路和示波器的工作点选择都带来方便。在回波信号强度相同的情况下,改进的脉冲反射法只需要较小的能量激励,更能满足小扰动的条件,接近理想的波动状态。