超声波检测幻象波解析

发布时间：2018-02-09  点击次数：人次  分享：

脉冲超声波的两个频率术语

脉冲超声波的工作频率即脉冲包络线内超声波的频率，这是大家熟悉的公称频率、中心频率等相近术语，具体数值为5MHz、2.5MHz 等。 脉冲超声波的重复频率即每秒发射超声脉冲的次数，又叫脉冲频率、扫描频率。设脉冲周期为τ，则重复频率fh=1/τ。

为什么需要有重复频率？

脉冲波是持续时间短、间隔时间长的波；但在检测时，又必须是重复发射的波。这是因为：检测期间内，探头在不停地运动，重复发来的脉冲波要保证声束扫查到应检部位的全部体积。有资料认为：当fh 低于40Hz 时，不利于实时扫查；保持荧光屏有一定亮度。脉冲频率所以叫“重复频率”，是因为前后两个脉冲时间间隔近似为τ，但它们在荧光屏上的位置却是重复的、重合的，所以重复频率越高，荧光屏亮度也越高。荧光屏亮度低，不利于观察。根据人眼的视觉暂留和荧光屏的荧光暂留现象，一般认为：要求产生稳定图像最少的重复频率fh 为20Hz。

对重复频率的具体要求

然而，重复频率并非越高越好。重复频率高，会使荧光屏整个背景亮度高，甚至会有幻象闪烁，且还可能会导致不同脉冲信号间相互干扰。另外，重复频率高，仪器的功耗大，携带不便，一般认为fh 不大于500Hz 为宜。

 重复频率与工件厚度的关系
（脉冲宽度窄较周期比较可以忽略），它们的影像在荧光屏上是重合的，但它们的声程差却很大。例如横波在钢中的速度Cs=3230m/s，假定重复频率fh=500Hz，两个脉冲的声程差为6.46米。这个声程差之少半为3m，可视为无衰减横波的最大理论扫描范围(即不与相邻脉冲相互干涉的范围)。而我们检测的工件最大厚度通常小于1m。所以在fh 不大于500Hz 时，不会发生脉冲信号干涉现象，似乎重复频率与工件厚度，没什么关系。“厚工件要重复频率低，薄工件要重复频率高”这样叙述，可能对厚度大于1m 的， fh>1000Hz 钢件而言的。一般情况下(如fh 在80~200Hz)，不需要考虑重复频率与工件厚度的关系。

发射电路

发射电路是一个电脉冲信号发射器，（非恒定，指最高电压），施加到压电晶片上产生脉冲超声波。有些高能型仪器也提供高达1000KV 高压电脉冲，以适应一些特殊情况的检测要求。发射电路通常可分为调谐和非调谐式两种，调谐式电路谐振频率由电路中的电感，电容决定，发出的超声脉冲频带较窄。谐振频率要调谐到与探头固有频率一致，这种电路常为了穿透高衰减材料而需激发宽脉冲的情况。非调谐式电路发射短脉冲，脉冲形式包含尖脉冲，方波等脉冲形式，脉冲频带较宽，可适应不同频带贷款的探头，目前常见UT探伤仪为非调谐式电路系统。为了使探头能量转化率达到最高，并保证发射的超声波具有要求频频谱，频带越宽，发射脉冲越窄，分辨力越好。

超声波探伤仪操作误区之一幻象波

超声波探伤仪使用者用直探头检测轴类工件有时候会碰到一个奇怪的现象，检测时找到一个底波前清晰稳定的缺陷波，评估时发现，这个缺陷波在不同位置都有，不管是探头轴向移动还是周向移动，缺陷波都存在，距离固定。但是换个不同频率探头却发现，这个遍布轴全身的“大缺陷”找不到了。这个波很有可能就是幻象波，也称幽灵波或鬼波。

一、超声波探伤仪幻象波识别的办法

   1）、把探头放在工件有疑似幻象波的位置，降低超声波探伤仪器的重复频率，当降低到一定值时，这个波突然消失，便可判断这个波为幻象波。有些型号的仪器没有专门的按键调节重复频率，一般此类仪器重复频率与深度范围联动控制，可增加检测范围，到一定值时，幻象波也会突然消失。

   2）、手指沾油后按压探头对应的底波位置，如果看到底波随手指的按压出现跳动，而缺陷波也发生大的跳动，可判定为幻象波，手指吸收的是到达底波位置的超声波能量，不应影响到缺陷波幅的高低。相应位置涂黄油或浸入液体当中，也可以发现幻象波会大幅降低甚至消失。

   3）、周向移动探头，发现缺陷波一直处于同一深度，且清晰稳定只会轻微抖动。实际工件的缺陷很少出现这种规则的大面积缺陷，也可以据此判别幻象波的存在。

   4）、工作时间变长，仪器发热或环境稳定变化时，幻象波有时也会突然消失。因为超声波探伤仪器的重复频率会随各晶体管元器件的温度变化而调整。

二、超声波探伤仪器出现幻象波的原理

   超声波探伤幻象波不是缺陷波，也不是变形波，而是一种由于材质及设备等综合因素造成的非缺陷波，不管是在进口还是国产各品牌超声波探伤仪都可能出现。幻象波的产生只要是由于超声波探伤仪同步电路中同步脉冲的重复频率过高，它决定了发射脉冲的重复频率，即单位时间内向被检测工件发射超声脉冲的次数。如果重复频率较高时，探伤时所调的灵敏度也很高，会使没有被充分衰减的多次反射信号落入下一扫描周期内，即产生幻象波。幻象波的产生与材质种类有很大关系。由于d≤λ（d 为晶粒直径，λ为波长）时，散射衰减是与晶粒直径的3 次方成正比，当材料具有良好的透声性，如果在下一单元扫描开始之前，多次反射回波尚未完全衰减，则容易产生幻象波。幻象波的由来（以下观点为个人观点，仅供参考）教材上原话是“第一个同步脉冲未消失，第二个同步脉冲又开始扫描，这样在示波屏上就会显示幻象波”容我小小的吐槽一下，对一个新人而言，这等于没说。其实幻象波就是上次扫描发射的声波未衰减完全进入了下一个发射-接收周期。看到这，我当时又有一个疑问，（这个疑问基于明白了接收回波和发射回波不可能碰到一起的前提。碰到一起就是幻象波临界状态了，下文详述） 这个疑问就是：既然幻象波是这次未衰减完全的声波进入了下个脉冲周期，那么声波要进入下个脉冲周期走过的声程肯定是要大于底波，但是示波屏上显示的幻象波声程却在一次底波之前，如果你已经想到这个问题了，你已经离答案很近了，而且你的想法也确实都是正确的。这就产生了一个矛盾：理论中幻象波的声程大于底波，实际示波屏显示幻象波声程小于底波声程。理论中幻象波的声程大于底波实际上示波屏上显示的幻象波声程并不是实际声程是仪器摒弃掉了第一个脉冲周期后自动个进入到第二个脉冲周期计算声程，大多数情况第一个脉冲期内的声波已经完全衰减完毕但特殊情况如工件晶粒均匀，对声波衰减小，会有未衰减完全的声波进入到第二个脉冲周期。这种情况如图：

如图所示：脉冲重复频率升高则由t=1/f 可知脉冲周期t 缩短即第二周期篮框向左移动，因第一周期内未衰减完底波因位置固定，篮框左移相当于未衰减完底波和第二脉冲周期始波位置增大。即显示为脉冲重复频率增大，幻象波在屏幕上右移。我们假设超声波仪器可连续调节脉冲重复频率。使第二周期篮框持续向左移动，则幻象波会持续在屏幕上右移。当移动篮框使第二周期始波和未衰减完底波的上一次底波重合，则显示幻象波在屏幕上和第一次底波重合，第一次底波回波声压增大，波幅变高。继续增高脉冲重复频率，篮框继续向左移动，未衰减完底波的上一次底波会出现第二脉冲周期始波右侧，显示为屏幕上幻象波声程突然出现。

 结论：屏幕上出现幻象波，增高脉冲重复频率，幻象波在屏幕上右移，直到和底波重合，继续增大脉冲重复频率，则幻象波在始波侧再次出现。

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