對聲波檢測穿透信號波形變化規(guī)律和量化的探討

摘要：超聲檢測應(yīng)用聲學(xué)信息聲時、波幅、頻率、波形判斷被測介質(zhì)的物性。前三個信息均有定量或半定量數(shù)學(xué)表達式為依據(jù)，波形還無法有定量解釋。為尋求波形的變化規(guī)律，采用模型試塊進行試驗，試驗結(jié)果證實：符合聲學(xué)邊界條件的均勻介質(zhì)，接收信號的波形基本與發(fā)射的子波具有相似性，介質(zhì)中存在異物（缺陷）接收信號發(fā)生變異，可由斯奈爾定律、疊加定律作出解釋，總結(jié)出一定規(guī)律，提出定量的量化方法。

關(guān)鍵詞：缺陷；首波波組；波形變異；互相關(guān)函數(shù)

1. 前言

眾所周知，非金屬超聲檢測可利用聲波穿透信號或反射信號的聲速、波幅、頻率、波形等聲學(xué)信息對被檢測介質(zhì)的物性進行評價。

聲速可由彈性波動理論導(dǎo)出的數(shù)學(xué)式為依據(jù)做出評價依據(jù)即：

2.  解釋波形信號變化規(guī)律的聲學(xué)原理

    滿足聲學(xué)邊界條件下的非均勻介質(zhì)，超聲脈沖信號的接收波形難于給出量化解釋，這是由于超聲波在介質(zhì)中傳播規(guī)律比較復(fù)雜引起的。特別是當介質(zhì)內(nèi)存在不同聲(波)阻抗界面時，超聲波在介質(zhì)中將不再是完全直接傳播到達接收點，同時還有不同聲阻抗界面反射后到達接收點的信號。根據(jù)疊加定律，這些經(jīng)不同路徑傳播到達接收點的超聲脈沖信號疊加后，使接收波形不再是 “子波”波形。疊加定律的定義是：振動系統(tǒng)同時受到兩個以上驅(qū)動力作用時，所產(chǎn)生的振動為各個力分別作用時的和[1]。

     超聲檢測中，經(jīng)常發(fā)生的有兩種情況：①是振幅、相位不同、頻率相近兩個或多個波的疊加；②振幅、相位不同、頻率相差較遠的兩個波的疊加。圖1、圖2給出連續(xù)正弦信號疊加后的干涉波形，它簡單說明了波的疊加干涉現(xiàn)象。實際脈沖波的疊加往往是千變?nèi)f化的 

下面將借用疊加定律，通過模型試驗來探討聲波透射接收波形變化的一般規(guī)律。

3. 用模型試驗研究超聲透射波形的變化規(guī)律

    超聲模型試驗，是研究聲波傳播規(guī)律的重要方法。旨在用尺度較小的模型試驗來探討和

    論證工程現(xiàn)場結(jié)構(gòu)混凝土中聲波的傳播規(guī)律。模型試驗必須遵守模型試驗相似準則，即模型尺度的縮小和探測頻率的提高是成比例的。

    選用頻率500kHz縱波換能器(輻射面尺度為18mm)，模型尺度定為50mm。可類比現(xiàn)場

    用50kHz換能器在500mm尺度的結(jié)構(gòu)混凝土梁、柱、樁上的檢測。

    模型材質(zhì)的選擇，選用聲學(xué)邊界條件下的均勻介質(zhì)和非均勻介質(zhì)兩類。均勻介質(zhì)采用有

    機玻璃、紫銅、致密的閃長巖、水泥砂漿(經(jīng)過細篩過的細砂)試塊，非均勻介質(zhì)采用人工嵌入石子(粒徑10mm左右)的細沙水泥砂漿試塊。

    模型試驗的測試系統(tǒng)采用自制發(fā)射電路驅(qū)動換能器輻射超聲波，接收采用UT2025C數(shù)字示波器接收放大、顯示穿透信號波形。

4. 模型超聲測試的方法及測試結(jié)果

    將500kHz超聲換能器與不同材質(zhì)模型試塊用凡士林耦合。發(fā)射電路提供的脈沖電壓約400V送入發(fā)射換能器，接收換能器接收到的信號直接送入數(shù)字示波器放大顯示接收波形。鑒于關(guān)注的是子波和接收到的直達波波組，故試驗結(jié)果主要將他們加以顯示，如表1。

表1.  500kHz換能器在相同尺寸不同材質(zhì)模型的超聲波形穿透波形

7. 結(jié)語

    用模型試塊測試研究超聲波穿透信號首波波組波形變化規(guī)律尚屬。受條件限制，試驗的內(nèi)容偏少，但僅此已略見端倪，說明了一些基本規(guī)律性問題：

     ⑴ 現(xiàn)場結(jié)構(gòu)混凝土檢測使用50kHz換能器，混凝土可視為均勻介質(zhì)，凡符合聲學(xué)邊界條件下的均勻介質(zhì)，聲波穿透信號的首波波組波形基本與發(fā)射的子波波形相似；

     ⑵ 現(xiàn)場使用的50KHz換能器余振較長，一般有8-10個周期，余振時間長達160-200以上。此時結(jié)構(gòu)混凝土邊界反射波可能落入直達波組的余振部位，形成干擾。在這種情況下，就應(yīng)當觀察首波波組前4-5個周期是否受到缺陷反射波疊加干涉，故還是可以由波形判斷缺陷是否存在；

    ⑶ 鑒此,有必要研制100KHz短余振換能器，適應(yīng)梁、柱、板的缺陷檢測，此乃題外話；

    ⑷ 由表1序號5和6的波形對比說明：介質(zhì)存在缺陷時首波波組波形會變異。本次實驗的模型試塊水泥砂漿是同批次攪拌的，序號6的試塊制作時，在一定位置人為放入粒徑10mm大小的石子數(shù)塊來模擬異物，所以這兩塊模型試塊的聲速相同，均為3360m/s。但波形相異甚多，說明缺陷的反射不只一組，圖3對其進行的解釋應(yīng)是合理的。所以，盡管此次實驗僅此一塊有異物的非均勻試塊，已能夠說明問題。當然，今后在有條件時，進一步實驗證實。

    ⑸ 由上述分析可知，結(jié)構(gòu)混凝土邊界的反射干擾，在了解結(jié)構(gòu)混凝土幾何尺寸和測點位置時，是可以推論排除的；

    ⑹ 介質(zhì)中缺陷的類型較多，缺陷反射波的相位不盡相同，缺陷所處位置是隨機的，故有缺陷混凝土聲波穿透信號波形是千變?nèi)f化的。絕不是以前曾把有缺陷混凝土接收信號首波波組總結(jié)成兩到三種類型那么簡單，而且還沒有去和子波對比。

    ⑺ 綜上所述，可以由發(fā)射子波S(t)和接收信號的首波波組R(t)的互相關(guān)函數(shù)，來定量量化接收波形的變異?；ハ嚓P(guān)系數(shù)可由S(t)和R(t)的卷積求得互相關(guān)函數(shù)