脈沖反射法聲速信號分析

脈沖反射法聲速信號分析

聲速是固體材料的基本功能參數(shù)。由于材料的成分或加工工藝(熔鑄、軋制等)等的改變,都會使材料的聲速與手冊中的不同。因此在教學(xué)、科研、工程實踐和無損檢測等過程中,都可能遇到精密測量實際材料聲速的問題。常用的聲速測量方法,Edward等人在關(guān)于材料彈性參數(shù)及測量的專著中有詳盡的介紹,而在超聲速度測量方法標(biāo)準(zhǔn)的附錄A中則進(jìn)行了全面的概括。隨著數(shù)字示波器的普及,很多旨在消除模擬示波器讀數(shù)誤差的方法已逐漸失去意義。目前市售的超聲聲速測量儀器,基本上采用脈沖反射法進(jìn)行測量。結(jié)合數(shù)字示波器的記錄和精確讀數(shù),能夠達(dá)到很高的測量精度。脈沖反射法聲速測量原理簡單,只需要知道聲程l和傳播時間t兩個量,由公式c=l/t就能得到聲速。聲程可以由測微儀簡單地測出來,但傳播時間的判斷就比較困難。筆者主要討論傳播時間測量的問題,使用NDT-5077PR脈沖發(fā)射/接收儀進(jìn)行精密聲速測量。1超聲接頭直徑的計算聲速測量的樣品按照要求需要有兩個平行表面作為探測面,這兩個面的間距>5mm。另外要求樣品其它表面不影響聲束的傳播。從加工方便的角度,一般將樣品加工成圓柱體。樣品直徑經(jīng)計算須滿足下式要求:D>2lsinθ2+d(1)D>2lsinθ2+d(1)式中D為樣品的直徑;l為樣品中的聲程;d為聲源(超聲探頭中的換能器)的直徑;θ為聲束擴散角,其與樣品中的波長λ滿足波動學(xué)方程sinθ=1.22λ/d關(guān)系。聲束擴散角是與中軸線的夾角,計算直徑時需乘以2,邊界對聲束的影響需要和聲束傳到邊界同樣的時間才能傳回探頭,所以計算時除以2。最后式(1)簡化成:D>1.22lλd+d(2)D>1.22lλd+d(2)對應(yīng)常見的5MHz縱波超聲探頭,按通常材料5km/s的縱波聲速,λ≈1mm,晶片直徑6mm,超聲波在5mm厚的樣品中反射兩個來回,對應(yīng)20mm的聲程,可以估算出樣品的直徑需要>10mm。筆者試驗采用的樣品是厚度6mm的98鎢棒材,直徑20mm。2超聲傳播時間測量在對測量結(jié)果要求不高的場合下,采用成品超聲測量儀或自制儀器,配合單探頭進(jìn)行脈沖反射法測量聲速。即脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個激勵信號,通過超聲探頭產(chǎn)生超聲波,在樣品中傳播并反射后,又由同一探頭作為接收探頭,將超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號,通過放大后由儀器直接判斷讀數(shù)或由示波器記錄分析。如圖1所示。市售的超聲測量儀器基本上都基于圖1的測量系統(tǒng)。其輸出脈沖一般都是近似于方波的單個重復(fù)頻率脈沖。圖2是采用NDT-5077PR脈沖發(fā)射/接收儀測得的典型波形。激發(fā)信號的起點是脈沖發(fā)生器輸出的激勵脈沖直接經(jīng)過信號放大器被記錄下來的,不能認(rèn)為是超聲波傳播開始的時間,所以選擇回波1～3來計算超聲傳播時間。將3次回波的波形作對比,發(fā)現(xiàn)波形并不完全重合。因此選取圖2(b)中前3個比較明顯的波峰和波谷來計算時間如下。從表1中可以看出,時間間隔的分散性約0.2%,不確定度為0.82ns,能滿足大多數(shù)測量精度的要求。但由于測量時取的點較少,容易引入偶然因素的影響。3設(shè)置正弦波自適應(yīng)測試采用實驗室常見的測量儀器,搭建成雙探頭脈沖反射測量系統(tǒng),如圖3所示。利用頻率發(fā)生器作為脈沖激勵源,輸出重復(fù)頻率的正弦信號驅(qū)動超聲探頭1。在樣品對側(cè)由接收探頭2單獨接收超聲信號,經(jīng)信號放大器放大后由示波器記錄。該試驗裝置與常用的透射法聲速測量裝置一致。但透射法直接假設(shè)信號源輸出到發(fā)射探頭后就立即產(chǎn)生超聲波,直接將探頭2接收到的第一個超聲波脈沖的時間作為計時終點,對于精密聲速測量而言會帶來較大的誤差。筆者讀取的是超聲波前幾次到達(dá)探頭2的信號,以計算超聲傳播時間。因為兩個信號間超聲波在樣品中反射了一個來回,所以仍屬于脈沖反射法。設(shè)置函數(shù)發(fā)生器輸出5MHz正弦波,每組波列5個周期,得到的典型信號見圖4。從表2中可以看出,時間間隔的分散性約0.1%,但不確定度降到了0.26ns,并且有更多的測量點,有利于發(fā)現(xiàn)和排除異常數(shù)據(jù)。4超聲傳播的頻率分布信號波形的畸變導(dǎo)致組成該波形的頻譜發(fā)生了改變,對超聲傳播時間的判斷帶來了誤差。為了分析該問題產(chǎn)生的原因,對兩種方法的回波波形進(jìn)行傅里葉變換頻譜分析,結(jié)果見圖5。函數(shù)發(fā)生器的頻譜較脈沖發(fā)射/接收儀的明顯要窄得多,頻譜變化主要是由正弦信號列的前端和后端不連續(xù)的部分引起。所以,以每個回波的波形起跳點為零相位參考點,在正弦信號列的中段同相位點(如圖4中的2～6點)分別對應(yīng)的相位,計算超聲傳播時間的誤差較小。通過頻譜分析可以看到,隨著樣品中聲程的增加,低頻成分不斷減少,整個超聲波的頻率譜都在逐漸向高頻端移動,這樣就帶來了波形的畸變。各個回波的中心頻率對比見表3。從表3中可以看到,對于前3個回波,脈沖發(fā)射/接收儀的中心頻率有近10%的移動,而函數(shù)發(fā)生器的中心頻率基本上沒有發(fā)生變化。超聲波在樣品中的傳播過程為:忽略反射時的損耗,把反射面等效為鏡像面,將厚度為h的樣品中的聲程l等效為超聲波在l長的樣品中的直接傳播,得到圖6所示圖像。在超聲波傳播的過程中,即使是樣品垂直于聲傳播方向的尺寸足夠大,由于聲束擴散角θ,聲束不可避免地會產(chǎn)生發(fā)散現(xiàn)象。隨著傳播距離的增加,在換能器晶片固定的面積范圍內(nèi),能夠接收到的超聲波能量占總能量的百分比將越來越少。而低頻超聲波的發(fā)散角大于高頻超聲波的發(fā)散角,從而超聲傳播的軸線上高頻成分所占的比例越來越大,導(dǎo)致中心頻率向高頻端偏移。因此,離激勵探頭越近,信號的畸變越小,越有利于準(zhǔn)確計算超聲傳播時間。5方波脈沖反射信號分離問題由于改進(jìn)的脈沖反射法聲程較單探頭脈沖反射法少一個樣品厚度,因此樣品直徑的要求可以適當(dāng)放寬。對聲衰減較大的樣品,相同條件下也能夠提高信號強度和信噪比。對于探頭來說,采用函數(shù)發(fā)生器按超聲探頭的工作頻率輸出正弦激勵信號,較超聲聲速測量儀的方波脈沖信號來說,頻譜更窄,更接近于探頭中換能器的理想工作狀態(tài)。對于信號放大器來說,采用常用脈沖反射法,存在數(shù)十伏到數(shù)百伏的激勵信號與微伏級的回波信號分離問題。即使經(jīng)過分離后,系統(tǒng)中的信號動態(tài)范圍也極大,并且回波信號也受到一定損失。從示波器上也能看出,在激勵信號段,放大器工作在飽和失真狀態(tài);而調(diào)節(jié)示波器垂直靈敏度,使回波有較好的信噪比后,激勵信號段示波器也工作在超屏狀態(tài)改進(jìn)的脈沖反射法可將信號接收探頭的弱信號回路與激勵信號的高電壓隔離,對其后的信號放大電路和示波器的工作點選擇都帶來方便。在回波信號強度相同的情況下,改進(jìn)的脈沖反射法只需要較小的能量激勵,更能滿足小擾動的條件,接近理想的波動狀態(tài)。