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對聲波檢測穿透信號波形變化規律和量化的探討

摘要：超聲檢測應用聲學(xué)信息聲時(shí)、波幅、頻率、波形判斷被測介質(zhì)的物性。前三個(gè)信息均有定量或半定量數學(xué)表達式為依據，波形還無(wú)法有定量解釋。為尋求波形的變化規律，采用模型試塊進(jìn)行試驗，試驗結果證實(shí)：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?zhuān)偨Y出一定規律，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

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(jìn)行評價(jià)。

聲速可由彈性波動(dòng)理論導出的數學(xué)式為依據做出評價(jià)依據即：

2.  解釋波形信號變化規律的聲學(xué)原理

    滿(mǎn)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?zhuān)@是由于超聲波在介質(zhì)中傳播規律比較復雜引起的。特別是當介質(zhì)內存在不同聲(波)阻抗界面時(shí)，超聲波在介質(zhì)中將不再是完全直接傳播到達接收點(diǎn)，同時(shí)還有不同聲阻抗界面反射后到達接收點(diǎn)的信號。根據疊加定律，這些經(jīng)不同路徑傳播到達接收點(diǎn)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(dòng)系統同時(shí)受到兩個(gè)以上驅動(dòng)力作用時(shí)，所產(chǎn)生的振動(dòng)為各個(gè)力分別作用時(shí)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(gè)或多個(gè)波的疊加；②振幅、相位不同、頻率相差較遠的兩個(gè)波的疊加。圖1、圖2給出連續正弦信號疊加后的干涉波形，它簡(jiǎn)單說(shuō)明了波的疊加干涉現象。實(shí)際脈沖波的疊加往往是千變萬(wàn)化的 

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

3. 用模型試驗研究超聲透射波形的變化規律

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

    論證工程現場(chǎng)結構混凝土中聲波的傳播規律。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?？深?lèi)比現場(chǎng)

    用50kHz換能器在500mm尺度的結構混凝土梁、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(lèi)。均勻介質(zhì)采用有

    機玻璃、紫銅、致密的閃長(cháng)巖、水泥砂漿(經(jīng)過(guò)細篩過(guò)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采用自制發(fā)射電路驅動(dòng)換能器輻射超聲波，接收采用UT2025C數字示波器接收放大、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. 結語(yǔ)

    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律尚屬。受條件限制，試驗的內容偏少，但僅此已略見(jiàn)端倪，說(shuō)明了一些基本規律性問(wèn)題：

     ⑴ 現場(chǎng)結構混凝土檢測使用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 現場(chǎng)使用的50KHz換能器余振較長(cháng)，一般有8-10個(gè)周期，余振時(shí)間長(cháng)達160-200以上。此時(shí)結構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，就應當觀(guān)察首波波組前4-5個(gè)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，適應梁、柱、板的缺陷檢測，此乃題外話(huà)；

    ⑷ 由表1序號5和6的波形對比說(shuō)明：介質(zhì)存在缺陷時(shí)首波波組波形會(huì )變異。本次實(shí)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(shí)，在一定位置人為放入粒徑10mm大小的石子數塊來(lái)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(shuō)明缺陷的反射不只一組，圖3對其進(jìn)行的解釋?xiě)呛侠淼?。所以，盡管此次實(shí)驗僅此一塊有異物的非均勻試塊，已能夠說(shuō)明問(wèn)題。當然，今后在有條件時(shí)，進(jìn)一步實(shí)驗證實(shí)。

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

    ⑹ 介質(zhì)中缺陷的類(lèi)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萬(wàn)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成兩到三種類(lèi)型那么簡(jiǎn)單，而且還沒(méi)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，來(lái)定量量化接收波形的變異?；ハ嚓P(guān)系數可由S(t)和R(t)的卷積求得互相關(guān)函數