窄脉冲技术在精细超声检测中的应用

　　小型精密机械加工零件内部缺陷的常规无损检测是比较困难的。采用热轧或锻造状态材料加工的零件,若厚度(或直径)在10 mm以下,常规的射线检测及超声检测均无法很好地检出其内部缺陷,特别是细小的组织缺陷(如 0.3～ 0.8 mm左右的夹杂),所以通常只能是进行表面检测(磁粉或渗透检测)。但对于一些结构复杂的超精密零件,如果在加工前期不能将毛坯内部的细小缺陷检出,必然会在加工后期造成零件的报废,从而造成加工工时及周期的巨大浪费。

　　由于X射线检测对于热轧或锻造状态的材料及零件内部组织缺陷的检出能力很差,因而解决的途径只能是超声检测。理论上讲,超声检测可以检出的最小缺陷当量尺寸大约是其波长的1/2。比如,采用5 MHz的探头,钢质零件最小可以检出当量直径约为 0.6 mm的缺陷,如果采用更高频率的探头,应该可以检出尺寸更小的缺陷,但实际上,由于信噪比的原因,可靠地检出这样小的缺陷是不太可能的(高于5 MHz频率的探头,因信噪比会更低而不能使用),加上检测盲区的原因,上述小型精密零件无法采用普通超声检测方法进行其内部细小组织缺陷的检测。但窄脉冲技术则可以很好地克服和解决普通超声检测的上述问题,实现小型精密零件内部细小组织缺陷的超声检测。

　　1　窄脉冲技术的基本概念

　　超声检测使用的是脉冲超声波,随着超声检测技术的发展,应当把脉冲超声波分成宽脉冲和窄脉冲两大类。通常使用的超声脉冲则应属于宽脉冲。由傅立叶分析可知,一个脉冲可以看成是由无限多个不同频率持续时间无限的正弦波(谐波)组成。在脉冲持续时间内它们叠加成脉冲,而在持续时间以外,它们彼此相抵消。按此理论,谐波的频率范围越宽(即频谱越宽),叠加而成的脉冲的持续时间越短。

　　在超声检测的实际运用中,与通常使用的宽脉冲相比,窄脉冲有着其独特的性能特征。

　　1.1　窄脉冲波形频谱特点

　　图1为3个探头的脉冲波形和频谱示意图,探头A、B为2 MHz探头(晶片尺寸 24 mm),探头C为10 MHz探头(晶片尺寸 5 mm)。但探头A为普通直探头,探头B、C为窄脉冲探头。

　　由于脉冲持续时间即代表脉冲宽度,由图1可以看出,如果采用负向检波,探头A的波宽约为2.0μs,频谱范围约1.3～3.0 MHz,而探头B的波宽仅约为0.25μs,频谱范围约为0.5～3.8 MHz,探头C的波宽更是仅为0.05μs,而频谱则约为2.4～18.2MHz。采用单向检波,使得窄脉冲的回波显示呈现单一的“V”形,对提高检测分辨力非常有利。

　　1.2　近场区特点

　　由于近场区声压随距离的分布关系十分复杂,存在多个极大值和极小值,如果存在缺陷,其反射波极不规则,对缺陷性质和大小的判断十分困难,所以通常都尽量避免在近场区实施检测。