超声检测系统数字频谱特性分析及应用

　　0　引言

　　超声波是机械波,超声波检测特别适用于材料异常和物理性能的测量。在常规的超声检测中,反射波的幅值和渡越时间是重要参数,从它们可得知缺陷的大小和位置。但今天的超声波探伤技术仍存在着局限性,即无法唯一地确定检测结果。这些作为判据的参数主要利用的物理量是超声波的传播时间和回波的能量。回波只是一个模糊的经验性概念,并没有一个确切的规定。也就是说,常规的超声无损检测完全根据时域信息来判断缺陷,仅利用了波形所包含的大量信息的一小部分。

　　为了避免传统超声时域检测法固有的局限性,超声频谱分析引起了无损检测领域的广泛重视[1]。将超声检测信号转换到频域,这主要是利用不同性质及不同大小的缺陷对超声波的反射情况不一样,而其反射回波之间的差异通常在时域上不明显或很难检测出来,但在频域上这一特征较明显。而且频域特征受耦合状态等的影响较小,经过系统修正后,能够做到频域特征仅与缺陷有关。通过分析超声反射回波的频谱结构就能知道何种缺陷影响超声频谱的哪些参数及形状,从而达到缺陷检测的目的。超声频谱检测是将频谱分析法与超声无损探伤结合起来的一种新技术,为超声检测技术注入了活力,它开辟了信息利用的新领域,把人们对缺陷的认识从时域扩展到频域。就频谱分析而言,大多采用脉冲回波技术,因缺陷回波受缺陷形状、大小、性质等因素的影响、所以其频谱特性受到调制。换言之,回波频谱特性隐含缺陷的特性,因此频谱分折可用于缺陷性质的辅助分析。超声换能器和超声波探伤仪的性能对检测灵敏度和检测结果的可靠性有关键性的影响,换能器的频谱特性如中心频率及有效带宽等都是换能器的关键指标。利用频谱分析方法可以确定换能器的上述指标,从而为提高超声检测的准确性和可靠性提供依据。

　　对回波信号进行频谱分析,可以获得相应的幅频特性、相频特性、功率谱特性,从而可为分析缺陷性质提供更多更有用的信息。而通过对换能器频率特性的分析,为换能器研制过程中确定最佳背衬材料、最佳声阻抗区匹配等提供了依据,亦为提高换能器的整体性能提供了依据。

　　1　超声波检测信号频谱分析原理

　　1·1　系统模型

　　超声频谱分析中,可假设系统是线性时不变的,对应于时域的频域等价为图1。

　　系统理论模型可用图2来表示,频谱分析所显示的缺陷波可以表示为:

　　T(f)和R(f)是由系统决定的、恒定的和平滑的, V2(f)受P(f)的影响而呈现出不同于T(f)R(f)的变化,而P(f)在一定检测条件下依赖于缺陷性质,由(2)式可以看出,缺陷波频谱取决于一定检测条件下缺陷性质与P(f)的关系,以及对于不同的检测条件下T(f)R(f)产生畸变的规律。