脈沖反射法聲速信號(hào)分析

脈沖反射法聲速信號(hào)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(huì)使材料的聲速與手冊(cè)中的不同。因此在教學(xué)、科研、工程實(shí)踐和無(wú)損檢測(cè)等過(guò)程中,都可能遇到精密測(cè)量實(shí)際材料聲速的問(wèn)題。常用的聲速測(cè)量方法,Edward等人在關(guān)于材料彈性參數(shù)及測(cè)量的專著中有詳盡的介紹,而在超聲速度測(cè)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(cè)量?jī)x器,基本上采用脈沖反射法進(jìn)行測(cè)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(cè)量精度。脈沖反射法聲速測(cè)量原理簡(jiǎn)單,只需要知道聲程l和傳播時(shí)間t兩個(gè)量,由公式c=l/t就能得到聲速。聲程可以由測(cè)微儀簡(jiǎn)單地測(cè)出來(lái),但傳播時(shí)間的判斷就比較困難。筆者主要討論傳播時(shí)間測(cè)量的問(wèn)題,使用NDT-5077PR脈沖發(fā)射/接收儀進(jìn)行精密聲速測(cè)量。1超聲接頭直徑的計(jì)算聲速測(cè)量的樣品按照要求需要有兩個(gè)平行表面作為探測(cè)面,這兩個(gè)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(jì)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(kuò)散角,其與樣品中的波長(zhǎng)λ滿足波動(dòng)學(xué)方程sinθ=1.22λ/d關(guān)系。聲束擴(kuò)散角是與中軸線的夾角,計(jì)算直徑時(shí)需乘以2,邊界對(duì)聲束的影響需要和聲束傳到邊界同樣的時(shí)間才能傳回探頭,所以計(jì)算時(shí)除以2。最后式(1)簡(jiǎn)化成:D>1.22lλd+d(2)D>1.22lλd+d(2)對(duì)應(yīng)常見(jiàn)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(gè)來(lái)回,對(duì)應(yīng)20mm的聲程,可以估算出樣品的直徑需要>10mm。筆者試驗(yàn)采用的樣品是厚度6mm的98鎢棒材,直徑20mm。2超聲傳播時(shí)間測(cè)量在對(duì)測(cè)量結(jié)果要求不高的場(chǎng)合下,采用成品超聲測(cè)量?jī)x或自制儀器,配合單探頭進(jìn)行脈沖反射法測(cè)量聲速。即脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)信號(hào),通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),通過(guò)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(cè)量?jī)x器基本上都基于圖1的測(cè)量系統(tǒng)。其輸出脈沖一般都是近似于方波的單個(gè)重復(fù)頻率脈沖。圖2是采用NDT-5077PR脈沖發(fā)射/接收儀測(cè)得的典型波形。激發(fā)信號(hào)的起點(diǎn)是脈沖發(fā)生器輸出的激勵(lì)脈沖直接經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器被記錄下來(lái)的,不能認(rèn)為是超聲波傳播開(kāi)始的時(shí)間,所以選擇回波1～3來(lái)計(jì)算超聲傳播時(shí)間。將3次回波的波形作對(duì)比,發(fā)現(xiàn)波形并不完全重合。因此選取圖2(b)中前3個(gè)比較明顯的波峰和波谷來(lái)計(jì)算時(shí)間如下。從表1中可以看出,時(shí)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(cè)量精度的要求。但由于測(cè)量時(shí)取的點(diǎn)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(cè)試采用實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的測(cè)量?jī)x器,搭建成雙探頭脈沖反射測(cè)量系統(tǒng),如圖3所示。利用頻率發(fā)生器作為脈沖激勵(lì)源,輸出重復(fù)頻率的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲探頭1。在樣品對(duì)側(cè)由接收探頭2單獨(dú)接收超聲信號(hào),經(jīng)信號(hào)放大器放大后由示波器記錄。該試驗(yàn)裝置與常用的透射法聲速測(cè)量裝置一致。但透射法直接假設(shè)信號(hào)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(gè)超聲波脈沖的時(shí)間作為計(jì)時(shí)終點(diǎn),對(duì)于精密聲速測(cè)量而言會(huì)帶來(lái)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(hào),以計(jì)算超聲傳播時(shí)間。因?yàn)閮蓚€(gè)信號(hào)間超聲波在樣品中反射了一個(gè)來(lái)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(gè)周期,得到的典型信號(hào)見(jiàn)圖4。從表2中可以看出,時(shí)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(cè)量點(diǎn),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(hào)波形的畸變導(dǎo)致組成該波形的頻譜發(fā)生了改變,對(duì)超聲傳播時(shí)間的判斷帶來(lái)了誤差。為了分析該問(wèn)題產(chǎn)生的原因,對(duì)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(jiàn)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(hào)列的前端和后端不連續(xù)的部分引起。所以,以每個(gè)回波的波形起跳點(diǎn)為零相位參考點(diǎn),在正弦信號(hào)列的中段同相位點(diǎn)(如圖4中的2～6點(diǎn))分別對(duì)應(yīng)的相位,計(jì)算超聲傳播時(shí)間的誤差較小。通過(guò)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(gè)超聲波的頻率譜都在逐漸向高頻端移動(dòng),這樣就帶來(lái)了波形的畸變。各個(gè)回波的中心頻率對(duì)比見(jiàn)表3。從表3中可以看到,對(duì)于前3個(gè)回波,脈沖發(fā)射/接收儀的中心頻率有近10%的移動(dòng),而函數(shù)發(fā)生器的中心頻率基本上沒(méi)有發(fā)生變化。超聲波在樣品中的傳播過(guò)程為:忽略反射時(shí)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(zhǎng)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(guò)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(kuò)散角θ,聲束不可避免地會(huì)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(lái)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(lái)越大,導(dǎo)致中心頻率向高頻端偏移。因此,離激勵(lì)探頭越近,信號(hào)的畸變?cè)叫?越有利于準(zhǔn)確計(jì)算超聲傳播時(shí)間。5方波脈沖反射信號(hào)分離問(wèn)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(gè)樣品厚度,因此樣品直徑的要求可以適當(dāng)放寬。對(duì)聲衰減較大的樣品,相同條件下也能夠提高信號(hào)強(qiáng)度和信噪比。對(duì)于探頭來(lái)說(shuō),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(lì)信號(hào),較超聲聲速測(cè)量?jī)x的方波脈沖信號(hào)來(lái)說(shuō),頻譜更窄,更接近于探頭中換能器的理想工作狀態(tài)。對(duì)于信號(hào)放大器來(lái)說(shuō),采用常用脈沖反射法,存在數(shù)十伏到數(shù)百伏的激勵(lì)信號(hào)與微伏級(jí)的回波信號(hào)分離問(wèn)題。即使經(jīng)過(guò)分離后,系統(tǒng)中的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍也極大,并且回波信號(hào)也受到一定損失。從示波器上也能看出,在激勵(lì)信號(hào)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(lì)信號(hào)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(hào)接收探頭的弱信號(hào)回路與激勵(lì)信號(hào)的高電壓隔離,對(duì)其后的信號(hào)放大電路和示波器的工作點(diǎn)選擇都帶來(lái)方便。在回波信號(hào)強(qiáng)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(lì),更能滿足小擾動(dòng)的條件,接近理想的波動(dòng)狀態(tài)。