超声检测灵敏度极限的研究

发布时间：2017-09-01

1引言

超声检测灵敏度是指超声检测系统能发现的最小不连续性的尺寸,灵敏度越高,能发现不连续性的尺寸越小,因而它是超声检测系统最重要的性能之一,在某些特殊材料(如陶瓷等)或某些完整性要求极高的工件的检测中尤为重要。尽管如今超声已可检测出小至微米级的不连续性[1],提高检测灵敏度的努力仍在继续,并不断取得进展。因而人们不禁要问超声能检测出的最小不连续性尺寸到底是多少?或超声检测的灵敏度是否存在极限?

2检测最小不连续性理论分析

2.1理论模型

以A显示反射法检测最小不连续性的模型如图1所示,接收电路输出的不连续性的回波信号幅度为:

V=E・η・T・D(θ)・G(x)・W(f,d)・A・e-2αx(1)

式中E―激励信号幅度

η―换能器的发射和接收效率

T―耦合层的声压透过率

D(θ)―换能器的发射和接收指向性

G(x)―扩散衰减

W(f,d)―最小不连续性的散射功率

α―介质的衰减系数

x―声程

A―接收放大电路的放大倍数

2.2理论分析

检测系统所接收到的不连续性的信号幅度V是由激励信号幅度E、换能器的发射和接收效率η、耦合层的声压透过度T、换能器的发射和接收指向性D(θ)、扩散衰减G(x)、最小不连续性的散射功率W(f,d)、介质的衰减系数α、声程x和接收放大电路的放大倍数A等因素决定的。该信号幅度很重要,因为对某特定的不连续性,其回波幅度越大,越容易被检出;反之则越容易被漏检。

对于特定的被检对象、检测系统和特定位置的不连续性,其它因素保持相同,只有散射功率W(f,d)对不连续性的信号幅度V起决定作用。当被检介质中的不连续性远小于其中传导声波的波长时,将发生散射现象。最小不连续性的散射能力可用散射功率W(f,d)来表示,W(f,d)由检测频率、不连续性的尺寸、形状及性质决定。以钢中球形气孔为例,球形气孔对连续平面波的散射功率为[2]:

式中I0―入射波声强

C―声速

f―检测频率

δm―散射相位(可从文献[2]中查阅)

钢中球孔(以直径d=0.2 mm为例)的相对散射功率W′(f,d) =W(f,d)I0随频率变化的理论计算结果如图2所示。

当Kd 1,即频率较低时,W′(f,d)随f的增加而增加,即不连续性的回波信号幅度随频率的增加而提高;

当Kd 1,即频率较高时,W(f,d)保持恒定,即不连续性的回波信号幅度不再随频率的增加而提高。

2.3最小不连续性的极限

为了检测出不连续性,经放大的回波信号幅度V必须高于CRT的显示阈值,否则该信号无法显示;另外,由于被检工件材质的微观结构及其表面的粗糙度引起的声学系统噪声和由于电子仪器引起的电子系统噪声将在CRT上产生背景杂波信号,使不连续性信号识别困难。只有当S/N≥1时,不连续性信号才能被识别(工程上为使不连续性信号被可靠识别,要求S/N≥2)。这样,可定义,当S/N= 1时所检测出的不连续的尺寸即为这一检测系统所能检测出的最小不连续性(即灵敏度极限)。所以,灵敏度极限是由不连续性的信号和系统的噪声共同决定的。即,要提高检测灵敏度,一方面要尽量提高不连续性的回波信号幅度(由检测系统、被检对象、不连续性决定);另一方面,要尽量降低杂波信号幅度(由工件表面状况、检测仪器电子噪声决定)。

3试验研究

试验是以反射式水浸法进行的(如图3所示),不连续性为一圆锥体,反射面为圆形端面。采用连续正弦信号经斩波后得到的准正弦波激励,用示波器接收,CRT能识别的最小显示为2 mv(以满屏为基准即为-34 dB)。试验时,通过不断改变端面直径,找出在示波器上刚能显示和识别回波信号时的最小直径dmin。