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黄铜杆端面超声反射波频谱

来源: | 发布日期:2022-07-08

       为了采用频谱分析方法对金属构件中存在的缺陷进行表征,需要建立缺陷的大小、空间取向与超声波频谱之间的相互关系,进而发展出一种缺陷定量检测模型。为此,许多科学家针对该问题进行了大量实验研究。鉴于水和金属反射体之间的声阻抗差非常大,与固体同其内部的不连续性之间的声阻抗差具有可比性,Whaley和Adler[4]采用单探头水浸脉冲反射检测方式对浸入水中的黄铜杆端面反射波进行了研究,得出了反射波频谱形状与水程、杆的直径以及杆端面与探头表面之间夹角的关系。

       研究采用了一套精确,实用的超声检测及宽频带信号频谱分析系统。反射信号来自具有平整,光滑端面的黄铜杆末端。探头标称频率为2.25MHz,直径为19mm(0. 75in),产生的频谱范围为0.5 ~4.0MHz。杆的直径变化范围为0.78 ~ 7. 1mm(0.031~0.28lin)。水程分别为152.4~51mm(6~2in)。其中,152.4mm(6in)的水程接近近场长度的极限,51mm(2in)的水程在近场范围之内。图6-3给出了测量直径为d且与探头表面成θ夹角放置的黄铜杆端面反射波频谱的几何布置示意图[4]。


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图6-3  用于棒料平端面超声波散射频谱分析的几何布置

1.远场区黄铜杆直径、方位对频谱的影响


       图6-4为超声波入射到直径为7.1mm(0.28lin)[10],水程为152.4mm(6in)的黄铜杆上时,频谱随入射角的变化情况。观察发现,随着入射角θ的增大,主频率向低频方向移动且发生分离㊀。随着入射角的增大,频谱出现多个主频率,甚至完全分离。另外,对于垂直入射(θ=0°)的情况,研究发现,不同直径的黄铜杆端面反射波的频谱是相同的,都等同于超声波垂直入射到152.4mm(6in)大平板上时的反射波频谱。

图6-5所示为超声波入射到直径为1.6mm(0.063in),水程为152.4mm(6in)的黄铜杆上时,频谱随入射角的变化情况。与大尺寸反射体相比,此时的谱线要平滑得多。这种频谱随入射波角度和反射体尺寸变化而变化的现象,可以用频率和角度对圆形散射体标量波衍射的依从性来解释[11]。

2.近场区黄铜杆直径对频谱的影响

在本研究所涉及的反射体尺寸和超声波频率范围内,在探头的远场区,当超声波垂直入射到反射体上时,频谱的形状和主频的出现位置与反射体的大小和形状无关。当反射体的尺寸较小时,只有入射角较大时频谱图上才会出现多个主频率。反射体的尺寸和空间取向会对脉冲回波主频率的分布产生影响,该特性为提取缺陷特征信息提供了可能。

采用与前述相同的试验方法和探头,在近场区51mm(2in)水程处对端面磨平的圆柱形黄铜杆进行了测试。结果发现,频谱对探头和反射体之间位置的敏感程度显著增大。频谱的形状随探头水平和垂直位置的变化而变化,变化的程度比大水程(远场区)检测时大得多。



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另外,与152.4mm(6in)或者更大水程的实验结果不同,当水程为51mm(2in),超声波垂直入射到反射体的中心时,频谱的形状随反射体尺寸的变化而变化。图6-6所示为超声波垂直入射至不同直径反射杆端面时的反射波频谱图。可以注意到,随着反射体尺寸的不同,频谱形状发生了规律性变化[10]。


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图6-6  水程51mm(2in)超声波垂直入射到不同直径黄铜杆端面上时的反射波频谱


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