人工反射体超声波频谮分析——概述

       1963年，Gericke采用高阻尼的钛酸钡探头，对含有3.2mm( 1/8in,1in=25.4mm)和0.8mm( 1/32in)圆柱形孔的铝试样分别进行了一系列超声波试验，时域波形和频谱结果如图6-1所示。可以看出，两种试样对应的时域波形几乎看不出明显差别，但是在5 ~14MHz频率范围内进行频谱分析得到的结果却有明显差别。表明频谱分析技术对于区分缺陷尺寸具有重要作用。

图6-1  采用宽频带方法，在铝试样不同直径圆孔上获得的超声波时域波形和频谱图

a)3.2mm(1/8in)    b)0.8mm(1/32in)

       频谱分析方法还可以区分具有相同孔隙率但孔隙情况不同的两种试样：一种是含有大量小孔洞的情况；另一种是孔洞数量很少但孔洞很大的情况（这两种情况具有相同的反射横截面）。同样，采用标准的脉冲反射法对试样内部的缺陷进行检测时，因为这种方法对缺陷的空间取向不太敏感，可能会产生严重误差。图6-2给出的结果表明：对于含有不同空间取向的缺陷，频谱分析方法能够揭示它们之间的显著不同。

图6-2  模拟的具有不同空间取向缺陷反射波的时域波形和频谱图

       Krautkramer[2]率先提出了一种解决该问题的途径，他建议采用宽频带的超声波脉冲信号，对缺陷的反射波进行频谱分析。Gericke[1]、Whaley 和Cook[3]通过相关实验建立了缺陷特征与反射波频谱之间的定性关联。Whaley和Ad-ler[4]进行了一系列系统的实验，建立了一种通过分析超声波频谱来预测缺陷大小和空间取向的定量分析模型。以此为转折点，频谱分析技术逐渐成为一种可行的研究工具，为传统的脉冲回波检测技术提供了补充。Adler和Whaley[5]进一步将该模型的应用范围扩展到了探头和缺陷之间具有任意空间夹角的情况。他们引入了多探头技术[6]，还将频谱分析技术应用到缺陷表征之外的厚度检测领域[7]。Simpson[8]借助傅里叶分析方法继续研究，发展了频谱分析技术。他解释了频谱图中那些以前没有引起学者们注意的不规则谱，从而使得从超声波频谱图中能够提取到超声波衰减和相对相位移动等更加丰富的信息。Adler和Lewis[9]在超声波衍射原理的基础上提出了一种新的模型。该模型将假设建立在一个更严格、更可靠的基础之上，实现了对任意形状的缺陷进行频谱分析。