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超声极限灵敏度真的是λ/2?

已有 1201 次阅读2015-12-29 09:48 |个人分类:技术探讨| 超声检测, 超声波探伤, 灵敏度, 美国, 极限

超声极限灵敏度和分辨力极限的猜想和一些试验分析
前言:超声教材P171,写到由于波的绕射,使超声波检测灵敏度约为λ/2,因此提高频率,有利于发现更小的缺陷。
这可能是λ/2最为清晰的来源吧。但是,其没有将这是超声检测的极限灵敏度。
前期在网上讨论过超声检测的极限灵敏度,仍未结束。最近又讨论一下分辨力,同样是没有结束。关于这两个问题,我在一些回复当中,提出了一些个人看法。本次结合前期的测试,整理了一下思路,供大家参考。另外,笔者参考了夏纪真老师的一篇钛合金噪声表征的文献,故很多想法来源于他的文献。理论部分以教材和美国超声手册为主。
如有不当,欢迎讨论。
问题的提出:超声检测灵敏度的问题,λ/2到底是不是极限灵敏度?
我的看法不是。
理由是钛合金GB/T 5193-2007,当中的最小反射体为Ф0.8mm,而根据钛合金(TA1、TA2 声速约为6240m/s,频率2.5M直探头λ/2约为1.25mm)得到的λ/2要比这个数值要小。而国外航空钛合金超声波探伤标准综述》《钛合金锻件的超声波探伤当中》均提到钛合金反射体可以小到Ф0.4mm平底孔。Ф0.4mm远远小于λ/2约为1.25mm数值。同时在钛合金锻件的超声波探伤当中》可以明显知道杂波水平约为Φ1.27-18dB,根据超声不同平底孔回波声压公式,可以得知其为Φ0.45mm水平,与Ф0.4mm水平相当,即超声的极限灵敏度与杂波水平相当。由于教材当没有明确的指出λ/2就是极限灵敏度,而且又是一个约数。故教材并没有讲错。但超声极限灵敏度是λ/2,可以不用再继续讨论了。

笔者在前期帖子回复当中提出了一个极限灵敏度理论的经验公式(纯属猜想,未经实证):

ФfMin=λ/2C  

C为与探头及仪器相关的常数,与一国探头制作工艺及检测仪器水平有关的常数,最小取1(采用连续波信号),尖脉冲激发或方波激发的探头回波脉冲反射法检测,目前碳钢一般最大取(德国探头及仪器水平)美国取4,中国取3,同时,该常数与探头回波周数有关,探头回波周数少,C取值高。注1:其它材料C取值与碳钢不一样。注2,上述为信号未经处理时取值,如信号经过小波变换提取,则上述取值会变化。

注钛合金反射体设置 最小单反射体取Ф0.4mmC=3

常规中周探头(多浦乐2.5P 13*13Vs=3230 m/s  f0=2.5MHz λ=3.23/2.5=1.29mm

当然如果采用回波频率代替标称频率,上述会有所变化,(可以采用fe=3/Tn Tn为波峰前后共三个周期的时间,可用fe代替f0

则碳钢ФfMin=λ/2C=1.29/6=0.22mm, 当采用实测值λeK1fe=2.11MHz)代替λ将得到更真实的ФfMin=1.531/6=0.26mm

针对该检测系统,单个缺陷尺寸低于0.26mm,一般定义为较难识别,可以采用平底孔试块L=200mm Ф0.1-Ф0.4mm(间隔0.05mm?试块制作厂家机加工水平能否达到该精度?)平底孔试块验证。

另外,根据前期普通横波斜探头试验,分别采用Ф2*40长横孔测试,噪声信号最大水平处于Ф2*40-9.3dB(最大声程74.8mm处,噪声取附近最大值),和Ф1*6短横孔测试,噪声信号最大水平处于Ф1*6-3.8dB(最大声程50mm处,噪声取附近最大值),故根据长横孔、短横孔声压公式计算实际极限灵敏度均为0.25mm左右,与经验公式符合较好。实际极限灵敏度是一个与材料本体噪声有关的相关量,与具体采用的探头关系较大,在实际检测中极限反射体比噪声高6dB时,其对应的反射体可以被有效识别。故满足国标标准规范要求的反射体应该比噪声水平高6dB,对应的反射体当两尺寸约为Ф1。它比极限灵敏度要大很多,大约4倍左右。

图后期补上。

同时可以得知理论横波极限灵敏度与碳钢材料的噪声水平在同一数量级,低于该尺寸的反射体,可能被噪声淹没。

当采用信号处理提取目标信号(小波变换等)后,不一定需要满足信噪比大于6dB要求。故理论极限灵敏度和材料的噪声水平(含电子噪声)对于反射体信号识别均有非常重要的意义。

B,横波极限分辨力的一种表征:

ΔZ= 0.5*Vs* ΔT-20dB

ΔT-20dB)为回波信号-20dB时声脉冲宽度(时间)

根据前期测试 多浦乐探头极限分辨力约为2.08mm. 可在声轴方向设置间隔0.5-3mm两个反射体进行验证,反射体的尺寸不小于0.25mm

可见极限灵敏度远小于极限分辨力。能否设置一个实验对两者同时验证呢?

灵敏度和分辨力的关系如何呢?如何用图示说明?

期待大家的讨论。


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