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對聲波檢測穿透信號波形變化規律和量化的探討

摘要：超聲檢測應用聲學信息聲時、波幅、頻率、波形判斷被測介質的物性。前三個信息均有定量或半定量數學表達式為依據，波形還無法有定量解釋。為尋求波形的變化規律，采用模型試塊進行試驗，試驗結果證實：符合聲學邊界條件的均勻介質，接收信號的波形基本與發射的子波具有相似性，介質中存在異物（缺陷）接收信號發生變異，可由斯奈爾定律、疊加定律作出解釋，總結出一定規律，提出定量的量化方法。

關鍵詞：缺陷；首波波組；波形變異；互相關函數

1. 前言

眾所周知，非金屬超聲檢測可利用聲波穿透信號或反射信號的聲速、波幅、頻率、波形等聲學信息對被檢測介質的物性進行評價。

聲速可由彈性波動理論導出的數學式為依據做出評價依據即：

2.  解釋波形信號變化規律的聲學原理

    滿足聲學邊界條件下的非均勻介質，超聲脈沖信號的接收波形難于給出量化解釋，這是由于超聲波在介質中傳播規律比較復雜引起的。特別是當介質內存在不同聲(波)阻抗界面時，超聲波在介質中將不再是完全直接傳播到達接收點，同時還有不同聲阻抗界面反射后到達接收點的信號。根據疊加定律，這些經不同路徑傳播到達接收點的超聲脈沖信號疊加后，使接收波形不再是 “子波”波形。疊加定律的定義是：振動系統同時受到兩個以上驅動力作用時，所產生的振動為各個力分別作用時的和[1]。

     超聲檢測中，經常發生的有兩種情況：①是振幅、相位不同、頻率相近兩個或多個波的疊加；②振幅、相位不同、頻率相差較遠的兩個波的疊加。圖1、圖2給出連續正弦信號疊加后的干涉波形，它簡單說明了波的疊加干涉現象。實際脈沖波的疊加往往是千變萬化的 

下面將借用疊加定律，通過模型試驗來探討聲波透射接收波形變化的一般規律。

3. 用模型試驗研究超聲透射波形的變化規律

    超聲模型試驗，是研究聲波傳播規律的重要方法。旨在用尺度較小的模型試驗來探討和

    論證工程現場結構混凝土中聲波的傳播規律。模型試驗必須遵守模型試驗相似準則，即模型尺度的縮小和探測頻率的提高是成比例的。

    選用頻率500kHz縱波換能器(輻射面尺度為18mm)，模型尺度定為50mm。可類比現場

    用50kHz換能器在500mm尺度的結構混凝土梁、柱、樁上的檢測。

    模型材質的選擇，選用聲學邊界條件下的均勻介質和非均勻介質兩類。均勻介質采用有

    機玻璃、紫銅、致密的閃長巖、水泥砂漿(經過細篩過的細砂)試塊，非均勻介質采用人工嵌入石子(粒徑10mm左右)的細沙水泥砂漿試塊。

    模型試驗的測試系統采用自制發射電路驅動換能器輻射超聲波，接收采用UT2025C數字示波器接收放大、顯示穿透信號波形。

4. 模型超聲測試的方法及測試結果

    將500kHz超聲換能器與不同材質模型試塊用凡士林耦合。發射電路提供的脈沖電壓約400V送入發射換能器，接收換能器接收到的信號直接送入數字示波器放大顯示接收波形。鑒于關注的是子波和接收到的直達波波組，故試驗結果主要將他們加以顯示，如表1。

表1.  500kHz換能器在相同尺寸不同材質模型的超聲波形穿透波形

7. 結語

    用模型試塊測試研究超聲波穿透信號首波波組波形變化規律尚屬。受條件限制，試驗的內容偏少，但僅此已略見端倪，說明了一些基本規律性問題：

     ⑴ 現場結構混凝土檢測使用50kHz換能器，混凝土可視為均勻介質，凡符合聲學邊界條件下的均勻介質，聲波穿透信號的首波波組波形基本與發射的子波波形相似；

     ⑵ 現場使用的50KHz換能器余振較長，一般有8-10個周期，余振時間長達160-200以上。此時結構混凝土邊界反射波可能落入直達波組的余振部位，形成干擾。在這種情況下，就應當觀察首波波組前4-5個周期是否受到缺陷反射波疊加干涉，故還是可以由波形判斷缺陷是否存在；

    ⑶ 鑒此,有必要研制100KHz短余振換能器，適應梁、柱、板的缺陷檢測，此乃題外話；

    ⑷ 由表1序號5和6的波形對比說明：介質存在缺陷時首波波組波形會變異。本次實驗的模型試塊水泥砂漿是同批次攪拌的，序號6的試塊制作時，在一定位置人為放入粒徑10mm大小的石子數塊來模擬異物，所以這兩塊模型試塊的聲速相同，均為3360m/s。但波形相異甚多，說明缺陷的反射不只一組，圖3對其進行的解釋應是合理的。所以，盡管此次實驗僅此一塊有異物的非均勻試塊，已能夠說明問題。當然，今后在有條件時，進一步實驗證實。

    ⑸ 由上述分析可知，結構混凝土邊界的反射干擾，在了解結構混凝土幾何尺寸和測點位置時，是可以推論排除的；

    ⑹ 介質中缺陷的類型較多，缺陷反射波的相位不盡相同，缺陷所處位置是隨機的，故有缺陷混凝土聲波穿透信號波形是千變萬化的。絕不是以前曾把有缺陷混凝土接收信號首波波組總結成兩到三種類型那么簡單，而且還沒有去和子波對比。

    ⑺ 綜上所述，可以由發射子波S(t)和接收信號的首波波組R(t)的互相關函數，來定量量化接收波形的變異。互相關系數可由S(t)和R(t)的卷積求得互相關函數