黃銅桿端面超聲反射波頻譜
為了采用頻譜分析方法對(duì)金屬構(gòu)件中存在的缺陷進(jìn)行表征，需要建立缺陷的大小、空間取向與超聲波頻譜之間的相互關(guān)系，進(jìn)而發(fā)展出一種缺陷定量檢測(cè)模型。為此，許多科學(xué)家針對(duì)該問題進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。鑒于水和金屬反射體之間的聲阻抗差非常大，與固體同其內(nèi)部的不連續(xù)性之間的聲阻抗差具有可比性，Whaley和Adler[4]采用單探頭水浸脈沖反射檢測(cè)方式對(duì)浸入水中的黃銅桿端面反射波進(jìn)行了研究，得出了反射波頻譜形狀與水程、桿的直徑以及桿端面與探頭表面之間夾角的關(guān)系。
研究采用了一套精確，實(shí)用的超聲檢測(cè)及寬頻帶信號(hào)頻譜分析系統(tǒng)。反射信號(hào)來自具有平整，光滑端面的黃銅桿末端。探頭標(biāo)稱頻率為2.25MHz，直徑為19mm(0. 75in)，產(chǎn)生的頻譜范圍為0.5 ~4.0MHz。桿的直徑變化范圍為0.78 ~ 7. 1mm(0.031~0.28lin)。水程分別為152.4~51mm(6~2in)。其中，152.4mm(6in)的水程接近近場(chǎng)長(zhǎng)度的極限，51mm(2in)的水程在近場(chǎng)范圍之內(nèi)。圖6-3給出了測(cè)量直徑為d且與探頭表面成θ夾角放置的黃銅桿端面反射波頻譜的幾何布置示意圖。
1.遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)黃銅桿直徑、方位對(duì)頻譜的影響
圖6-4為超聲波入射到直徑為7.1mm(0.28lin)，水程為152.4mm(6in)的黃銅桿上時(shí)，頻譜隨入射角的變化情況。觀察發(fā)現(xiàn)，隨著入射角θ的增大，主頻率向低頻方向移動(dòng)且發(fā)生分離一。隨著入射角的增大，頻譜出現(xiàn)多個(gè)主頻率，甚至完全分離。另外，對(duì)于垂直入射(θ=0°)的情況，研究發(fā)現(xiàn)，不同直徑的黃銅桿端面反射波的頻譜是相同的，都等同于超聲波垂直入射到152.4mm(6in)大平板上時(shí)的反射波頻譜。
圖6-5所示為超聲波入射到直徑為1.6mm(0.063in)，水程為152.4mm(6in)的黃銅桿上時(shí)，頻譜隨入射角的變化情況。與大尺寸反射體相比，此時(shí)的譜線要平滑得多。這種頻譜隨入射波角度和反射體尺寸變化而變化的現(xiàn)象，可以用頻率和角度對(duì)圓形散射體標(biāo)量波衍射的依從性來解釋。
2.近場(chǎng)區(qū)黃銅桿直徑對(duì)頻譜的影響
在本研究所涉及的反射體尺寸和超聲波頻率范圍內(nèi)，在探頭的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，當(dāng)超聲波垂直入射到反射體上時(shí)，頻譜的形狀和主頻的出現(xiàn)位置與反射體的大小和形狀無關(guān)。當(dāng)反射體的尺寸較小時(shí)，只有入射角較大時(shí)頻譜圖上才會(huì)出現(xiàn)多個(gè)主頻率。反射體的尺寸和空間取向會(huì)對(duì)脈沖回波主頻率的分布產(chǎn)生影響，該特性為提取缺陷特征信息提供了可能。
采用與前述相同的試驗(yàn)方法和探頭，在近場(chǎng)區(qū)51mm(2in)水程處對(duì)端面磨平的圓柱形黃銅桿進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頻譜對(duì)探頭和反射體之間位置的敏感程度顯著增大。頻譜的形狀隨探頭水平和垂直位置的變化而變化，變化的程度比大水程（遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)）檢測(cè)時(shí)大得多。
另外，與152.4mm(6in)或者更大水程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，當(dāng)水程為51mm(2in)，超聲波垂直入射到反射體的中心時(shí)，頻譜的形狀隨反射體尺寸的變化而變化。圖6-6所示為超聲波垂直入射至不同直徑反射桿端面時(shí)的反射波頻譜圖?？梢宰⒁獾?，隨著反射體尺寸的不同，頻譜形狀發(fā)生了規(guī)律性變化。
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