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日志

超声极限灵敏度真的是λ/2?

热度 35已有 1374 次阅读2015-10-30 15:14 |个人分类:讨论| 极限灵敏度, 分辨力

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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发表评论 评论 (12 个评论)

回复 dongxuliu123 2015-10-30 23:28
佩服!极限灵敏度远小于极限分辨力!常识上基于脉冲反射法的超声检测,首先是声波要能在反射体(微小缺陷。)上发生反射,至于反射回来又要能被探头接收到的能量(检测灵敏度),实际上考虑到一般探头都有一定的频带宽度(表现在回波波数等),也就是探头回波频谱图一定强度之上的带宽,这个直接决定了不同波长的超声波在待检材料中能量分布,反射回来的能量肯定跟缺陷大小、该能量分布、以及材料的声学特性等因素有关。首先分辨,然后再由实际检测的灵敏度和信噪比。
回复 dongxuliu123 2015-10-30 23:41
“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。”    我个人理解认为,这里讲的是理论上的检测方法,也就是说单一频率的波遇到反射体的传输问题,这里的“灵敏度”跟“检测灵敏度”也不是一个概念,我感觉更像是分辨能力的意思。
回复 luolang1314 2015-10-31 07:00
dongxuliu123: 佩服!极限灵敏度远小于极限分辨力!常识上基于脉冲反射法的超声检测,首先是声波要能在反射体(微小缺陷。)上发生反射,至于反射回来又要能被探头接收到的能量 ...
谢谢评论!
回复 luolang1314 2015-11-2 10:21
这篇文章仅为超声检测及TOFD检测当中,出现“透明的裂纹”现象,并试图解释其原因的一个部分。
笔者试图解释几个问题 1,为什么在TOFD检测当中,存在透明的裂纹现象?
                                2,在普通超声检测当中,超声测长小于射线测长的原因是什么?                                   3,为什么裂纹的波形会分叉?波形分叉能否作为裂纹等面状反射的一个判定依据?
4,超声检测当中,裂纹的宽度对裂纹的检出有什么影响?
5,横向裂纹在屏幕上有显示的条件是什么?
评论往往比日志更精彩的。期待大家的讨论。
回复 糟老头子 2015-11-2 15:39
我认同博主对于极限灵敏度小于λ/2的观点。在www.ndt-ed.org找到这样一句话“A general rule of thumb is that a discontinuity must be larger than one-half the wavelength to stand a reasonable chance of being detected.”个人感觉用来解释半波长和灵敏度之间的关系比较合理。
回复 阿黃 2015-11-2 16:35
我的理解是「極限靈敏度」與「有效靈敏度」是不同的。
1/2波長是指能有效檢測出缺陷來的靈敏度,或者叫可以量度尺寸的靈敏度;
不能定量卻又能發現缺陷(未形成開裂缺陷)的靈敏度則是極限靈敏度。
例1:焊縫熱影響區的反射回波,用4-5MHz橫波斜探頭檢測時提高靈敏度至草狀波出現時可以清楚地看到它們是有反射回波的。
例2:工件長期使用後的應力帶(裂紋開裂前)和冷彎折後的位置也會出現這種反射回波。
這兩種反射回波傳統的超聲檢測儀都是無法準確的測量其尺寸和給予可比較當量。它們是一種應力形成的,高強的應力在材料中形成密度不同的區域(帶),密度不同聲速就不同,聲速不同聲阻抗就不同,聲波穿過時就會產生透過與反射。那麼我們就能用超聲波的「極限靈敏度」把它找出來了。

在役檢測中我常見軸類零件的應力集中處裂紋未形成之前會有這種反射回波,但我無法準確量度出它們應力的大小。
上個月10月19日我參觀了北京理工大學徐春廣教授的NDT實驗室,看到他們研究出「超聲波應力檢測儀」,該儀器不僅僅能檢測出應力的準確位置,還可以分辦出是壓應力和拉應力,同時給出應力的大小數值是否超出屈服強度。
更令我感到驚訝是他們還有一套超聲波應力消除儀,也就是說發現應力後只要不超出屈服強度再用超聲波把它消除掉,恢復到正常狀態,裂紋還沒有形成之前就解決了,真正的消滅在萌芽之中。
我們傳統的NDT一定要在開裂之後並且要達到某個尺寸(1/2波長)才能有效(定量)發現。
有了這兩樣儀器太令我感到振奮了,我們可以在大量的在役設備中大有作為了。
例如:鋼結構的橋樑、火車路軌、集裝箱碼頭的重型機械、鋼結構大廈、電廠、化工、各類型的輸送管道等等都可以應用。
回复 luolang1314 2015-11-2 17:57
阿黃: 我的理解是「極限靈敏度」與「有效靈敏度」是不同的。
1/2波長是指能有效檢測出缺陷來的靈敏度,或者叫可以量度尺寸的靈敏度;
不能定量卻又能發現缺陷(未形成開 ...
谢谢阿黄的专业评论。
我觉得你识别焊缝热影响区的反射回波,并利用它作为扫查灵敏度是否合适的一种评价非常棒。
因为,一旦对噪声或非缺陷回波(热影响区回波)作为研究对象的话,会拓展普通超声检测的应用范围。
我之前是做超声应力测试实验研究的。目前在单轴应力测试方面,特别是螺栓应力测试还是有比较好的应用。超声消除应力也不是什么新的技术,以前我导师就拥有这种专利技术。但目前超声应力测试还有很多局限性。相对磁测应力应用效果来说,还没有走出实验室的范畴。而且测试的精度还达不到工业应用的水平。由于材料的组织效应和应力的声弹性效应在同一个水平,目前还无法很好的分离。材料的失效一般为表面应力,我们当年所测试的还是纵波或纯横波测内应力或体应力,经过这几年的发展,可能该技术有一定突破。但温度、耦合对应力测试的影响较大,仍然局限其应用。有一种可能,是表面波测应力,或许它能够像应力集中磁检测仪一样在工业应用当中取得成效。
总之,除螺栓的应力测试(单轴)基本能达到较好的精度外,其它的超声应力测试还太复杂了。
材料的噪声以及异种组织回波,反应的是材料的微观性能(晶粒大小等),从微观到宏观,从um到mm它是有联系的。超声应力测试,更多关注的是应力与声速变化之间的联系。虽然有一些从频谱、时域、频域方面的研究,但不想磁应力测试那么简单。不化繁为简,终究难以应用。不化简为繁,又很难深入。这也是我写这个帖子的意思,希望引起广泛的讨论。
再次感谢您的回复。另外,火车路轨应力测试,也有一些应用研究。对于平面应力、三维应力,还没有足够的研究。而且在岩石、地震方面的研究成果,也没有吸收到金属应力测试上面来。
回复 阿黃 2015-11-3 01:21
任何一個新技術都是要經過反反复复試驗才能遂步成功的,面對新生技術我們一定要給予支持和耐心的等待。
回复 jkyn 2015-11-7 22:29
阿黃: 任何一個新技術都是要經過反反复复試驗才能遂步成功的,面對新生技術我們一定要給予支持和耐心的等待。
黄老师您能不能贴一些关于所说热影响区回波和应力带(裂纹开裂前)的波形图,学习下。
回复 阿黃 2015-11-11 08:41
可以的。
您自己也可以做到。
方法是找一個沒有缺陷的平板焊縫,將焊縫上下表面都打磨平,再用一個8x9mm、4-5MHz 橫波斜探頭 (60度),掃描焊縫遂步提高靈敏度(70dB以上)對著焊縫時出現一群反射回波80%FSH,而在板材上同樣聲程是沒有任何反射回波。合金材料效果更明顯。
回复 ccbq 2015-11-12 09:33
这个问题感觉该从衍射理论着手。
回复 luolang1314 2015-11-23 19:54
根据不同国家探头制作水平的经验公式,我大概算了一下,我国探头杂波水平比美国探头杂波水平要高5dB左右,比德国探头杂波水平要高9dB左右。与宝钛集团马小怀2006年一篇钛合金超声检测中杂波产生原因分析一文当中,惊人的吻合。巧合吗?
那是2006年的实验。不知道现在的制作水平相差多少了?

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