粗晶材料信噪比的思考

热度 28已有 1556 次阅读2013-5-29 12:02 | 信噪比, 粗晶材料, 斜射纵波

  从刘恩凯的日志当中,第一次关注ASME规定横波斜探头对信号噪声比有3:1的说法,个人觉得ASME对信噪比有要求是非常必要的。不知道ASME当中斜射纵波探头有没有类似信号噪声比的相关要求?信噪比如何得到?相关规范及测试方法是否统一呢?
  从梁老的日志当中,同样关注这个问题。带着这个问题,重新整理以前在做奥氏体不锈钢超声检测时做的一些基础实验。以前也同样遇到过这么一个问题。
现针对信噪比进行文献搜索及整理,并谈谈我的一些认识。
  之前的一些小实验:纵波斜射双晶针对奥氏体不锈钢焊缝进行检测时发现,射频模式下缺陷噪声比较低,约为20 log(66/52.5)=2dB;全检波模式下,其它参数不变,对应的缺陷噪声比为20 log (46.1/11.25)=12.25dB,同一缺陷处横波单晶斜探头(K1)缺陷噪声比为9.54dB。
同时全检波模式下,纵波斜射双晶探头能发现较弱自然裂纹的缺陷噪声比为20 log(40.3/24.8)=4.21dB,相应的横波缺陷噪声比3.41dB,与噪声难以区分开,容易漏检;推测纵波极限缺陷噪声比为2dB,横波缺陷噪声比约为4dB。(注:此次检测的试块为N08810自然裂纹试块。该试块来之不易,为实际焊接模拟试块。经历过各种检测,采用X射线机25分钟曝光检测发现三处裂纹,一处非常细微;采用源及加速器检测只发现两处大裂纹,第三处细微裂纹无法检出;采用普通横波探头发现两处疑似裂纹信号,用CSK-3A试块DAC曲线确定灵敏度,信号为评定线附近,用自制N08810试块fai 2*30 DAC曲线确定灵敏度,信号为刚过定量线,第三处细微裂纹无法检出;对超声检测最严重处切割,宏观检测肉眼即可发现明显裂纹,裂纹自身高度5mm左右,实际图片见我的相册,采用纵波斜探头检测发现剩下两处裂纹,其中细微裂纹可检出;TOFD检测未发现相关缺陷,可能不适用。目前试块被焊接试验室保管,可以借用,但不得拿走。如有机会用相控阵进行检测,检测方法就基本全了)
  查阅国内超声教材《超声检测》郑晖2008版,信噪比有明确规定和测试方法。
一般以200mm声程处fai 1 mm平底孔反射回波H信与噪声杂波H噪之间的分贝差来表示信噪比的大小
即 det=20 log(H信/H噪)。
但是没有规定信噪比达到多少符合相关要求,以及对影响信噪比的因素进行分析。仅仅说明了测试方法而已。另据2001年《奥氏体不锈钢超声检测规程》当中指出信噪比大于20dB,不知道什么原因,4730-2005附录没有将其引入。个人觉得,可能这个要求较高,当时采用普通制作工艺的探头无法达到该信噪比要求。
根据一篇文献《对钛合金超声检测中杂波水平要求的剖析》夏纪真老师的一篇研究文章,进行仔细阅读后,觉得和我之前的观点“杂波有因,噪声可用”不谋而合。
 要研究信噪比不能不研究杂波水平。
文中提出当时评定杂波水平的标准方法,仅在美国军用标准中曾规定以相同金属声程平底孔当量进行标示。这和超声教材关于信噪比的规定有着渊源关系吧?
因对奥氏体不锈钢焊缝超声检测进行实际检验和TOFD检测研究,对于信噪比有了新的要求和认识。
国标奥氏体不锈钢检测(4730附录N)当中明确提出可检条件母材DAC和焊缝DAC其间距小于10dB,言下之意对于大于10dB不可检?
俄罗斯相关规范规定有两条:信噪比,即参考反射体比相应检测范围内的最大组织结构噪声至少要高6dB;对纵波斜探头来说,超声波束角度改变应小于5°,以免定位偏差大。
我的一点思考:
1,首先解决粗晶材料杂波水平(噪声)评价方法的问题。对于奥氏体不锈钢、钛合金等粗晶材料,极需要关注杂波水平的相关研究。
2,信噪比的定义及规范测量方法。需要标准支持。
3,因我自己没有相关试块,采用自然缺陷或固定深孔反射体回波与噪声的比值进行研究,需要相关的实验支持。
对于提高信噪比的方法,有文献指出两个办法,第一是研究更合适的探头;第二提高对信号处理方法(小波变换等)。
关注粗晶材料的信噪比,刻不容缓。
因为很多奥氏体不锈钢焊缝其实可以和普通碳钢一样做超声检测的。如笔者实际检测当中的304、316等材料的焊缝,并且普通横波检测效果较好,纵波检测效果更好,TOFD检测效果良好。
粗晶材料的UT 纵波双斜探头检测效果非常明显。N08810 TOFD检测信噪比似乎不如普通横波检测、双晶纵波检测,值得经一步研究。
补充一下:ASME横波检测信噪比换算一下,大概为9.54dB;俄罗斯奥氏体不锈钢检测规范信噪比6dB的要求,比较合理,而N08810自然缺陷纵波缺陷噪声比远远低于6dB的要求,可能为自然缺陷和人工反射体回波特征不同,自然缺陷更具说服力,但实际当中不容易模拟自然缺陷;国标对奥氏体不锈钢焊缝两条曲线分贝差是否为间接信噪比要求?值得研究和进一步规范。

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发表评论 评论 (19 个评论)

回复 梁金昆 2013-5-29 16:16
以下信息供参考:
ASME SA—609/SA—609—M《碳钢、低合金钢和马氏体不锈钢铸件超声检验标准操作方法》第4.2.1有这样叙述:探头,纵波,“探测铸件时的信噪比,采用频率范围应为1—5MHz,背景噪声不超过DAC的25%,应在标称频率下选换能器。”
ASME SA—745/745-M 《奥氏体钢锻件超声检验的标准操作方法》在“8 检验频率” 部分,强调了穿透性和分辨力,未有信噪比的要求。
回复 梁金昆 2013-5-29 16:38
噪声或杂波,以及信噪比,均应该有定义。教材,NDT人员,应有标准的概念,使用术语,先找标准有没有定义;如果没有定义,仅是自己的理解,应申明这只是定义式的叙述,不是标准定义,养成不信口开河的好习惯。没有标准定义的术语,只能认为是习惯用语。这就有两方面的问题:第一,标准术语覆盖面要全;第二,教材,文章,尽量不用习惯用语。
GB/T27664.3第3.4.3有信噪比测试方法,但我以为该标准所谓的“噪声” ,仅是探头杂波---探头/空气界面回波,而不包括受检件金属组织---晶粒的回波。
回复 luolang1314 2013-5-29 18:26
赞同梁老的观点!信噪比的测试方法应该将金属材料的本体噪声体现出来。如果是奥氏体不锈钢焊缝检测,至少需要某一声程处母材上人工反射体与噪声的信噪比,焊缝上某一声程人工反射体与噪声的信噪比。对信噪比的要求,后者更有说服力。同时根据超声检测教材怀疑其为直探头信噪比测试方法,没有斜探头信噪比测试方法及试块。
标准术语不能一带而过,重要的术语应规范其定义及使用。许多基本概念,非常重要,但是大多停留于翻译借用阶段,没有自己的研究支撑。不仅文字上的规范,还是基础实验支持,都略显苍白。
回复 wjjxuey 2013-5-30 11:00
我先前在论坛里也提出了双相不锈钢的超声检测,但当时没有更详细的回复。据实验也发现了斜射纵波在中薄板的焊缝中信噪比不如横波的问题。
关于标准中目前涉及的信噪比,的确只是测试试块与仪器的直射纵波检测系统的反映。个人以为,信噪比应为实际应用的检测系统,包含探头,仪器,待检之工件及耦合状况之反映,如果不与实际的工件关联,那这个信噪比的概念仅仅只是纸上谈兵无实际意义。
关于国内无损检测标准更新,感觉一样,走入了一个怪圈,似乎变个名字,翻译一下,等同采用或等效采用,没有自己的消化吸收。希望同4730一样,有个标准释义,说明修订的原因,国内的实际情况等,这样就非常好。我看了4730磁粉修订的说明,是湖南特检周志伟主编的吧,感觉收获非常大。
回复 luolang1314 2013-5-30 14:35
谢谢你的评论!你用的是纵波双晶斜探头吗?如果是双晶斜探头的话,在薄板当中,因近场区影响,可能信噪比不高。
有标准释义当然更好一些。至少针对一些问题能解释一下。
回复 luolang1314 2013-5-30 21:46
就是在一个自然裂纹试块上直接测定的。试块是拍片后发现典型裂纹。然后做超声检测。主要是测定缺陷信号和缺陷声程前后噪声信号的比值。通过实测得到的。之所以不叫信噪比,也就是没有信噪比测试试块,采用自然缺陷和相邻声程噪声的比值进行分析
回复 wjjxuey 2013-5-31 09:29
luolang1314: 谢谢你的评论!你用的是纵波双晶斜探头吗?如果是双晶斜探头的话,在薄板当中,因近场区影响,可能信噪比不高。
有标准释义当然更好一些。至少针对一些问题能解 ...
是的,纵波双晶斜探头
回复 梁金昆 2013-6-1 19:18
是的,如wjjxuey先生所言,在国内标准体系中,我也比较欣赏JB/T4730。尽管它还有这样那样的问题,但它 有《学习指南》,有问答,有标准对比,充分体现了我们的学习消化过程。我欣赏它,是编制它的人们,不是-翻译了之,不生吞活剥。
回复 luolang1314 2013-6-2 07:18
个人觉得,还是俄罗斯奥氏体不锈钢检测规范规定的6dB比较切实可行。即利用焊缝对比试块上最大声程的反射体信号(某一基准灵敏度下)和其声程相邻区域(正负一个波长)的噪声比值来确定是否可检,比较合理。如果有条件,可以在对比试块焊缝中心设置不同深度的孔,以焊缝上的最深孔信号与噪声比值确定可检性,更接近真实情况。
至于两条曲线的dB差,采用画图的方法比较,可能不好。将母材DAC曲线制作完成后,与声束穿过焊缝重新制作的DAC曲线进行比较,意义并不是很大。
我采用将母材DAC 制作完成过后,固定基准灵敏度,对焊缝上三个深孔进行实际测试,标出焊缝三个点和母材DAC的差距,除了36mm的孔与母材DAC曲线较为接近,其它的两个孔的反射回波与母线相差超过10dB了。这一块需要进一步规范。PS:定制奥氏体不锈钢焊缝对比试块是自行设计的,将CSK-1A试块和对比试块基本合二为一,试块厚72mm,宽60母材上设置10,30,50三个fai 2*40孔;焊缝中心设置1/4T,1/2T,3/4T三个fai 2*40孔
回复 丁伟臣 2013-6-3 16:24
电子噪声、材料噪声及S/N要求在EN标准中有明确要求,根据检测对象不同的标准采用不同的值,但至少6分贝。
回复 luolang1314 2013-6-4 08:30
丁伟臣: 电子噪声、材料噪声及S/N要求在EN标准中有明确要求,根据检测对象不同的标准采用不同的值,但至少6分贝。
丁工,EN标准对杂波(电子噪声、材料噪声等)水平有规定吗?在实际检测当中,个人觉得铁素体碳钢杂波水平低于屏高5%较为合适;对于奥氏体不锈钢,杂波最大不宜超过屏高20%或实际检测时评定线。有坛友认为,奥氏体补偿不宜太高一般和碳钢材料类似4dB,但实际检测当中,N08810材料我采用8dB耦合补偿,使得三条线处于屏幕合适水平,同时使扫查灵敏度适当增大,便于发现缺陷信号。但噪声水平无疑相应增加。主要是采用国标评定线参考线-18dB设置太低,不像ASMEDAC20%(-14dB)。EN当中对此是否有明确的规范呢?有两个疑问,提高扫查灵敏度(数字机直接提高增益)信噪比会变化吗?杂波水平会增加,反射体波高同样增加,两者增加的幅度一致吗?(个人觉得不一致,实测发现反射体回波增加要快;同时发现高级数字机增益存在非线性现象,40dB以下增量线性较好,40dB以上增量线性也较好,40dB附近存在增量畸变,且始波宽度及回波发生明显变化)附录N规定扫查灵敏度应不低于评定线灵敏度度。如果信噪比允许,应再提高6dB.如何理解及操作?
回复 丁伟臣 2013-6-4 08:34
luolang1314: 丁工,EN标准对杂波(电子噪声、材料噪声等)水平有规定吗?在实际检测当中,个人觉得铁素体碳钢杂波水平低于屏高5%较为合适;对于奥氏体不锈钢,杂波最大不宜超 ...
是的,在我们的2级培训课程中,十分注重S/N的要求和可检性。
回复 roblues 2013-7-24 18:01
作者,你好!
拜读文章,发现你造诣确实很深。但是看到你文章中有这样的描述。
“纵波斜射双晶针对奥氏体不锈钢焊缝进行检测时发现,射频模式下缺陷噪声比较低,约为20 log(66/52.5)=2dB;全检波模式下,其它参数不变,对应的缺陷噪声比为20 log (46.1/11.25)=12.25dB,同一缺陷处横波单晶斜探头(K1)缺陷噪声比为9.54dB。”
   我不能理解。
   你提到,同样的信号,在射频模式和全检波模式下,信噪比差了将近10dB。
   我想说的是,如果都是数字仪器的话。射频模式和全检波模式下,只是信号数据的显示方式不同,射频是把探头接收到信号按其正半波,负半波原原本本展现,而全波是不负半波取反,与正半波一起展现。不应该存在如此大的差距。
    欢迎探讨,辩论明理。
回复 luolang1314 2013-7-24 21:41
射频模式基本上保持了信号的原样。全检波模式不仅仅按其正半波展现,而且在水平压缩情况下,对正半波、负半波进行了加强,如频谱当中的分量加强原理一样。有条件,你可以在高级数字机上调试,观察验证!
回复 roblues 2013-7-25 20:44
你说的对正半波、负半波加强可有依据?
频谱分量的加强原理,我其实不懂。
什么等级的数字机为高级机?我在sonic1200S和汕超的1008仪器上没有发现射频和全波波高有什么不同。
为什么会有水平压缩?出于什么需要?
根据我对计算机概念的理解,或者说我要来写UT内部的程序。我将会这么处理。
采集到的信号-时间序列,我看成是一个数组,我可以把它显示在屏幕上,也可以求它子数组中的最大值(这就是闸门读取的波峰)。屏幕显示失真可能是分辨率不够,但是不影响后台我用原始数组求其波峰。
声波的正炫信号也是离散化成几个数值来表示的。
你可以在高级数字机上把单个回波放到到可以观察正余弦形状的大小来验证。

上述我对信号程序化处理的理解,应该不是问题。你也可以找UT数字仪器厂家的开发人员求证一下。
回复 luolang1314 2013-7-25 21:43
高级数字机其实就是带射频、全检波,负检波功能,且一些参数如脉冲宽度、重复频率单独可调的数字机。
射频波一般比较宽,将其更换为全检波、正检波、负检波,如果声程不变的情况下,的确如你所说,只是将射频波的某一部分显示在屏幕上。但是超声检测一般为全检波模式,一般会将始波至一次底波或二次底波显示在视窗当中,而且其关注对象不像射频波的回波细节(全检波模式为了方便检测人员观察波形以及判定缺陷,会关注从始波至底波这一段信号),要观察全声程信号情况,必然进行水平压缩。同时,全检波模式的底波信号或反射体信号大多较尖锐,将其水平展开会发现其由很多较低检波信号组成。一旦水平压缩,这些检波信号就合成一个尖锐回波。
这种加强实际是只是视觉上的加强?它的原理是什么?期待仪器方面的专家讲解!
只要带射频功能的数字机都能清晰观察到上述现象。如果你有计算机的基础,还可以通过编程模拟实现这个变化。
回复 roblues 2013-7-27 06:44
好!
“同时,全检波模式的底波信号或反射体信号大多较尖锐,将其水平展开会发现其由很多较低检波信号组成。一旦水平压缩,这些检波信号就合成一个尖锐回波。”
这个水平压缩只是把后台数据送到显示器上,由于显示器分辨率有限的问题,并不能完全显示真实情况,这时仪器显示的闸门内信号的波高、声程、水平和深度是在后台数据基础上求出来的,不受这个失真的影响。
我可以非常肯定:这种加强(其实不叫加强,叫显示失真)就是视觉上的。如果仪器开发者这么写这个逻辑的话,他不称职,要被责骂了。
我平时做实验观察,都是局部放大到单个信号(射频的、正半波、负半波、全波的)。这样便于观察细节。
其实很好验证:在观察一个目标信号,显示器局部放大到该目标信号,其他不变,仅在上面几个显示方式中切换,你就会发现其规律了。你看看闸门套住的波怎么变化。
还有一个验证方式,用闸门套住某个峰值,然后调节显示范围,其他不变,看看闸门内的读数会不会变化。
回复 luolang1314 2013-10-28 10:52
roblues: 好!
“同时,全检波模式的底波信号或反射体信号大多较尖锐,将其水平展开会发现其由很多较低检波信号组成。一旦水平压缩,这些检波信号就合成一个尖锐回波。”
...
近期做了个小实验,分别在射频、全检波模式下水平压缩,观察回波波高变化,用闸门对回波波高进行监测,发现射频模式下,存在水平压缩,回波加强--显示失真现象。对检测波形水平压缩不仅回波形态发生失真,幅值也随着发生变化;开发者并没有在在后台数据上求出来的,受波形失真影响,所以射频模式下,定时定量均需要考虑采用合适的水平压缩水平或者不压缩。
在全检波模式下,波形失真幅值影响并不大。
实际检测当中,射频信号分析应注意波形失真对定位、定量均有影响,值得大家注意!
另外,上述实验是在国产检测仪器上测试形成的结论,国外机器是否同样如此,未做实验。
回复 roblues 2014-1-20 12:32
我没有亲眼看见你是实验,是不是问题,有没有问题,我不敢评价。
但是有几个可能因素,可以供你参考,并可能解释你的疑问。
1,闸门在三种模式下的取值。射频模式,根据闸门位置,在中间线的上方是取正半波,在中间线下方取的是负半波。全波模式,取的是闸门下所有波(包括正负)的最大值,差不多可以理解为波的绝对值的最大值。半波模式好理解。就是这部分波里面闸门区域内的值的最大值。(严谨地说,取值涉及取的是前沿值还是峰值,一般都是峰值)。
2,关于仪器后台数据的处理,建议你去跟仪器开发厂商的开发人员探讨以加深了解,汕头的我熟,可以帮你介绍一下。我的说法,是根据我的专业知识背景来作出的,并且与仪器开发人员求证过。我学的是金属材料,搞的是无损检测方向,计算机方面颇有研究,持有国家软件高级程序员证书(2000年通过,社会性考试,当年通过率14%左右,参加者包括一些大学计算机专业的研究生,许多企业里面以考代评直接认定为工程师)。

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