黃銅桿端面超聲反射波頻譜

為了采用頻譜分析方法對金屬構件中存在的缺陷進行表征，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系，進而發展出一種缺陷定量檢測模型。為此，許多科學家針對該問題進行了大量實驗研究。鑒于水和金屬反射體之間的聲阻抗差非常大，與固體同其內部的不連續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方式對浸入水中的黃銅桿端面反射波進行了研究，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系。

研究采用了一套精確，實用的超聲檢測及寬頻帶信號頻譜分析系統。反射信號來自具有平整，光滑端面的黃銅桿末端。探頭標稱頻率為2.25MHz，直徑為19mm(0. 75in)，產生的頻譜范圍為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)的水程接近近場長度的極限，51mm(2in)的水程在近場范圍之內。圖6-3給出了測量直徑為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.遠場區黃銅桿直徑、方位對頻譜的影響

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，頻譜隨入射角的變化情況。觀察發現，隨著入射角θ的增大，主頻率向低頻方向移動且發生分離一。隨著入射角的增大，頻譜出現多個主頻率，甚至完全分離。另外，對于垂直入射(θ=0°)的情況，研究發現，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，頻譜隨入射角的變化情況。與大尺寸反射體相比，此時的譜線要平滑得多。這種頻譜隨入射波角度和反射體尺寸變化而變化的現象，可以用頻率和角度對圓形散射體標量波衍射的依從性來解釋。

2.近場區黃銅桿直徑對頻譜的影響

在本研究所涉及的反射體尺寸和超聲波頻率范圍內，在探頭的遠場區，當超聲波垂直入射到反射體上時，頻譜的形狀和主頻的出現位置與反射體的大小和形狀無關。當反射體的尺寸較小時，只有入射角較大時頻譜圖上才會出現多個主頻率。反射體的尺寸和空間取向會對脈沖回波主頻率的分布產生影響，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方法和探頭，在近場區51mm(2in)水程處對端面磨平的圓柱形黃銅桿進行了測試。結果發現，頻譜對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（遠場區）檢測時大得多。

另外，與152.4mm(6in)或者更大水程的實驗結果不同，當水程為51mm(2in)，超聲波垂直入射到反射體的中心時，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的反射波頻譜圖。可以注意到，隨著反射體尺寸的不同，頻譜形狀發生了規律性變化。

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