对声波检测穿透信号波形变化规律和量化的探讨

摘要：超声检测应用声学信息声时、波幅、频率、波形判断被测介质的物性。前三个信息均有定量或半定量数学表达式为依据，波形还无法有定量解释。为寻求波形的变化规律，采用模型试块进行试验，试验结果证实：符合声学边界条件的均匀介质，接收信号的波形基本与发射的子波具有相似性，介质中存在异物（缺陷）接收信号发生变异，可由斯奈尔定律、叠加定律作出解释，总结出一定规律，提出定量的量化方法。

关键词：缺陷；首波波组；波形变异；互相关函数

1. 前言

众所周知，非金属超声检测可利用声波穿透信号或反射信号的声速、波幅、频率、波形等声学信息对被检测介质的物性进行评价。

声速可由弹性波动理论导出的数学式为依据做出评价依据即：

2.  解释波形信号变化规律的声学原理

    满足声学边界条件下的非均匀介质，超声脉冲信号的接收波形难于给出量化解释，这是由于超声波在介质中传播规律比较复杂引起的。特别是当介质内存在不同声(波)阻抗界面时，超声波在介质中将不再是完全直接传播到达接收点，同时还有不同声阻抗界面反射后到达接收点的信号。根据叠加定律，这些经不同路径传播到达接收点的超声脉冲信号叠加后，使接收波形不再是 “子波”波形。叠加定律的定义是：振动系统同时受到两个以上驱动力作用时，所产生的振动为各个力分别作用时的和[1]。

     超声检测中，经常发生的有两种情况：①是振幅、相位不同、频率相近两个或多个波的叠加；②振幅、相位不同、频率相差较远的两个波的叠加。图1、图2给出连续正弦信号叠加后的干涉波形，它简单说明了波的叠加干涉现象。实际脉冲波的叠加往往是千变万化的 

下面将借用叠加定律，通过模型试验来探讨声波透射接收波形变化的一般规律。

3. 用模型试验研究超声透射波形的变化规律

    超声模型试验，是研究声波传播规律的重要方法。旨在用尺度较小的模型试验来探讨和

    论证工程现场结构混凝土中声波的传播规律。模型试验必须遵守模型试验相似准则，即模型尺度的缩小和探测频率的提高是成比例的。

    选用频率500kHz纵波换能器(辐射面尺度为18mm)，模型尺度定为50mm。可类比现场

    用50kHz换能器在500mm尺度的结构混凝土梁、柱、桩上的检测。

    模型材质的选择，选用声学边界条件下的均匀介质和非均匀介质两类。均匀介质采用有

    机玻璃、紫铜、致密的闪长岩、水泥砂浆(经过细筛过的细砂)试块，非均匀介质采用人工嵌入石子(粒径10mm左右)的细沙水泥砂浆试块。

    模型试验的测试系统采用自制发射电路驱动换能器辐射超声波，接收采用UT2025C数字示波器接收放大、显示穿透信号波形。

4. 模型超声测试的方法及测试结果

    将500kHz超声换能器与不同材质模型试块用凡士林耦合。发射电路提供的脉冲电压约400V送入发射换能器，接收换能器接收到的信号直接送入数字示波器放大显示接收波形。鉴于关注的是子波和接收到的直达波波组，故试验结果主要将他们加以显示，如表1。

表1.  500kHz换能器在相同尺寸不同材质模型的超声波形穿透波形

7. 结语

    用模型试块测试研究超声波穿透信号首波波组波形变化规律尚属。受条件限制，试验的内容偏少，但仅此已略见端倪，说明了一些基本规律性问题：

     ⑴ 现场结构混凝土检测使用50kHz换能器，混凝土可视为均匀介质，凡符合声学边界条件下的均匀介质，声波穿透信号的首波波组波形基本与发射的子波波形相似；

     ⑵ 现场使用的50KHz换能器余振较长，一般有8-10个周期，余振时间长达160-200以上。此时结构混凝土边界反射波可能落入直达波组的余振部位，形成干扰。在这种情况下，就应当观察首波波组前4-5个周期是否受到缺陷反射波叠加干涉，故还是可以由波形判断缺陷是否存在；

    ⑶ 鉴此,有必要研制100KHz短余振换能器，适应梁、柱、板的缺陷检测，此乃题外话；

    ⑷ 由表1序号5和6的波形对比说明：介质存在缺陷时首波波组波形会变异。本次实验的模型试块水泥砂浆是同批次搅拌的，序号6的试块制作时，在一定位置人为放入粒径10mm大小的石子数块来模拟异物，所以这两块模型试块的声速相同，均为3360m/s。但波形相异甚多，说明缺陷的反射不只一组，图3对其进行的解释应是合理的。所以，尽管此次实验仅此一块有异物的非均匀试块，已能够说明问题。当然，今后在有条件时，进一步实验证实。

    ⑸ 由上述分析可知，结构混凝土边界的反射干扰，在了解结构混凝土几何尺寸和测点位置时，是可以推论排除的；

    ⑹ 介质中缺陷的类型较多，缺陷反射波的相位不尽相同，缺陷所处位置是随机的，故有缺陷混凝土声波穿透信号波形是千变万化的。绝不是以前曾把有缺陷混凝土接收信号首波波组总结成两到三种类型那么简单，而且还没有去和子波对比。

    ⑺ 综上所述，可以由发射子波S(t)和接收信号的首波波组R(t)的互相关函数，来定量量化接收波形的变异。互相关系数可由S(t)和R(t)的卷积求得互相关函数