avg曲线信息的分析

avg曲线信息的分析

1.2波高和平底孔直径和距离的关系avg曲线是通过使用衰减为0的材料来测量的。它通常被简化为近距离测量和距离计算。已经被证实:对于足够远距离时,通过理论计算得到的波高和平底孔直径及距离的关系和实际测量的数据是相符合的。这里所说的足够远的距离对于应用活塞波理论通常为3N(或更近)。例如:日本人木村提出,对大平底距离>0.1N,平底孔距离>0.74N可以计算得出与实际相符的结果。探头所附带的AVG曲线介绍中提及:已经验证了所提供的AVG曲线的数据是精确的,并可以很好地复现。因此可以认为曲线中的数据,包括近场和远场都应与实际测量的数据相同。2反射体声压和平均声压超声波检测的声压包括:探头接收的平均声压、反射体的平均声压、中心轴线及附近的声压,这些声压具有不同的意义。对于收发式脉冲探头,AVG曲线反映的是反射体(通常为平底孔和大平底)返回到探头接收的平均声压产生的波高,这个声压不是反射体声程处的平均声压。反射体的反射声压与探头接收的声压都是平均声压,一定条件下,两者存在线性关系。远场中,大平底反射平均声压等于2倍探头接收的平均声压。反射体处的平均声压与中心轴线上的声压也有相似的地方。在一定条件下,计算时可以用中心声压代表平均声压。这个过程中是存在限定条件的,不同的限定条件下产生的误差是不同的。例如:平底孔声压简化计算的应用条件为x≥3N,d≤0.4λx/D。3avg曲线的数据分析通过特定的数据分析,根据归一化的方法进行延伸(A=S/NG=φ/D)。常用的B2SN的AVG曲线见图1。3.1中间区域长度和非扩散区域长度3.1.1轴线声压随着平底孔的直径改变,探头接收的平均声压最大值不在同一声程处,孔径越小,平均声压越接近轴线声压。因近场长度就是理论中轴线上最后1个声压最大值的距离,所以不用计算就可以直接根据AVG曲线中最小孔径平底孔回波最高点时的距离分析出比较准确的近场长度。3.1.2反射回接头的能量大平底反射回波在一定声程底波高度基本不变。从AVG曲线中看出,10mm～80mm范围内波高相差约2dB。B2SN探头近场约为48mm,直径24mm,按小孔衍射计算方法,得知在80mm处为该探头的第1零辐射角(艾里斑),因此10mm处的能量到80mm的能量分别为1、0.84倍左右。当按此方式反射回探头,大平底在距离80mm回波应比10mm降低1.5dB(10lg0.84+10lg0.84=-1.5)。通过上面说明未扩散区应为曲线下降1.5dB的距离,当然也可以利用未扩散区长度是近场长度的1.6(或1.64)倍直接推出。3.2反射体直径和高度对于平底孔在球面波声源的规律为孔径增加1倍,回波高度增加12dB和距离增加1倍回波高度降低12dB。曲线中可以看到这个区域不是固定的3N或6N,而是和反射体直径有关。反射体越小适用距离越近。3.2.1艾里斑音压的形态平底孔直径(单位:mm)∅2到∅1的在65mm符合,∅3到∅1.5和∅4到∅2距离大约100mm,∅6到∅3和∅8到∅4距离150mm,∅12到∅6为200mm,∅16到∅8为250mm,∅24到∅12为300mm。理论分析:由于近场区以外(平底孔处于艾里斑内,要注意的是艾里斑内的声压分布是中心大,边缘小。)孔径很小或距离足够远时(θ=arctan(φ/x)=φ/x很小时,也就是x/φ比较大时),在半径变化不太大的范围内,声压幅值的相对变化非常小,平底孔的平均声压接近中心声压。从上面的数据可知:1.3N时x/φ≈30,2N时x/φ≈25,3N时x/φ≈20,5N时x/φ≈15,6N时x/φ≈13,有平底孔的孔径增加1倍,回波高度增加12dB和距离增加1倍回波高度降低12dB。从曲线中看出孔径越小,满足这个规律的声程越短。3.2.2孔径大小场近场平底孔直径为(单位:mm)∅1～∅2、∅1.5～∅3时,在整个声场内都有孔径增加1倍,分贝增加11dB～12dB,近场与远场基本相同,孔径∅3～∅4在未扩散区,分贝差为4dB～5dB,接近理论的5dB。理论分析:波高H1/H2=(p1入×P1反)(p2入×P2反)=[p1入×(πd12/4λx)]/[p2入×(πd22/4λx)]=d22/d12,所以符合此规律。3.3声压分布的变化应用曲线中反射体的回波波高的分贝值,可以计算实际声场中的声压分布。理论分析:根据曲线中相同距离、不同直径的反射体回波高度和反射体距离,反向推导此孔径接受的平均声压。反射体的能量假设为全反射。也就是当近场中的反射体满足x≥3N=3d×d/(4λ)(d为反射体直径)时,反射体相当于波源,探头相对处于反射体波源的远场,所以可以应用球面波的规律由已知的不同反射体传播到探头声压的分贝差来计算出不同孔径接受的入射平均声压,从而得到声场的声压分布。(注意关于对球面波的理解:球面波在足够大的地方,声压幅值的变化已很缓慢,所以在距离变化不太大的范围内,声压幅值的相对变化非常小,或者说声压幅值近似为常数。)理论分析中应用的公式主要有:活塞波入射声压中心声压:p1=pθ=0=2P0sin{(πr/λ)×[(1+(x/r)2)1/2-x/r]}活塞波入射声压平均声压:p22=∑(sθpθ2)/s(s总面积,∑sθ声压为pθ面积)球面波入射声压中心声压等于平均声压:p3=p0(πr2/λx)计算时应注意简化条件:p入=2P0sin{(πr/λ)×[(1+(x/r)2)1/2-x/r]}N=r2/λ-λ/4≈r2/λ因r2/(4x2)很小,有p入≈2P0sin[πr2/(2λx)]≈2P0sin[(π/2)×(N/x)]≈P0[πr2/(λx)]注意:p≈P0[πr2/(λx)]应满足x≥3N(d波源直径,r波源半径,λ波长,x距离,N近场长度),只有x很大,角度很小时:p1=p2=p3。对于大孔径边缘声压在近场不等于中心声压(或平均声压不相等),而远场则基本相等(满足x=3N=3D×D/4λ,D为探头体直径)。根据1阶贝塞尔函数,Dc=0为P/P0=1,Dc=1时P/P0=0.9,Dc=2时P/P0=0.55,Dc=3.8时P/P0=0。(指向系数Dc=2J(krsinθ)/krsinθ,P为θ角的声压,P0为中心声压)。4探索应用下面通过AVG曲线中的数据分析探头发现缺陷的能力和检测范围。4.1发现缺陷的能力大小4.1.1孔径大小对声压的影响试验通常认为能发现的最小缺陷为0.5λ。孔径小于等于波长时发生衍射(或散射),难于发现缺陷。波长与孔径相当时,可以观察到明显的衍射(或散射)现象,但衍射或散射的能力不是最强,而是孔径越小衍射(或散射)能力越强。实际检测中,孔径就是和波长相当的,一般为0.5～5倍的波长。我们应用的是反射法,如果理解为,当孔径与波长相当时,由于衍射(或散射)原因而不能检测,是错误的。孔径减小1倍,反射波高降低4倍(12dB)。从曲线中看出:6N处∅1的声压值为68dB,1.6N内声压最低值为48dB,相差20dB,如∅1～∅0.5按照12dB衰减应可以至少发现∅0.5的平底孔。当波长>>孔径,孔径减小1倍,波高降低8倍(18dB)。因此理论上分析,只要声压足够大,对于衰减系数为0的材料可以发现足够小的平底孔。这是因为波长和平底孔回波高度的关系只是孔径增加1倍,当波长小于或相近于孔径时波高相差12dB,当波长>>孔径时波高相差18dB。控制波长大于一定孔径,只是为了定量的准确,只要控制波长不远大于孔径则对于定量就不会产生影响。由STB-G证实平底孔直径≥0.2λ误差小于1dB。4.1.2缺陷直径1或62材料由晶体组成,要发现材料中的缺陷,必须是材料中的缺陷回波大于晶界反射回波,且可以分辨。即:要使直径为φ1的缺陷回波高于最大晶粒φ2回波8(或6)dB以上。从AVG曲线中可以看出,相同直径的反射体回波最高的位置为N。因此,近场区以内的缺陷直径φ1应满足40lgφ1/φ2>8,则φ1>1.6φ2。近场区以外的缺陷直径应满足40lgNφ1/xφ2>8+2(x-N)α。(α为衰减系数,x为缺陷距离,N为近场长度,φ1缺陷直径,φ2最大晶粒当量直径)波长与散射衰减的关系为晶粒尺寸一定时,波长越大散射衰减越小,越容易发现粗晶材料中的缺陷。4.1.3底大小底孔2/3实际验证,应用B2SN探头,钢中波速5900m/s,波长2.95mm。可以发现锻件中100mm深度的φ1平底孔,相当于1/3λ(应当可以看到更小的平底孔如∅0.5mm)。且∅2mm到∅1mm时两个波高相差为12dB。因此,在衰减小的材料中,发现平底孔的能力至少为1/3λ。当不考虑吸收和晶界散射的影响,理论至少可以发现更小的平底孔。考虑到材料中的晶界散射和衰减的影响,如将晶粒和缺陷尺寸转换为当量平底孔直径,应在近场区以内满足φ1>1.6φ2,近场区以外应40lgNφ1/xφ2>8+2(x-N)α。4.2缺陷检测范围4.2.1avg曲线检测波高通常认为近场不利于探伤。主要是考虑到由于理论上近场声压存在0点,同一平底孔的回波高度不一样。但从AVG曲线中可以看到,各个孔径反射的波高没有相交线,不存在声压为0的点,且不同直径的平底孔随孔径的增大回波增高,近场要发现的平底孔所要提高的分贝数小于远场。AVG曲线中0.2N处的波高基本等于0.5N的波高,只比N处的最高波低6dB左右,所以近场内是可以检测的。从AVG曲线不提供10mm(0.2N)内的数据,反映了检测范围应大于0.2N(结合实际应大于始脉冲宽度)。4.2.2低声压级声压所具有的原因在远场中,声压振幅随径向距离呈反比减小,离声源愈远的地方声压愈弱,这是球面声场的一个重要特征,过低声压级容易被环境噪声所掩蔽,以至无法分辨。理论上环境噪声为0的材料,只要声压足够大,可以检测无穷远的区域。4.2.2.回波时输出的声压通常仪器增益最高只能提高110dB～120dB。检测由于扩散衰减,要观测到相同高度的回波,检测范围越大需要输出的声压越高。曲线中对于∅1平底孔在500(约10N)处声压级达到80dB,也反映了这个性质。同时,仪器显示的波高,只有达到一定的声压时才可以观察到。比如近场区的底波高度达到50%屏幕高度时,衰减器读数约为20dB～30dB。4.2.2.材料厚度对回波的影响实验验证,对于B2SN探头,对于衰减小(散射和吸收等引起衰减小)的材料,试验中用CSK1A试块,测量厚度为25mm,底波高度达到50%时衰减器读数为24dB,测量100mm厚度时,当提高到100dB左右时,材料草状波达到50%,也就是提供的有效声压级大约为68dB～70dB(100-24-8或6)左右。从曲线中∅1mm平底孔线和声压为70dB交点的声程为350mm,归一化后相当于7N。因此对于∅1平底孔的最大测量范围7N。同样,平底孔直径增大,回波高度增加,最大检测范围将变大,根据曲线中分析为7N×φ。考虑到衰减引起回波的降低则最大范围将变小。例如∅2mm平底孔,当衰减系数很小时,最大范围为7N×2=14N,当7N厚度材料衰减12dB,则最大范围将变为14N/2=7N。因此通常最大检测范围为7Nφ。4.2.2.回波最低应用AVG曲线可以直接分析近场处即声压最大的位置。各种平底孔反射最强处在近场附近,为0.5N～1.6N。对于衰减大的材料或焊缝的检测,应用0.5N～1.6N进行检测发现缺陷很有利。对于最高回波降低12dB的距离约为3N。因此最佳检测范围为0.5N～1.6N(或3N,声压差12dB左右)。考虑实际工作中当选择高灵敏度时,始脉冲宽度很大,达到了0.2N～0.5N。对于衰减比较大的材料,如果应用近场N探头依旧不能发现要求检测出的当量的位于近场附近缺陷,那么可以肯定该材料不适合应用这个探头进行检测。4.2.2.h-w.covsepis的观点当以一定的平底孔当量作为检测条件时(∅1mm～∅6mm),当平底孔反射波下降12dB则波高从80%下降到20%,应用分段曲线,声压级为24dB左右。从AVG曲线图可知,检测范围为5N～7N,同样当量的平底孔反射波下降24dB,如只考虑扩散衰减的影响,大于这个距离时,回波高度下降将超过24dB(80%下降到20%为12dB),这个范围里,缺陷回波可以较好地辨别和评价。如考虑散射和吸收衰减,则检测范围会变小。德国人H-W.Covsepius的观点:通常检测频率下,工件中声衰减常规时,普通直探头的较佳检测区域为7N。通过AVG曲线分析,一般情况下适用的检测范围为0.5N～7N。但是他的观点没考虑缺陷大小,不全面。比如检测当量要求φ=1,对于近场长度为50的探头,最大检测范围为7×50×1=350mm。检测当量φ=2,则范围为700mm。对于不同探头,N不同,通过对距离的归一化,可以推广到任何探头,7Nφ是归一化后的结果,如考虑到衰减,范围数值则会更小。小结:不能检测主要是因为声能在材料中的吸收衰减和散射衰减,使需要发现的缺陷回波被组成材料的晶粒反射(环境噪声)所掩盖。通常情况下,检测的最佳范围0.5N～1.6N(或3N),适用范围为0.5N～7N,最大检测范围为0.2N(始脉冲宽度)～7Nφ。(N代表的是近场长度,φ代表的是要发现的缺陷当量。对于7Nφ就是最大检测范围7倍近场与缺陷当量的乘积。)因此这对于探头的选择有普遍意义。5材料衰减系数t材料衰减主要原因有:散射衰减(包括晶粒粗大引起的衰减,波形转变引起的衰减)和吸收衰减(主要包括粘性衰减,位错运动引起的衰减,磁畴引起的衰减,残余应力引起的衰减)。实际工作中测量的衰减系数是应用平均声压测量的平均衰减系数。衰减系数只考虑介质的散射和吸收衰减。因而扩散衰减是测量中必须面对的情况。从AVG曲线可以直接得到(衰减系数为0材料)大平底在全部声程内的扩散衰减。当测量衰减系数不为0的材料,可以与为0的材料进行比较,可以得出不为0的材料的衰减系数。(需要注意的是,衰减和频率是相关的,不同频率的探头测量同一材料的衰减是不同的。对于同一探头,同一厚度的不同材料,衰减为0的底波与衰减不为0的材料的底波扩散影响是相同的,那么2次测量底波高度差的差异就是材料衰减引起的,对于其他次底波也一样。通过简单推导,可以得出α=(Bn-Bm-σ)/2(m-n)T。下面通过应用AVG曲线和其他测量衰减系数的方法进行比较,来说明应用AVG曲线测量的优点。5.1薄t5et薄板工件测量公式和厚板公式对板厚的确定不明确。由于近场扩散衰减考虑的不准确,如果引用不当,薄板测量会产生很大的误差。公式分别为:α=(Bn-Bm)/2(m-n)T薄工件α=(B1-B2-6)/2T厚工件式中T—工件厚度;N—近场区长度;(Bn-Bm)—n、m次底波分贝差。用AVG曲线分析:应用方法的条件应为:薄件满足m×T≤1.6N(1.2N更准确),厚件满足T≥3N。当条件为m×T≤1.6N薄件,2次底面回波高度的累计误差约1dB,但对于薄件可能存在较大误差。5.2衰减系数的测定为减小计算误差(主要是扩散衰减引起的误差),标准对普通公式做了改进,将所有底波选定在扩散区3N以外,n>3N厚件时,有一定误差,3N到6N从曲线看出声压变化略小于6dB(通过活塞波声压计算,约为5.8dB)。但此方法也带来了其他问题。我们应用JB/T4730-2005提供的公式测定衰减系数。公式为:α=(Bn-Bm-6)/2(m-n)T(T<3N,且满足n>3N/T,m=2n)α=(B1-B2-6)/2T(T≥3N)应用此方法,结果相对准确了很多,但不精确。从AVG曲线看出T≥6N后才有距离增加1倍,大平底波高降低6dB(曲线已明确标注)。分析该方法主要有以下不足:一是对于衰减比较大的薄件可能无法测量。二是对于厚件,该公式依旧不完全消除扩散衰减引起的计算误差,计算结果会略小。理论上,应用1次底波当T≥6N时会更准确;但如应用这个条件,m次底波的声程太大,衰减大时难于测量。5.3用曲线检测的方法进行衰减系数测定应用AVG曲线中的B线,根据工件厚度和探头近场关系,可以直接读出任意2次底波由于扩散衰减引起的分贝差σ,然后用这2次底波的分贝差