TOFD信号的深度分辨力和上、下盲区(上)

0 序言

有个朋友在“BBS.TOFD”部分发帖，提出关于中心底面盲区高度的计算问题。我猜想，这个朋友可能不大熟悉资料〔1〕和〔2〕。于是，我参考了资料〔1〕和〔2〕，修改了自学笔记，写了这篇短文，参加讨论。如有不当，请指正。

1 概述

常规超声检测的分辨力，是纵向分辨力，也就是时间分辨力，或称声程分辨力。TOFD的分辨力的基本原理，其实也是时间分辨力和声程分辨力。

上、下盲区，是两个特殊情况下的分辨力:上盲区，是直通波(信号埋藏深度h1=0)和其以下信号的分辨力;下盲区(处于2S中垂线上)，底面反射波和其以上信号的分辨力。当然，确定上、下盲区的最好方法，是用对比试块进行测量，但作为定性理解，学习一些计算公式，也还是必要的。

1.1 时间分辨力

关于TOFD仪器，时间分辨力的大小，以及怎样确定，目前说法，并不统一。我倾向于资料〔1〕和〔2〕的说法。下面摘录两种观点。

1.1.1时间分辨力等于信号(脉冲)持续时间的时差

一般资料认为:

两个信号要分开，两个信号A型显示第一峰值(包括负峰值)之间的时差t，应大于或等于前面信号(脉冲)持续时间tp（按峰值10%以上时间计），即t≥tp。用n表示脉冲持续的周期个数，那么，满足分辨它们的时差---时间分辨力

tr=tp=n/f (1)

式中:n---时差周期个数(脉冲持续时间的另一种表示方法);

f---时间频率，单位μs^-1。1/f---时间周期。

1.1.2 短脉冲信号的时间分辨力大约为1个周期的时差

资料〔1〕和〔2〕并不认为，时间分辨力tr一定要等于信号脉冲持续时间tp。

资料〔1〕第93页指出:如果使用不超过一个半周期的短脉冲探头，且信号振幅足够大(比直通波振幅高50%)，缺陷与直通波相差1个周期，就可以发现缺陷信号……

资料〔1〕第95页指出: ……只要缺陷信号超前底面信号1个周期，甚至0.5个周期，就可以识别。

资料〔2〕指出: 多次实测结果表明，对短脉冲探头，只要缺陷波与直通波相差1周期以上时，就可以发现缺陷信号。
我以为，上面这些叙述，似乎适用于底面反射波之前的所有信号分辨（请注意:本文不讨论下表面偏离中心的盲区）。这样，两个信号的时间分辨力似乎在0.5—1个周期以上时差，我取时间分辨力tr为1个周期。因此，公式(1)式应修改为:

tr=1/f (2)

另外，“短脉冲探头”，为与JB/T4730.10一致，本文理解为:持续时间tp不超过2个周期的探头。

公式(2)较公式(1)，是个飞跃。坚持公式(1)，常取n=2，甚至n=4，是计算走弯路的根源。

公式(2)，是本文所涉及的所有分辨力，以及上、下盲区(不包括下表面偏离中心的盲区)的计算基础。

1.2 声程分辨力

设△s为信号的可分辨声程，将公式(2)一个周期(1/f)时差，转化为一个空间周期---一个波长的声程差，则:

△s=c/f= λ (3)

式中:c----钢中纵波声速，取c=6mm/μs;

λ---钢中纵波波长，λ=c/f。

公式(3)是本文所涉及具体计算的基础。

问题本来如此简单，但引入了“深度分辨力”的概念，却使问题变得复杂了许多。

1.3 为什么要提出“深度分辨力”？

为了讨论TOFD技术，对裂纹、未熔合等面状缺陷高度的检测能力，有必要提出“深度分辨力”这一概念。设缺陷的上端点埋藏深度为h1，缺陷的下端点埋藏深度为h2，缺陷高度h=h2-h1，而可分辨的最小高度hmin，用R表示，称为“深度分辨力”。

R=hmin= h2-h1 (4)

那么，深度分辨力R和△s是什么关系呢？这是本文要讨论的主要内容。(待续)