1.4 TOFD 技术应用的基本知识
1.4.1 探头配置
在TOFD技术应用中可以使用单一探头，但并不推荐这样使用，因为使用单探头时返回探头的衍射波信号很可能被缺陷的反射波掩盖，导致单探头系统对端点衍射信号接收存在不确定性。使用两个探头配对组成一发一收的双探头系统，则可以避免镜面反射信号对衍射波信号的干扰，从而在任何情况下都能很好的接收到缺陷端点衍射波的信号。另外还容易实现大范围的扫查，快速接收大量的信号。因此，双探头扫查系统可以说是TOFD技术的基本配置和特征之一。 1.4.2 超声波类型
对于常用的脉冲反射法探伤来说，大多数情况下使用的超声脉冲都是横波。通过特殊的设计使探头只发射横波而没有纵波，这就避免了工件中存在两种波而导致回波信号难以识别的问题。在TOFD检测中不使用横波而选择使用纵波，其主要目的也是为了避免回波信号难以识别的困难。
在各种波中，不同模式的声波以不同的声速传播，纵波的传播速度最快，接近横波的两倍，所以纵波能够在最短的时间内到达接收探头。而且使用纵波并利用纵波的波速来计算缺陷的深度所得到的结果也是唯一的。但是如果使用横波检测，并根据横波波速来计算缺陷的位置则结果可能是不唯一的。大家都知道，任意一种波都可以通过折射或衍射转换成为其他类型的波。如果一束横波通过端点衍射后产生纵波，那么纵波信号将先于横波到达接收探头，这时采用横波的波速计算就会得到错误的缺陷位置。
在TOFD检测中，通过波的传输时间来确定缺陷的位置，所以信号传输的时间与缺陷的位置都是有唯一性的。在一般的金属材料中，纵波最先到达接收探头，根据最先到达探头的纵波信号来识别缺陷和以纵波波速计算其位置，就不会与后面到达的横波信号混淆，也不会发生差错。而使用不论哪一种变型波或者横波信号判断缺陷的位置，都可能得到错误的结果。
TOFD中两种有关的声波类型是：
1) 纵波：对于纵波，介质质点的振动方向与波的传播方向是一致的。碳钢
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中纵波声速约为5950m／s。
2) 横波：对于横波，介质质点的振动方向垂直于波的传播方向。碳钢中横波声速约为3230m／s。 1.4.3 波型转换
任意一种波都可能通过折射或衍射转换成为其他种类的波。因此在TOFD检测时，被测工件中会存在多种波。首先是发射探头发射出的纵波和横波；其次，波在传播过程中遇到一些缺陷或者底面时，也会发生波型转换，即由纵波转换出横波以及由横波转换出纵波。由此，接收探头得到的信号包括所有纵波，所有横波，波型转换后的一部分纵波和横波。 1.4.4 TOFD技术的A扫波
TOFD扫查时的A扫波通常包括： 1） 直通波
通常，在TOFD中最先观察到的是微弱的直通波，它在两个探头之间的最短路径以纵波速度传播，即使探头之间的金属表面弯曲，它依然在两探头之间直线传播。总之它遵守Fermat原理，即在两点之间直线传播费时最少。
对于表面有覆层的材料，其直通波基本上都在覆层下的材料中传播，覆盖层本身对直通波并没有太大影响。直通波不是真正的表面波，而是在声束边缘产生的体积波。直通波的频率往往是比声束中心处波的频率低(声束扩散与频率相关，对于较宽的声束扩散存在较低的频率成份)。对于真正的表面波，其波幅随着检测面的距离增加呈指数衰减。对于较大的探头间距，直通波可能非常微弱，甚至不能识别。 2） 缺陷信号
若被测工件中存在一个裂纹缺陷，则超声波在缺陷上部和下部尖端都将产生衍射信号，这两个信号在直通波之后底面反射波之前出现，而且信号强度都比直通波要强，比底面回波弱。若缺陷高度较小，则通常这两个信号会发生重叠，为了能很好的辨别这两个信号，通常采取减小信号周期的方法。 3） 底面反射波
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底面反射波的传播距离较大，所以在直通波和缺陷衍射波之后出现。 4） 波型转换信号以及底面横波信号
TOFD探伤检测中，对这些信号一般不做观察。
1.4.5 A扫波的相位关系
下图为包含直通波及底波信号的A扫描记录。高阻抗介质中的波在与低阻抗介质界面处反射，会产生180度的相位变化(如钢到水或钢到空气)。这意味着如果到达界面之前波形以正循环开始，在到达界面之后它将以负循环开始。
当存在缺陷时，将出现如下图所示情形。缺陷顶端的信号类似底面反射信号，存在180°相位变化，即相位像底波一样从负周期开始。然而，缺陷底部波信号如同绕过底部没有发生相变，相位如直通波，以正周期开始。理论研究表明，如果两个衍射信号具有相反的相位，他们之间必定存在连续的裂纹，而且只在少数情况下上下衍射信号不存在180度相位变化，大多数情况下，他们都存在着相位
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变化。因此，对于特征信号和更精确的尺寸测量，相位变化的识别是非常重要的。例如试样中存在两个夹渣而不是一个裂纹时，可能出现两个信号。在这种情况下信号没有相变。夹渣和气孔通常太小一般不会产生单独的顶部和底部信号。信号可观察到的周期数很大程度上取决于信号的波幅，但相位往往难以识别。对于底面回波更是如此，它由于饱和无法测出相位。在这种情况下，首先将探头放置在被测试样或校准试块上，调低增益，使底面回波或其他难以识别相位的信号调整到像缺陷信号一样具有相同的屏高，然后增大增益，记录信号如何随相位变化。这种变化往往集中在二、三个周期中。
正因为相位信息如此重要，所以TOFD技术需要采集数字化的原始信号信息。
1.5 信号处理与分析方法
1.5.1 信号平均
前面已经讲过从裂纹尖端得到的衍射信号比较弱，所以很容易受到电路中的
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噪声影响，导致缺陷信号难以辨别。噪声通常是由系统的随机电信号引起的，我们可以通过信号平均来减少噪声。
但是使用信号平均的方法来提高信噪比是有前提的，一是参与平均的有用信号应该是一致的，要有较大的相关性；二是噪声部分是随机的，不具有相关性。 1.5.2 图像拉直
在TOFD检测实际操作中，经常会出现信号弯曲的现象，导致这个现象的原因可能是耦合层厚度不均匀，工件表面不平整等原因，所以很多情况下我们需要对图像进行拉直处理，以方便我们对缺陷信号的识别以及缺陷长度的测量等。
“拉直”是数字信号处理的一种简单方式，以直通波或者底面反射波作为参照，使弯曲的图像变直，看上去就像耦合层是稳定的一样。 1.5.3 去除直通波
在对TOFD扫查图像进行处理的时候，会出现近表面缺陷信号隐藏在直通波信号之下无法处理的情况，我们可以通过图像处理的方法来解决。因此TOFD软件都会提供一个“去除直通波”（差分）的功能，可以去除指定地方的掩盖了近表面缺陷信号的直通波。
下图就是一个直通波去除的例子。
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