超声波检测缺陷定量法

A: 缺陷大小的测定
缺陷定量包括确定缺陷的大小和数量，而缺陷的大小指缺陷的面积和长度。

目前，在工业超声波检测中，对缺陷的定量的方法很多，但均有一定的局限性。

常用的定量方法有当量法、底波高度法和测长法三种。

当量法和底波高度法用于缺陷尺寸小于声束截面的情况，测长法用于缺陷尺寸大于声束截面的情况。

一． 当量法
采用当量法确定的缺陷尺寸是缺陷的当量尺寸。

常用的当量法有当量试块比较法、当量计算法和当量AVG 曲线法。

1.当量试块比较法
当量试块比较法是将工件中的自然缺陷回波与试块上的人工缺陷回波进行比较来对缺陷定量的方法。

加工制作一系列含有不同声程不同尺寸的人工缺陷（如平底孔）试块，检测中发现缺陷时，将工件中自然缺陷回波与试块上人工缺陷回波进行比较。

当同声程处的自然缺陷回波与某人工缺陷回波高度相等时，该人工缺陷的尺寸就是此自然缺陷的当量大小。

利用试块比较法对缺陷定量要尽量使试块与被探工件的材质、表面光洁度和形状一致，并且其他探测条件不变，如仪器、探头，灵敏度旋钮的位置，对探头施加的压力等。

当量试块比较法是超声波检测中应用最早的一种定量方法，其优点是直观易懂，当量概念明确，定量比较稳妥可靠。

但这种方法需要制作大量试块，成本高。

同时操作也比较烦琐，现场检测要携带很多试块，很不方便。

因此当量试块比较法应用不多，仅在x ＜3N 的情况下或特别重要零件的精确定量时应用。

2.当量计算法
当x ≥3N 时，规则反射体的回波声压变化规律基本符合理论回波声压公式。

当量计算法就是根据检测中测得的缺陷波高的dB 值，利用各种规则反射体的理论回波声压公式进行计算来确定缺陷当量尺寸的定量方法。

应用当量计算法对缺陷定量不需要任何试块，是目前广泛应用的一种当量法。

下面以纵波探作伤为例来说明平底孔当量计算法。

平底孔和大平底面的回波声压公式为
2
08.68208.6822
(3)2(3)ax
ax B s B B f s f f f P F P e x N x P F F P e x N x λλ--⎧=≥⎪⎪⎨⎪=≥⎪⎩大平底平底孔 不同距离处的大平底与平底孔回波分贝差为
22220lg 20lg 2()f B Bf f B f f B
x P x x P D x λαπ∆==+- (6.17) 式中△Bf ——底波与缺陷波的dB 差；
x f ——缺陷至探测面的距离；
x B ——底面至探测面的距离；
D f ——缺陷的当量平底孔直径；
λ——波长；
α——材质衰减系数（单程）。

不同平底孔回波分贝差为
1
12122122120lg 40lg 2()f f f f P D x a x x P D x ∆==+- (6.18)
式中△12——平底孔1、2的dB 差；
D f 1、D f 2——平底孔1、2的当量直径；
x 1、x 2——平底孔1、2的距离。

利用以上两式和测试结果可以算出缺陷的当量平底孔尺寸。

例1，用2.5P14Z 探头检测厚度为420 mm 饼形钢制工件，钢中C L =5 900 m/s ，不考虑介质衰减，利用底波调整Φ2平底孔检测灵敏度。

检测中在210 mm 处发现一缺陷，其回波比底波低26dB ，求此缺陷的当量大小。

由已知得：
22
5.9 2.36(mm)2.5
2042.4(mm)44 2.36
3342.4127.2 400(mm)
s c f D N N λλ======⨯=⨯= 所以应用当量计算法。

设420 mm 处大平底回波声压为P B ，210 mm 处缺陷回波声压为P f ，则有
112122122112
21210.5
0.5211220lg
40lg 2()2240lg 222()2220.0110020
10240010 5.1(mm)500
f f f f f f f f P D x a x x P D x D x a x x D x D x D x ∆==+-==--=-⨯⨯=⋅⨯⨯===
即该缺陷的当量平底孔尺寸为Ф2.8 mm 。

例2用2.5P20Z 探头径向检测直径为500 mm 的实心圆柱钢工件，C L =5 900 m/s ， α=0.01 dB/mm ，利用底波调整500/Ф2灵敏度，检测中在400 mm 处发现一缺陷，其回波比灵敏度基准波高22 dB ，求此缺陷的当量大小。

由已知得：
22
5.9 2.36(mm)2.52042.4(mm)44 2.36
3342.4127.2 400(mm)
s c f D N N λλ======⨯=⨯=
因此可以利用当量计算法。

设400 mm 处缺陷回波声压为P f 1,500mm 处Ф2回波声压为P f 2,则有
112122122112
21210.5
0.5211220lg
40lg 2()2240lg 222()2220.0110020
10240010 5.1(mm)500
f f f f f f f f P D x a x x P D x D x a x x D x D x D x ∆==+-==--=-⨯⨯=⋅⨯⨯===
即此缺陷的当量平底孔尺寸为Ф5.1 mm 。

3.当量AVG 曲线法
当量AVG 曲线法是利用通用AVG 或实用AVG 曲线来确定工件中缺陷的当量尺寸。

例1，条件同当量计算法例1。

由已知条件得：
42020212101021B B f f x A N x A N =
===== 查如图6.24所示的AVG 曲线，由横座标A B =20作垂线交大平底B 曲线于a 点，由于A f =10处的缺陷回波比A B =20处的大平底回波低26 dB ，因此，由a 点向下数26 dB 到b 点，过b 点作水平线交过A f =10所作的垂线于c,c 点落在G =0.2曲线上，于是缺陷的当量平底孔尺寸为
D f =GD s =0.2×14=2.8(mm)
此结果与当量计算法结果相同。

图6.24 利用通用AVG 曲线定量
例2：条件同当量计算法例2，用实用AVG 定量。

实用AVG 曲线图6.25未考虑介质衰减，因此这里也应扣除介质衰减的分贝差：
Δ12=22-2a(x 2-x 1)=22-2×0.01×100=20 dB
在图4.30中，由x B =500作垂线交Ф曲线于a 点，由a 向上数20 dB 至b 点，过b 点作水平线交过x f =400所作垂线于c 点，c 点对应的当量大小为Ф5，即此缺陷的当量平底孔尺寸为Ф5mm 。

此结果与当量计算结果基本一致。

图6.25 利用实用AVG曲线定量图6.26 半波高度法（6 dB法）
二．测长法
当工件中缺陷尺寸大于声束截面时，一般采用测长法来确定缺陷的长度。

测长法是根据缺陷波高与探头移动距离来确定缺陷的尺寸。

按规定的方法测定的缺陷长度称为缺陷的指示长度。

由于实际工件中缺陷的取向、性质、表面状态等都会影响缺陷回波高，因此缺陷的指示长度总是小于或等于缺陷的实际长度。

根据测定缺陷长度时的灵敏度基准不同将测长法分为相对灵敏度法、绝对灵敏度法和端点峰值法。

1.相对灵敏度测长法
相对灵敏度测长法是以缺陷最高回波为相对基准、沿缺陷的长度方向移动探头，降低一定的dB值来测定缺陷的长度。

降低的分贝值有3 dB、6 dB、10 dB、12 dB、20 dB、等几种。

常用的是6 dB法和端点6 dB法。

（1）6 dB法（半波高度法）：由于波高降低6 dB后正好为原来的一半，因此6 dB法又称为半波高度法。

半波高度法具体做法是：移动探头找到缺陷的最大反射波（不能达到饱和）然后沿缺陷方向左右移动探头，当缺陷波高降低一半时，探头中心线之间距离就是缺陷的指示长度。

6 dB法的具体做法是：移动探头找到缺陷的最大反射波后，调节衰减器，使缺陷波高降至基准波高。

然后用衰减器将仪器灵敏度提高 6 dB，沿缺陷方向移动探头，当缺陷波高降至基准波高时，探头中心线之间距离就是缺陷的指示长度，如图4.29所示。

半波高度法（6 dB法）是用来对缺陷测长较常用的一种方法。

适用于测长扫查过程中缺陷波只有一个高点的情况。

（2）端点6 dB法（端点半波高度法）：当缺陷各部分反射波高有很大变化时，测长采用端点6 dB法。

端点6 dB法测长的具体做法是：当发现缺陷后，探头沿着缺陷方向左右移动，找到缺陷两端的最大反射波，分别以这两个端点反射波高为基准，继续向左、向右移动探头，当端点反射波高降低一半时（或 6 dB时），探头中心线之间的距离即为缺陷的指示长度，如图6.27所示。

这种方法适用于测长扫查过程中缺陷反射波有多个高点的情况。

图6.27 端点6 dB法测长图6.28 绝对灵敏度测长法
半波高度法和端点6 dB法都属于相对灵敏度法，因为它们是以被测缺陷本身的最大反射波或以缺陷本身两端最大反射波为基准来测定缺陷长度的。

2.绝对灵敏度测长法
绝对灵敏度测长法是在仪器灵敏度一定的条件下，探头沿缺陷长度方向平行移动，当缺陷波高降到规定位置时（如图6.28所示B线）探头移动的距离，即为缺陷的指示长度。

绝对灵敏度测长法测得的缺陷指示长度与测长灵敏度有关。

测长灵敏度高，缺陷长度大。

在自动检测中常用绝对灵敏度法测长。

3.端点峰值法
探头在测长扫查过程中，如发现缺陷反射波峰值起伏变化，有多个高点时，则可以缺陷两端反射波极大值之间探头的移动长度来确定为缺陷指示长度，如图6.29所示。

这种方法称为端点峰值法。

端点峰值法测得的缺陷长度比端点6 dB法测得的指示长度要小一些。

端点峰值法也只适用于测长扫查过程中，缺陷反射波有多个高点的情况。

图6.29 端点峰值测长法
三．底波高度法
底波高度法是利用缺陷波与底波的相对波高来衡量缺陷的相对大小。

当工件中存在缺陷时，由于缺陷反射，使工件底波下降。

缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高与底波波高之比就愈大。

底波高度法常用以下几种方法来表示缺陷的相对大小。

1.F/B F法
F/B F法是在一定的灵敏度条件下，以缺陷波高F与缺陷处底波高B F之比来衡量缺陷的相对大小，如图6.30（a）。

2.F/B G法
F/B G法法是在一定的灵敏度条件下，以缺陷波高F与无缺陷处底波高B G之比来衡量缺陷的相对大小，如图6.30（b）。

图6.30 底波高度法
（a）F/B F (b)F/B G
3.B G/B F法
B G/B F法是在一定的灵敏度条件下，以无缺陷处底波B G与缺陷处底波B F之比来衡量缺陷的相对大小。

底波高度法不用试块，可以直接利用底波调节灵敏度和比较缺陷的相对大小，操作方便。

但不能给出缺陷的当量尺寸，同样大小的缺陷，距离不同，F/B F不同，距离小时F/B F大，距离大时F/B F小。

因此F/B F相同的缺陷当量尺寸并不一定相同。

此外底波高度法只适用于具有平行底面的工件。

最后还要指出：对于较小的缺陷底波B1往往饱和；对于密集缺陷往往缺陷波不明显，这时上述底波高度法就不适用了，但这时可借助于底波的次数来判定缺陷的相对大小和缺陷的密集程度。

底波次数少，缺陷尺寸大或密集程度严重。

底波高度法可用于测定缺陷的相对大小、密集程度、材质晶粒度和石墨化程度等。