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 。