第一章 超聲相控陣技術(shù)基本概念

1、第一章 超聲相控陣技術(shù)的基本概念本章描述超聲波原理、相控陣延時（或聚焦定律）概念，并介紹R/D公司研制的相控陣儀器設(shè)備。1.1 原理 超聲波是由電壓激勵壓電晶片探頭在彈性介質(zhì)（試件）中產(chǎn)生的機(jī)械振動。典型的超聲頻率范圍為0.1MHz50MHz。大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用要求使用0.5MHz15MHz的超聲頻率。常規(guī)超聲檢測多用聲束擴(kuò)散的單晶探頭，超聲場以單一折射角沿聲束軸線傳播。其聲束擴(kuò)散是唯一的“附加”角度，這對檢測有方向性的小裂紋可能有利。 假設(shè)將整個壓電晶片分割成許多相同的小晶片，令小晶片寬度e遠(yuǎn)小于其長度W。每個小晶片均可視為輻射柱面波的線狀波源，這些線狀波源的波陣面會產(chǎn)生波的干涉，形成整體波陣面

2、。這些小波陣面可被延時并與相位和振幅同步，由此產(chǎn)生可調(diào)向的超聲聚焦波束。超聲相控陣技術(shù)的主要特點(diǎn)是多晶片探頭中各晶片的激勵（振幅和延時）均由計算機(jī)控制。壓電復(fù)合晶片受激勵后能產(chǎn)生超聲聚焦波束，聲束參數(shù)如角度、焦距和焦點(diǎn)尺寸等均可通過軟件調(diào)整。掃描聲束是聚焦的,能以鏡面反射方式檢出不同方位的裂紋。這些裂紋可能隨機(jī)分布在遠(yuǎn)離聲束軸線的位置上。用普通單晶探頭，因移動范圍和聲束角度有限，對方向不利的裂紋或遠(yuǎn)離聲束軸線位置的裂紋，漏檢率很高（見圖1）。圖1-1 常規(guī)單晶探頭（左）和陣列多晶探頭（右）對多向裂紋的檢測比較常規(guī)單晶探頭聲束擴(kuò)散且單向，而相控陣探頭聲束聚焦且可轉(zhuǎn)向。多向裂紋可被相控陣探頭檢出。

3、脈沖激勵入射波陣面陣列探頭發(fā)射接收延時回波信號反射波陣面缺陷缺陷相控陣控制器相控陣控制器觸發(fā)超聲波探傷儀超聲波探傷儀接收圖1-2 脈沖發(fā)生和回波接收時的聲束形成和時間延遲（同相位、同振幅）陣列探頭陣列探頭產(chǎn)生的波陣面產(chǎn)生的波陣面轉(zhuǎn)角延時 ns 延時 ns圖1-3 超聲波垂直（a）和傾斜（b）入射時聲束聚焦原理為產(chǎn)生同相位、有相長干涉的聲束，用有微小時差的電脈沖分別激勵陣列探頭各選用晶片。來自材料中某一焦點(diǎn)（如缺陷等）的回波，以一定時差返回各換能器單元，見圖1-2。在信號匯合前，各換能器晶片上接收到的回波信號均有時差。信號匯合后形成的A-掃描圖形，顯示了材料中某一焦點(diǎn)的回波特性，也顯示了材料中其

4、它各點(diǎn)衰減各異的回波特性。（1）在發(fā)射過程中，探傷儀將觸發(fā)信號傳送至相控陣控制器。相控陣控制器將信號變換成特定的高壓電脈沖，脈沖寬度預(yù)先設(shè)定，而時間延遲則由聚焦律界定。每個晶片只接收一個電脈沖，這樣產(chǎn)生的超聲波束就有一定角度，并聚焦在一定深度。該聲束遇到缺陷即反射回來。（2）接收回波信號后，相控陣控制器按接收聚焦律變換時間，并將這些信號匯合一起，形成一個脈沖信號，傳送至探傷儀。聲束垂直和傾斜入射時的聚焦原理示于圖1-3。每個晶片上的延時值取決于相陣列探頭上激勵晶片數(shù)形成的窗孔尺寸、波型、折射角和焦點(diǎn)深度。計算機(jī)控制的聲束掃描模式主要有以下三種（參閱第三、第四章）：（1）電子掃描：高頻電脈沖多路

5、傳輸，按相同聚焦律和延時律橫掃一組晶片（圖1-4）；聲束則以恒定角度，沿相陣列探頭長度（虛擬窗孔）方向進(jìn)行掃描,這相當(dāng)于用常規(guī)超聲換能器為腐蝕檢測作光柵掃描或作橫波檢驗(yàn)。若使用斜楔，則聚焦律可對楔內(nèi)不同延時值進(jìn)行補(bǔ)償。（2）動態(tài)深度聚焦（簡稱DDF）：超聲束沿聲束軸線，對不同聚焦深度進(jìn)行掃描。實(shí)際上，發(fā)射聲波時使用單個聚焦脈沖，而接收回波時則對所有編程深度重新聚焦（圖1-5）。（3）扇形掃描（也稱方位掃描或角掃描）：使陣列中相同晶片發(fā)射的聲束，對某一聚焦深度在掃描范圍內(nèi)移動；而對其它不同焦點(diǎn)深度，可增加掃描范圍。扇形掃描區(qū)大小可變。激勵單元組（有效探頭窗孔）16128 掃描方向圖1-4 電子掃

6、描產(chǎn)生直射聲束（有效探頭窗孔16單元）延時值（ns）單元數(shù) 圖1-5 32單元線陣列探頭縱波聚焦15、30、60 mm時，延時值（左）與深度掃描原理（右）直接接觸，無斜楔1.2 延時律或聚焦律 無斜楔探頭（即與試件直接接觸的探頭）由程控產(chǎn)生的縱波，按聚焦律延時結(jié)果，對聚焦深度呈一拋物線狀。自探頭邊緣向中心移動，延時值由小而大。焦距倍增，則延時值減半（圖1-5）。陣列晶片芯距增大，則晶片延時值線性增大（圖1-6）。根據(jù)沿特定路徑到達(dá)時間最短的費(fèi)馬原理( Fermats principle )，裝在斜楔上的相控陣探頭能按延時律給出不同的聲束形狀（圖1-7）。其他型式的相控陣探頭（如矩陣或圓錐形），

7、可能需要對延時律數(shù)值、對聲束形貌評價設(shè)定高級模式（參閱第三、第五章）。探頭無斜楔而聲束偏轉(zhuǎn)成扇形（有方位角）時，在等同晶片單元上的延時取決于激勵晶片在陣列窗口中的位置，也取決于產(chǎn)生的聲束角度（見圖1-8）。延時值隨聲束折射角和激勵晶片數(shù)而增大。對裝有斜楔的相控陣探頭，延時值取決于激勵晶片位置和程控折射角。對由斯涅耳（Snell）定律給出的折射角，延時變化呈拋物線形（圖1-7中45°）。若角度小于斯涅耳定律給出值，則各晶片單元上的延時對探頭由后而前遞增；若角度大于斯涅耳定律給出值，則探頭各晶片單元上的延時值，后大前小，因楔內(nèi)聲程前長后短，故激勵時間前先后遲。在所有情況下，陣列中每個晶片

8、上的延時值均需精確控制。最小延時增量決定了探頭最高可用頻率，后者由下式界定，即： 。 （n：陣列單元數(shù)；fc：中心頻率）延時值(ns) 實(shí)驗(yàn)設(shè)置陣列單元芯距 (mm)L波5920m/s焦深 20mm線陣列n =16單元單元1的延時值圖1-6 同焦深時延時值相關(guān)于單元芯距延時值（ns） 30°60°45°陣列單元數(shù)圖1-7 裝在斜楔上的陣列探頭延時值與折射角和單元位置的關(guān)系示例 （有機(jī)玻璃斜楔37°，第一單元高度H1=5mm）延時值（ns）F1 縱波無斜楔實(shí)線 F1=15mm虛線 F2=30mm F2 =2F1陣列單元數(shù) 22 圖1-8 無斜楔陣列探頭延時

9、值與聲束角度、單元位置及焦深的關(guān)系示例（縱波，鋼中折射角15-60°）1.3 相控陣系統(tǒng)的基本組成相控陣儀器的基本掃描系統(tǒng)主要組成見圖1-9。圖1-9 相控陣系統(tǒng)基本組成方塊圖1.4 基本掃描與成像在機(jī)械驅(qū)動的掃描過程中，數(shù)據(jù)按編碼器位置采集。顯示數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不同的圖像，以供評定。通常，相控陣使用多重A掃描疊加顯示（也稱B掃描顯示，詳見第四章），這些A顯示是由相控陣探頭各壓電小晶片（單元）產(chǎn)生的，與之相應(yīng)的聲束角度、聲傳播時間和延時值各各不同。與A掃描總數(shù)相應(yīng)的實(shí)時信息，是在某一探頭位置獲得的，顯示為扇形掃描圖（即S掃描圖），或電子B掃描圖（詳見第四章）。S掃描和電子掃描均能產(chǎn)生整體檢測

10、圖像，由此可快速獲取超聲波在所有方位檢測到的有關(guān)試件形貌或缺陷方面的信息。（見圖1-10）。將試件數(shù)據(jù)標(biāo)繪在二維（平面）圖即所謂“校正的S掃描圖”上，能使超聲檢則結(jié)果的分析和評定簡單明了。S掃描有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）能在掃描過程中顯示圖像；（2）能顯示實(shí)際深度；（3）能由二維顯示再現(xiàn)體積。在探頭移動過程中，將線掃描、S掃描與多角度掃描組合一起，就能改進(jìn)成像結(jié)果。S掃描顯示與其他視圖相結(jié)合（詳見第四章），可構(gòu)成缺陷成像圖或識別圖。圖1-11表示對四種不同形狀的人工缺陷（角槽、球孔、柱孔和橫孔），進(jìn)行相控陣檢測的掃描示圖，缺陷形狀尺寸與B掃描顯示結(jié)果，兩者關(guān)系一目了然。相控陣探頭 圖1-10 四橫孔的

11、相控陣檢測：（a）扇形掃描原理；（b）S掃描圖像（±30°）圖1-11 四種不同形狀尺寸的人工缺陷（角槽、球孔、柱孔和橫孔）的 相控陣S掃描圖像：（a）缺陷和掃描示圖：（b）歸并的B掃描顯示圖探頭幾乎不用前后移動，就能用縱波和橫波進(jìn)行綜合掃描，這對方向性缺陷的檢測和定量非常有利（見圖1-12）。按圖中布置，陣列“活窗孔”可移動，以便使聲束對缺陷進(jìn)行檢測和定量的角度最佳。21XY圖1-12 用縱波（1）和橫波（2）作綜合扇形掃描對方向性缺陷進(jìn)行檢測和定量圓柱形、橢圓形或球面狀聚焦聲束有較高信噪比（即缺陷識別能力強(qiáng)），且傳播聲束比擴(kuò)散聲束窄小。圖1-13表示用圓柱形聚焦聲束識別

12、一簇小孔的C掃描和B掃描圖形。實(shí)時掃描可結(jié)合探頭移動，數(shù)據(jù)則歸并成單個視圖（見圖1-14）。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）檢測重復(fù)性高；（2）缺陷定位方便；（3）圖像標(biāo)繪精確；（4）缺陷成像直觀。圖1-15表示對體積狀缺陷作多次扇形掃描所輸出的“切片”圖。每個切片展示不同位置的缺陷斷面。此類切片頗似對缺陷作定量表征分析的金相切片。欲詳悉超聲相控陣原理的一般概念，可查閱參考文獻(xiàn)1-9。圖1-13 用圓柱形聚焦聲束識別一簇小孔： （a）頂視圖（C掃描）；（2）側(cè)視圖（B掃描）圖1-14 陣列探頭在不同位置作多次扇形掃描，信息歸并后顯示缺陷單個圖像圖1-15 陣列探頭對體積狀缺陷作分層掃描，信息歸并后顯示缺陷切片

13、圖像第一章參考文獻(xiàn)（略）目 錄2.1 超聲波物理學(xué)定義2.2 一些常用聲速和波長2.3 聲壓公式2.4 溫度影響示例2.5 環(huán)形換能器2.6 聲束擴(kuò)散2.7 矩形探頭2.8 聚焦聲場2.9 時間-頻率特性2.10 基于阻尼的探頭分類2.11 超聲波束與試件和反射體的相互作用2.12 衰減2.13用衍射和變形波法對缺陷定量2.14 圓形工件的檢測2.15 小缺陷長度的測量2.16 超波檢測的可靠性 2.9 時間-頻率響應(yīng) 使用特別的反射器無線電傳送頻率（RF）信號測量以下時間-響應(yīng)特征（見圖2-29）：a) 峰點(diǎn)-峰點(diǎn)（Vpp）：RF信號的最大正負(fù)極周期振幅間的最大偏差（伏特或%）b) 脈沖間期

14、，或波形長度（-20dB）：表示截止-20dB時，從正極到負(fù)極最大的振幅。c) 峰點(diǎn)數(shù)量（PN）： -20dB為止的RF信號跨躍以正負(fù)極的峰點(diǎn)數(shù)量。d) 周期數(shù)（CN）：分成兩個峰點(diǎn)的數(shù)量（或波長的數(shù)量）。e) 阻尼因數(shù)（dA）：最大振幅和下一個最高的正極振幅間的比率。根據(jù)Rourier快速變形（FFT），將RF信號轉(zhuǎn)換成頻率-響應(yīng)公式（2.32），具有以下特性（見圖2-30）：峰點(diǎn)頻率（f峰）：FFT中出現(xiàn)的最大頻率較低頻率（fL-6dB）: 以降到-6dB水平線確定峰點(diǎn)頻率左邊部分的頻率值。 較高頻率（fU-6dB）: 以降到-6dB水平線確定峰點(diǎn)頻率右邊部分的頻率值。 中心頻率（fc）：

15、電算圖形評定的頻率或從較低和較高頻率的幾何圖形上算出相應(yīng)的頻率。fc=（fL-6dB+ fU-6dB）/2或fc=（fL-6dB·fU-6dB）0.5 (2.32)頻寬（相對）（BW相對）：BW相對%=100%·（fU-6dB-fL-6dB）/ fc (2.33)圖2-31 按頻寬對探頭分類圖2-30 5MHz相控陣探頭的FFT對應(yīng)圖；fc=（2.539+7.813）MHz/2=5.2MHz;BW相對=(7.813-2.539)MHz/5.2MHz×100%=54%2.10 根據(jù)BW（阻尼）對探頭分類見圖2-31說明：窄頻寬度（15-30%）：最適于檢測介質(zhì)頻寬（

16、31-75%）：檢測和測算寬頻寬度（76-110%）：最適于估算這些是鐵質(zhì)材料和其它材料的一般準(zhǔn)則。實(shí)際的評定準(zhǔn)則取決于裂紋的形態(tài)和方位。這些準(zhǔn)則對平面垂直入射有效，而對奧氏體村料的檢測以及對奧氏體和/或不同材料的分叉裂紋的估算效果不明顯。脈沖形狀（期間）對軸向分辨率（對固定的角度且探頭不能移動）有直接的效果。軸向分辨率是沿聲音軸向穿過一個小的z超聲波途徑分辨兩個相連分離缺陷的超聲波性能。對于有效的軸向分辨率，反射物從超過6dB（峰-谷）處應(yīng)出現(xiàn)分開的峰點(diǎn)振幅。相控陣探頭具有典型的寬頻，而且壓電合成材料制造的相控陣探頭提供了高效的測算功能。壓電合成材料也可提供高強(qiáng)度和良好的檢測作用，使功能達(dá)到

17、最佳和協(xié)。軸向分辨率公式由下列關(guān)系式得出（見圖2-32）：z=v試件mm/s·-20dBs/2 (2-34)圖2-32 軸向分辨率：原理（左）；差與好的分辨率（右） 有關(guān)探頭特征和試塊特點(diǎn)的補(bǔ)充資料可見參考14-18，42，46，50-52，54-57，59和105。2.11 超聲波波束與試件/反射物的相互作用 不考慮天氣的因素，采用浸透法或接觸法操作，并且是單晶探頭或線性相控陣，超聲波波束和試件之間的相互作用由可檢區(qū)域決定?？蓹z區(qū)域是指在增益足夠時能檢測并測算特定缺陷的范圍例如面積，并且信號6dB大于對抗的噪聲信號，包括前面封閉（front surface ring-down）或初

18、始部件的背面信號。圖2-33 可檢區(qū)域的定義可檢區(qū)根據(jù)下列曲線或界面定義（見圖2-33）：a) 背面反射率曲線（BW）：用于定義接收到示波鏡反射的探頭最大能量b) 近表面分辨率（NSR）或盲區(qū)：用于定義缺陷分別從主脈沖信號或界面（透射）信號的最小距離，并加以判別；接收器的增益越高，盲區(qū)越長。c) 衰減關(guān)系曲線（ATTN）：保留區(qū)內(nèi)（C保留區(qū)）的增益是電子儀器能提供的最大增益。根據(jù)這個特點(diǎn)，增益因試件內(nèi)的衰減而減弱。這種因衰減而造成的增益損失由下式得出：G衰減=2UT路徑dBd) 信噪程度（噪音）和有用的增益（G有用的）：探頭一旦插入超聲波儀器上，并且與試件相連接，電子噪音就會增高。這種噪音是隨

19、機(jī)分布的：從探頭、斜楔、電纜、耦合劑以及試件結(jié)構(gòu)。噪音的振幅與BW法則一致，但起始點(diǎn)由C有用的決定。 由于盲區(qū)的影響、噪音水平提高，以及由于衰減耗損振幅的電子增益，或/和由于缺陷緊靠背后，所以在可檢區(qū)域之外的一些缺陷無法檢出。理想的圓盤狀反射物（平底孔，F(xiàn)BH）垂直于波束，因?yàn)槿毕菪∮诓ㄊ?，按照DGS法規(guī)定的振幅，中心確定如下：PFBH=P0探頭（DFBHD探頭）2/162z2 （2.35）如果使用如下的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)：z/N0=D(距離),H反射物/H探頭=G振幅增益,DFBH/D探頭=S反射物標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)格 生成DGS曲線圖。DGS法的曲線圖在遠(yuǎn)場區(qū)的反射率形成以下明顯的規(guī)則：雙倍距離時，振幅降至

20、-12dB；尺寸為反射物雙倍時，振幅增至+12dB.靈敏度的設(shè)定取決于參考的反射物及其信噪比（SNR）。當(dāng)使用TCG特征時(時程校正增益)，首先建立最差檢測事例的SNR。圖2-35 最常用于設(shè)定靈敏度的反射物信噪比是參考反射物的振幅和由電子、耦合劑、探頭和試件作用的平均振幅之差。SNR用來評定特殊的圖2-34 用SNR評定TCG特征，典型的SNR應(yīng)大于3:1（10dB）。結(jié)構(gòu)、目標(biāo)尺寸和UT路徑（見公式（2.36）和圖2-34）。SNR=20log10(振幅目標(biāo)/振幅噪音) (2.36)SNR實(shí)際最小值為10dB或比率為3:1。最常用設(shè)定靈敏度的反射物見圖2-35示意。特定反射率的反射物（取決

21、于超聲波波束、頻率和反射物規(guī)格）對于小的反射物，其規(guī)格小于波束寬度，見表2-6規(guī)定。當(dāng)z>1.5N0時,有下面關(guān)系（2.37）的兩個人工反射物，平底孔（FBH）和側(cè)邊鉆孔（SDH），可以使用相同的振幅。DFBH=(0.22zDSDH)0.25 （2.37）相同的FBH直徑與球狀平底孔之間的關(guān)系見公式2.38：DFBH=0.56(D球)0.5 （2.38）表2-6 小的反射參照物的反射率模式反射物型式反射率法則（遠(yuǎn)場區(qū)）FBW（埋頭孔，深孔）-1UT-1路徑SDH（未焊透）1/2D0.5SDH-1UT-1.5路徑標(biāo)準(zhǔn)的FBH（平滑裂紋）D2FBH-2UT-2路徑定位不當(dāng)?shù)牧鸭y邊K()-1.

22、5UT-1.5路徑(0.5/-UT路徑cos)0.5橢圓形的EDM標(biāo)準(zhǔn)槽口H槽口-1.5UT-1.5路徑小球狀（多孔性）D球-1UT-2路徑圖2-36 球形、FBH、SDH-SW、N-LW、N-SW、N-Cr對標(biāo)準(zhǔn)缺陷大小形成的振幅曲線圖其中：UT路徑=路徑的一半=波長DSDH/FBH/球=（SDH/FBH/球）的直徑H槽口=槽口高度=裂紋邊曲半徑=入射線與裂紋表面成角圖2-36說明了不同反射物：FBH、SDH、槽口、球狀以及采用橫波（切變波）、縱波和盤旋波檢測并由缺陷大小形成的振幅曲線水平。2.12 衰減由于吸收和散射的原因?qū)е鲁暡ǖ乃p（也可見第2章2.3的定義）。衰減程度取決于頻率（f

23、）、晶粒度（晶粒）、波形和各向異性系數(shù)。衰減=持續(xù)吸收f=持續(xù)散射f4 （2.39）圖2-37 甘油/Hamikleer和Rexolite與頻率有關(guān)的衰減曲線圖散射取決于晶粒度與波長間的比率：晶粒<瑞利散射晶粒隨機(jī)散射晶粒>傳播散射圖2-38 縱波在2.25Cr-Mo鋼中的衰減曲線在檢測粗糙顆粒部件時，必須根據(jù)下列公式選擇頻率：最小6晶粒 （2.40）大多數(shù)常用的耦合劑/斜楔，聲波衰減取決于頻率，而對于鋼鐵中的衰減情況，見圖2-37至2-39。使用TOFD或端點(diǎn)回波背面散狀衍射法的縱波或橫波（切變波）準(zhǔn)確測算裂紋（見下面2.13節(jié)）。2.13 使用衍射和模式轉(zhuǎn)換法測算缺陷圖2-39

24、 橫波（切變波）在鋼中的衰減曲線圖2.13.1 TOFD(時差衍射法)TOFD現(xiàn)已成為電力和石化工業(yè)的一種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。TOFD也可用相控陣的方法操作。TOFD是一種簡單的程序，在投射與捕捉（pitch-and-catch）模式中使用兩個探頭。電力行業(yè)和石化工業(yè)的主要區(qū)別在于：電力行業(yè)典型的方法是使用光柵TOFD，而石化工業(yè)和其它工業(yè)使用線性TOFD。光柵TOFD收集的數(shù)據(jù)更多，而且更精確，但線性TOFD更快。在電力行業(yè)，大多要除去焊帽，因此可以使用光柵掃描。注：線性掃描是平行于焊縫的單軸掃描。光柵掃描是x-y向的前后運(yùn)動。TOFD檢測和記錄缺陷頂端的衍射信號，用于檢測和測算。TOFD數(shù)據(jù)是在B掃

25、描的灰格里?？梢詫?biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行修改。TOFD中使用的四種波型：橫向波：從探頭寬的波束產(chǎn)生的次近表面縱波。后壁反射：從后壁反射的縱波。反射波：由薄面上缺陷反射的縱波。端點(diǎn)衍射波：由缺陷邊衍射擊的環(huán)狀波?？v波和剪波都是正常產(chǎn)生的，但TOFD典型使用的是縱波。TOFD法原理：·縱波中投射與捕捉（Pitch-and-catch）裝置結(jié)構(gòu)（見圖2-40）·探頭為高阻尼（1.5或白-黑-白，BW實(shí)際90%）和高頻率（6MHz）·波束分散大得足以產(chǎn)生橫向波和一個后壁反射，因此可在橫向波和后壁信號（跳動的）之間顯示整個的壁厚。·探頭特別要位于整個焊縫中心線的中心。

26、83;對于壁厚大于75mm，應(yīng)使用雙排TOFD。·必須已知斜楔延遲、試件里的速率、橫向波TOF、后壁TOF值、厚度和PCS（探頭中心分離距離）（盡管有些可以推論出）。圖2-40 TOFD原理及四個主要信號的相位標(biāo)記。假設(shè)缺陷對稱地位于探頭之間,每個RT信號的相位分別用“+”和“-”標(biāo)記。·上端和下端回波是逆相位（見圖2-40有關(guān)物理圖解）。·可以通過轉(zhuǎn)變模式（LT，TL）操作生成另外的缺陷成像識別圖。·一般要求用前置放大器顯示來自缺陷邊的數(shù)字信號，在相同范圍的側(cè)邊鉆孔信號在-20db至-30dB。·在約700外獲得衍射信號的最大幅度。·

27、;由于縱波“最先擊中”到缺陷邊，所以縱波優(yōu)于橫波。并且縱波被試件結(jié)構(gòu)形狀削弱較小。·線性掃描是在一個掃查內(nèi)操作，平行于焊縫中心線。假設(shè)缺陷是對稱地位于探頭之間，使用以下公式推算缺陷高度h（2a）和上部的韌帶（upper ligament）（d）: T側(cè)向波=PCS/vL=2S/VL (2.41)圖2-43 由于橫波的TOF所在位置導(dǎo)致的TOFD在橫向位置和上部的韌帶（upper ligament）出現(xiàn)錯誤。T上端=2（S2+d2）0.5/vL (2.42)T下端=2S2+(d+h)20.5/ vL (2.43)T后壁=2S2+t20.5/ vL (2.44)圖2-41 使用TOF D

28、掃描檢測和測算未熔合。上下缺陷邊的逆相位用灰色級別表示。TOFD局限性由于橫向波的盲區(qū)，還因?yàn)楹蟊谛盘柕拿^(qū)（見圖2-42），所以位于上表面和內(nèi)表面的缺陷難以檢測到。圖2-42 橫向波和后壁的TOFD盲區(qū)。盲區(qū)大小取決于頻率、脈沖長度、探頭中心分離長度、材料厚度和速率。如果缺陷是非對稱地位于探頭之間，在使用TOFD時可能出現(xiàn)錯誤。因?yàn)檠苌洳ǖ竭_(dá)時間取決于缺陷位置與探頭的關(guān)系，由于TOFD的所在位置，缺陷檢測呈線性D掃描時會出現(xiàn)一些錯誤（見圖2-43）。要通過其他的B掃描整個缺陷位置來估計缺陷的定位（探頭橫向于焊縫移動）。·缺陷說明和缺陷式樣識別需要有高級的培訓(xùn)和分析經(jīng)驗(yàn)。·

29、殼層厚度大于75mm的壓力容器的要求加倍掃描不同的PCS。·低信噪比。·紋理粗糙材料的信號靈敏度。·幾何形和耦合問題可能妨礙橫向波的傳遞。·振幅與缺陷大小無關(guān)或不重要。不考慮這些局限性，TOFD還是一種用于測算裂紋的最精確UT方法（包括長度和高度，特別是高度）。在ASME標(biāo)準(zhǔn)案例2235中，TOFD被作為評定壓力容器焊縫質(zhì)量的一種替代方法。為了加強(qiáng)缺陷檢測的可靠性，已建議R/D技術(shù)與TOFD和脈沖回波組合，因此在特殊的版面上可以實(shí)時顯示成像識別圖。圖2-44（a）至圖2-44（h）顯示了典型的缺陷及其相應(yīng)的TOFD顯示。圖2-44 焊縫是的缺陷TOFD成

30、像(a)對于腳裂紋，橫波被中斷而且裂紋底部明顯可見.這個缺陷可定性為表面開口裂紋，而且深度已測知。(b)對于根部未完全焊透的，頂部和底部的衍射信號明顯不同，而未受干擾的橫向和后壁信號顯示一個埋藏缺陷。(c)對于根部未焊透的，后壁信號混亂但未斷裂，而頂部信號明顯可見。這表示的是表面開口缺陷。(d)側(cè)壁未熔合時橫向或后壁信號不會出現(xiàn)混亂，所以說明是埋藏缺陷。底部衍射的信號是清析的，但頂部衍射信號的部分被橫波埋沒。(e)多孔性顯示為一系列的點(diǎn)缺陷伴隨著雙曲線的后部。成倍的多孔性難以分析，但容易定性。注：后壁信號未出現(xiàn)在該TOFD成像中。(f)橫向缺陷本質(zhì)上顯示為一個點(diǎn)缺陷，類似于多孔狀。(g)根部凹

31、陷缺陷會干擾后壁信號（說明是表面開裂），并且末端明顯可見。(h)層間未熔合顯示為一個單獨(dú)的高幅度反射信號，但在脈沖回波通道上檢測不到。圖2-45 RATT 根據(jù)測算有關(guān)裂紋末端與裂紋死角（corner trap）間的超聲波路徑評定裂紋高度。優(yōu)點(diǎn)：·一次通過·實(shí)時A掃查、B掃查和C掃查·高度精確測算：TOFD·高信噪比：聚焦的波束相控陣超聲波·高度精確定位缺陷圖2-46 直接或急速跳躍式波束檢測裂紋末端RF顯示·易于報告2.13.2 相對時間到達(dá)技術(shù)（RATT） “相對時間到達(dá)技術(shù)（RATT）”是一種根據(jù)時差讀數(shù)的測算技術(shù)，不是關(guān)于振幅

32、回波動態(tài)的。該技術(shù)也稱為“追隨脈沖觀測時間技術(shù)（SPOT）”。RATT（見圖2-45）具有以下特點(diǎn)：·裂紋尺寸小于擴(kuò)散波束（分散）。·評定有關(guān)于corner trap的時差（TOF）信號。圖2-47 RATT的裂紋高度因素和測算示例·探頭相同的位置在相同的角度檢測裂紋死角（corner trap）和裂紋末端。·有關(guān)裂紋死角（corner trap）和裂紋信號間的超聲波路徑使用UT測算。·裂紋高度確定如下：h裂紋=UTRATT/cos=UT2-UT1/cos （見圖2-45） （2.45）如果超聲波波束擴(kuò)散得足夠大（較長的超聲波路徑和較高的折射角

33、度），那么直接通過波束和跳躍波束來檢測裂紋的末端（見圖2-46）。用RF信號檢測時是逆相位的，而死角（corner trap）信號的相位在急速跳躍式檢測中應(yīng)用。折射角度上的高度因素關(guān)系曲線見圖2-47。歸納一點(diǎn)，當(dāng)折射角度增大時，UTRATT降低。最好的間隔是取得“傾斜”折射的角度，例如300至350。2.13.3絕對到達(dá)的時間技術(shù)（AATT），也稱為脈沖到達(dá)的時間技術(shù)（PATT），具有以下特點(diǎn)（見圖2-48）：·裂紋高度可能大于波束寬度·探頭移動和兩個角度要求最佳的超聲波路徑讀數(shù)圖2-48 使用AATT測量裂紋高度的原理·校正角度讀數(shù)和超聲波路徑·人工

34、操作探頭掃查整個裂紋區(qū)域，檢測根部邊角上的信號并將裂紋末端信號最大化。注：在相控超聲波中，使用S掃查波束可以掃描到裂紋表面并評定高度（見圖2-49）。相同的方法有電子B掃查或光柵掃查。圖2-49 使用相控陣在靜止?fàn)顟B(tài)下采用AATT估算疲勞裂紋，并且掃查整個裂紋：(a)原理；(b)采用急速跳躍式技巧估算一個7.1mm的裂紋；(c)測算H裂紋=10.2mm裂紋，HAATT=9.9mm。圖2-50 使用MC技術(shù)檢測內(nèi)表面開裂裂紋可靠的末端回波技術(shù)裂紋測算能力的基礎(chǔ)，取決于適當(dāng)?shù)脑嚰穸取⑾嗫靥筋^頻率、阻尼和帶寬以及材料質(zhì)量。有關(guān)末端回波測算技術(shù)的更祥細(xì)資料見參考文件14-19、62、64、68和10

35、8。圖2-51 使用波型轉(zhuǎn)換技術(shù)檢測內(nèi)外表面開裂裂紋2.13.4 波型轉(zhuǎn)換（MC）缺陷檢測技術(shù)見圖示2-50至2-52。在這些圖中，藍(lán)波為橫波（切變波），而紅波為縱波。這其中有許多清晰可見的波型轉(zhuǎn)換。爬行波技術(shù)1-4是檢測和確定表面開裂紋缺陷ID最常用的MC方法。這種方法可以用于檢測和估算OD至ID范圍的線性缺陷。這種檢測能力是基于具備“爬行器”探頭的特點(diǎn)，該探頭會生成以下的波型（見圖2-53）：·直接的爬行波（OD表面）·直接的340橫波（切變波）圖2-53 “爬行器”探頭生成的波型·直接的700縱波·直接的MC300橫波（切變波）圖2-52 使用MC

36、技術(shù)檢測埋藏線性裂紋·直接的MC爬行波（ID表面）爬行波傳播面短（2mm-13mm）。傳播發(fā)生在2-3mm波長厚度內(nèi)，并且取決于板/管的平行度（±50）。橫波（切變波）700時在背表面波型轉(zhuǎn)換成縱波，并從垂直缺陷反射成700縱波。MC檢測稱為“第一間接回波”（CE1）。爬行波檢測/認(rèn)回波稱為“第二間接回波”（CE2）。這兩者的超聲波路徑LW刻度取決于厚度（見圖2-54）。圖2-55 使用L1對偶和CE1（300-700-700）在縱波探頭位于600時檢測、確認(rèn)和測算疲勞裂紋；左=裂紋信號；右=槽口信號；韌帶=5mm，高度=11mm。圖2-54 CE1（300-700-700

37、）和CE2(爬行波)取決于厚度的超聲波路徑曲線圖縱波檢測和MC確認(rèn)在550至620時合成（見圖2-55）。測算是根據(jù)L1對偶，并且通過CE1和CE2振幅評定韌帶。韌帶的垂直缺陷大于4mm的只會反射對偶和CE1。CE1的信號振幅的線性裂紋高度變化多樣。但是，如果缺陷是傾斜的，那么CE1振幅不再是線性的。另一種MC測算方法是三角法（見圖2-56）。三角法包括600橫波（切變波）和00縱波的組合。按下列公式（2.46）測算高度：TOF60=（t-h裂紋）/vT(1/cos)+(vT/vL) （2.46）由于波束擴(kuò)散，因?yàn)橹苯优鲎埠秃蟊诘姆瓷?，所以?00橫波（切變波）檢測裂紋的末端。對于鋼材，裂紋高

38、度由下列公式（2.47）得出：h60T=t-0.8CRTTW （2.47）其中CRTTW是示屏橫波（切變波）到達(dá)的時間。2.13.5 投射-捕捉Pitch-and-Catch和串聯(lián)技術(shù)圖2-56 600法原理和聯(lián)系ID的裂紋測算示例；注：裂紋末端采用急速跳躍式檢測。使用MC技術(shù)檢測估算垂直缺陷，在深度成倍增加的區(qū)域，可以使用投射-捕捉Pitch-and-Catch法。相控陣法是一種理想的檢測和估算方法，因?yàn)橄嗫仃嚿梢欢ǚ秶臋M波（切變波）和縱波角度，并且在垂直缺陷上波型可以轉(zhuǎn)換（見圖2-57）。圖2.57 在100mm試件上使用相控陣投射-捕捉Pitch-and-Catch波型轉(zhuǎn)換法檢測四個

39、垂直的FBH。藍(lán)線表示橫波（切變波），而紅線表示縱波。波型轉(zhuǎn)換技術(shù)對于厚板上窄小裂紋焊縫的檢測非常有用。大部分常見的缺陷位于未熔合的側(cè)面（見圖2-58）。圖2-58 使用單個探頭（左）和雙探頭（pitch-and-catch）(右) 檢測側(cè)邊未熔合窄裂紋比較傳統(tǒng)的方法是使用450橫波（切變波）的“串聯(lián)探頭式”方法（圖2-58，右邊）。使用串聯(lián)探頭技術(shù)的相控陣工作效果良好。2.13.6 衛(wèi)星式脈沖回波技術(shù)另一種波型轉(zhuǎn)換技術(shù)使用T-T/T-S-T衛(wèi)星式脈沖14，17估算圓形夾雜物（柱孔）的體積（見圖2-59）：t孔=（1/2vT）+(1/v5)D孔 (2.48)其中：t孔=T-T和T-S-T信號之

40、間的射程時差D孔=孔徑vT=橫波（切變波）速率v5=表面波速率（瑞利波）對于鋼鐵而言，公式簡化為D孔=0.7UT路徑，使用橫波（切變波）的一半距離標(biāo)定超聲波路徑。圖2-59 波型轉(zhuǎn)換檢測和估算柱孔：原理（左）；超聲波B掃查SDH顯示，DSDH=0.6mm（右）。藍(lán)線為橫波（切變波），紅線為縱波。2.14圓形部位檢測 由于元件曲率和斜楔上耦合劑變化的影響，所以用焦點(diǎn)法計算不準(zhǔn)確。造成這種因?yàn)槭?，液體耦合介質(zhì)中的聲速率是鋼鐵中的四分之一，這樣計算的最佳聚焦延遲時間是折衷的。為了有利于檢測，使斜楔的外形與元件的曲線相匹配。但是，這就要求在考慮了新的斜楔幾何形狀后重新計算焦點(diǎn)法，以達(dá)到所滿意期望的聚焦效果。 使用接觸法或浸透法檢測圓形部位（管件、柱件）需要特殊的設(shè)置。圖2-60 斜楔長度與部件半徑的關(guān)系如果金屬箍外形不同于斜楔長度（L斜楔），符合下面關(guān)系式的，推薦使用接觸法檢測：R部件L2斜楔/4 (2.49)斜楔最邊端點(diǎn)與部件之間的實(shí)際高度必須小于0.5mm（見圖2-60）。斜楔必須有充分的接觸面，可以在元件里生成一致的折射波束。彎曲的表面特別會使耦合劑泄漏，而0.5mm就是實(shí)際匹配不當(dāng)?shù)闹?。圖2-61管子軸向焊接接頭的超聲波檢測當(dāng)使用超聲波檢測軸向接頭焊縫（或鍛造管件）時，超聲波路