1-第一章 超声相控阵技术基本概念.doc

第一章 超声相控阵技术的基本概念本章描述超声波原理、相控阵延时（或聚焦定律）概念，并介绍R/D公司研制的相控阵仪器设备。1.1 原理 超声波是由电压激励压电晶片探头在弹性介质（试件）中产生的机械振动。典型的超声频率范围为0.1MHz50MHz。大多数工业应用要求使用0.5MHz15MHz的超声频率。常规超声检测多用声束扩散的单晶探头，超声场以单一折射角沿声束轴线传播。其声束扩散是唯一的“附加”角度，这对检测有方向性的小裂纹可能有利。 假设将整个压电晶片分割成许多相同的小晶片，令小晶片宽度e远小于其长度W。每个小晶片均可视为辐射柱面波的线状波源，这些线状波源的波阵面会产生波的干涉，形成整体波阵面。这些小波阵面可被延时并与相位和振幅同步，由此产生可调向的超声聚焦波束。超声相控阵技术的主要特点是多晶片探头中各晶片的激励（振幅和延时）均由计算机控制。压电复合晶片受激励后能产生超声聚焦波束，声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的,能以镜面反射方式检出不同方位的裂纹。这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。用普通单晶探头，因移动范围和声束角度有限，对方向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹，漏检率很高（见图1）。图1-1 常规单晶探头（左）和阵列多晶探头（右）对多向裂纹的检测比较常规单晶探头声束扩散且单向，而相控阵探头声束聚焦且可转向。多向裂纹可被相控阵探头检出。脉冲激励入射波阵面阵列探头发射接收延时回波信号反射波阵面缺陷缺陷相控阵控制器相控阵控制器触发超声波探伤仪超声波探伤仪接收图1-2 脉冲发生和回波接收时的声束形成和时间延迟（同相位、同振幅）阵列探头阵列探头产生的波阵面产生的波阵面转角延时 ns 延时 ns图1-3 超声波垂直（a）和倾斜（b）入射时声束聚焦原理为产生同相位、有相长干涉的声束，用有微小时差的电脉冲分别激励阵列探头各选用晶片。来自材料中某一焦点（如缺陷等）的回波，以一定时差返回各换能器单元，见图1-2。在信号汇合前，各换能器晶片上接收到的回波信号均有时差。信号汇合后形成的A-扫描图形，显示了材料中某一焦点的回波特性，也显示了材料中其它各点衰减各异的回波特性。（1）在发射过程中，探伤仪将触发信号传送至相控阵控制器。相控阵控制器将信号变换成特定的高压电脉冲，脉冲宽度预先设定，而时间延迟则由聚焦律界定。每个晶片只接收一个电脉冲，这样产生的超声波束就有一定角度，并聚焦在一定深度。该声束遇到缺陷即反射回来。（2）接收回波信号后，相控阵控制器按接收聚焦律变换时间，并将这些信号汇合一起，形成一个脉冲信号，传送至探伤仪。声束垂直和倾斜入射时的聚焦原理示于图1-3。每个晶片上的延时值取决于相阵列探头上激励晶片数形成的窗孔尺寸、波型、折射角和焦点深度。计算机控制的声束扫描模式主要有以下三种（参阅第三、第四章）：（1）电子扫描：高频电脉冲多路传输，按相同聚焦律和延时律横扫一组晶片（图1-4）；声束则以恒定角度，沿相阵列探头长度（虚拟窗孔）方向进行扫描,这相当于用常规超声换能器为腐蚀检测作光栅扫描或作横波检验。若使用斜楔，则聚焦律可对楔内不同延时值进行补偿。（2）动态深度聚焦（简称DDF）：超声束沿声束轴线，对不同聚焦深度进行扫描。实际上，发射声波时使用单个聚焦脉冲，而接收回波时则对所有编程深度重新聚焦（图1-5）。（3）扇形扫描（也称方位扫描或角扫描）：使阵列中相同晶片发射的声束，对某一聚焦深度在扫描范围内移动；而对其它不同焦点深度，可增加扫描范围。扇形扫描区大小可变。激励单元组（有效探头窗孔）16128 扫描方向图1-4 电子扫描产生直射声束（有效探头窗孔16单元）延时值（ns）单元数 图1-5 32单元线阵列探头纵波聚焦15、30、60 mm时，延时值（左）与深度扫描原理（右）直接接触，无斜楔1.2 延时律或聚焦律 无斜楔探头（即与试件直接接触的探头）由程控产生的纵波，按聚焦律延时结果，对聚焦深度呈一抛物线状。自探头边缘向中心移动，延时值由小而大。焦距倍增，则延时值减半（图1-5）。阵列晶片芯距增大，则晶片延时值线性增大（图1-6）。根据沿特定路径到达时间最短的费马原理( Fermats principle )，装在斜楔上的相控阵探头能按延时律给出不同的声束形状（图1-7）。其他型式的相控阵探头（如矩阵或圆锥形），可能需要对延时律数值、对声束形貌评价设定高级模式（参阅第三、第五章）。探头无斜楔而声束偏转成扇形（有方位角）时，在等同晶片单元上的延时取决于激励晶片在阵列窗口中的位置，也取决于产生的声束角度（见图1-8）。延时值随声束折射角和激励晶片数而增大。对装有斜楔的相控阵探头，延时值取决于激励晶片位置和程控折射角。对由斯涅耳（Snell）定律给出的折射角，延时变化呈抛物线形（图1-7中45）。若角度小于斯涅耳定律给出值，则各晶片单元上的延时对探头由后而前递增；若角度大于斯涅耳定律给出值，则探头各晶片单元上的延时值，后大前小，因楔内声程前长后短，故激励时间前先后迟。在所有情况下，阵列中每个晶片上的延时值均需精确控制。最小延时增量决定了探头最高可用频率，后者由下式界定，即： 。 （n：阵列单元数；fc：中心频率）延时值(ns) 实验设置阵列单元芯距 (mm)L波5920m/s焦深 20mm线阵列n =16单元单元1的延时值图1-6 同焦深时延时值相关于单元芯距延时值（ns） 306045阵列单元数图1-7 装在斜楔上的阵列探头延时值与折射角和单元位置的关系示例 （有机玻璃斜楔37，第一单元高度H1=5mm）延时值（ns）F1 纵波无斜楔实线 F1=15mm虚线 F2=30mm F2 =2F1阵列单元数 22 图1-8 无斜楔阵列探头延时值与声束角度、单元位置及焦深的关系示例（纵波，钢中折射角15-60）1.3 相控阵系统的基本组成相控阵仪器的基本扫描系统主要组成见图1-9。图1-9 相控阵系统基本组成方块图1.4 基本扫描与成像在机械驱动的扫描过程中，数据按编码器位置采集。显示数据呈现不同的图像，以供评定。通常，相控阵使用多重A扫描叠加显示（也称B扫描显示，详见第四章），这些A显示是由相控阵探头各压电小晶片（单元）产生的，与之相应的声束角度、声传播时间和延时值各各不同。与A扫描总数相应的实时信息，是在某一探头位置获得的，显示为扇形扫描图（即S扫描图），或电子B扫描图（详见第四章）。S扫描和电子扫描均能产生整体检测图像，由此可快速获取超声波在所有方位检测到的有关试件形貌或缺陷方面的信息。（见图1-10）。将试件数据标绘在二维（平面）图即所谓“校正的S扫描图”上，能使超声检则结果的分析和评定简单明了。S扫描有以下优点：（1）能在扫描过程中显示图像；（2）能显示实际深度；（3）能由二维显示再现体积。在探头移动过程中，将线扫描、S扫描与多角度扫描组合一起，就能改进成像结果。S扫描显示与其他视图相结合（详见第四章），可构成缺陷成像图或识别图。图1-11表示对四种不同形状的人工缺陷（角槽、球孔、柱孔和横孔），进行相控阵检测的扫描示图，缺陷形状尺寸与B扫描显示结果，两者关系一目了然。相控阵探头 图1-10 四横孔的相控阵检测：（a）扇形扫描原理；（b）S扫描图像（30）图1-11 四种不同形状尺寸的人工缺陷（角槽、球孔、柱孔和横孔）的 相控阵S扫描图像：（a）缺陷和扫描示图：（b）归并的B扫描显示图探头几乎不用前后移动，就能用纵波和横波进行综合扫描，这对方向性缺陷的检测和定量非常有利（见图1-12）。按图中布置，阵列“活窗孔”可移动，以便使声束对缺陷进行检测和定量的角度最佳。21XY图1-12 用纵波（1）和横波（2）作综合扇形扫描对方向性缺陷进行检测和定量圆柱形、椭圆形或球面状聚焦声束有较高信噪比（即缺陷识别能力强），且传播声束比扩散声束窄小。图1-13表示用圆柱形聚焦声束识别一簇小孔的C扫描和B扫描图形。实时扫描可结合探头移动，数据则归并成单个视图（见图1-14）。其优点是：（1）检测重复性高；（2）缺陷定位方便；（3）图像标绘精确；（4）缺陷成像直观。图1-15表示对体积状缺陷作多次扇形扫描所输出的“切片”图。每个切片展示不同位置的缺陷断面。此类切片颇似对缺陷作定量表征分析的金相切片。欲详悉超声相控阵原理的一般概念，可查阅参考文献1-9。图1-13 用圆柱形聚焦声束识别一簇小孔： （a）顶视图（C扫描）；（2）侧视图（B扫描）图1-14 阵列探头在不同位置作多次扇形扫描，信息归并后显示缺陷单个图像图1-15 阵列探头对体积状缺陷作分层扫描，信息归并后显示缺陷切片图像第一章参考文献（略）目 录2.1 超声波物理学定义2.2 一些常用声速和波长2.3 声压公式2.4 温度影响示例2.5 环形换能器2.6 声束扩散2.7 矩形探头2.8 聚焦声场2.9 时间-频率特性2.10 基于阻尼的探头分类2.11 超声波束与试件和反射体的相互作用2.12 衰减2.13用衍射和变形波法对缺陷定量2.14 圆形工件的检测2.15 小缺陷长度的测量2.16 超波检测的可靠性 2.9 时间-频率响应 使用特别的反射器无线电传送频率（RF）信号测量以下时间-响应特征（见图2-29）：a) 峰点-峰点（Vpp）：RF信号的最大正负极周期振幅间的最大偏差（伏特或%）b) 脉冲间期，或波形长度（-20dB）：表示截止-20dB时，从正极到负极最大的振幅。c) 峰点数量（PN）： -20dB为止的RF信号跨跃以正负极的峰点数量。d) 周期数（CN）：分成两个峰点的数量（或波长的数量）。e) 阻尼因数（dA）：最大振幅和下一个最高的正极振幅间的比率。根据Rourier快速变形（FFT），将RF信号转换成频率-响应公式（2.32），具有以下特性（见图2-30）：峰点频率（f峰）：FFT中出现的最大频率较低频率（fL-6dB）: 以降到-6dB水平线确定峰点频率左边部分的频率值。 较高频率（fU-6dB）: 以降到-6dB水平线确定峰点频率右边部分的频率值。 中心频率（fc）：电算图形评定的频率或从较低和较高频率的几何图形上算出相应的频率。fc=（fL-6dB+ fU-6dB）/2或fc=（fL-6dBfU-6dB）0.5 (2.32)频宽（相对）（BW相对）：BW相对%=100%（fU-6dB-fL-6dB）/ fc (2.33)图2-31 按频宽对探头分类图2-30 5MHz相控阵探头的FFT对应图；fc=（2.539+7.813）MHz/2=5.2MHz;BW相对=(7.813-2.539)MHz/5.2MHz100%=54%2.10 根据BW（阻尼）对探头分类见图2-31说明：窄频宽度（15-30%）：最适于检测介质频宽（31-75%）：检测和测算宽频宽度（76-110%）：最适于估算这些是铁质材料和其它材料的一般准则。实际的评定准则取决于裂纹的形态和方位。这些准则对平面垂直入射有效，而对奥氏体村料的检测以及对奥氏体和/或不同材料的分叉裂纹的估算效果不明显。脉冲形状（期间）对轴向分辨率（对固定的角度且探头不能移动）有直接的效果。轴向分辨率是沿声音轴向穿过一个小的z超声波途径分辨两个相连分离缺陷的超声波性能。对于有效的轴向分辨率，反射物从超过6dB（峰-谷）处应出现分开的峰点振幅。相控阵探头具有典型的宽频，而且压电合成材料制造的相控阵探头提供了高效的测算功能。压电合成材料也可提供高强度和良好的检测作用，使功能达到最佳和协。轴向分辨率公式由下列关系式得出（见图2-32）：z=v试件mm/s-20dBs/2 (2-34)图2-32 轴向分辨率：原理（左）；差与好的分辨率（右） 有关探头特征和试块特点的补充资料可见参考14-18，42，46，50-52，54-57，59和105。2.11 超声波波束与试件/反射物的相互作用 不考虑天气的因素，采用浸透法或接触法操作，并且是单晶探头或线性相控阵，超声波波束和试件之间的相互作用由可检区域决定。可检区域是指在增益足够时能检测并测算特定缺陷的范围例如面积，并且信号6dB大于对抗的噪声信号，包括前面封闭（front surface ring-down）或初始部件的背面信号。图2-33 可检区域的定义可检区根据下列曲线或界面定义（见图2-33）：a) 背面反射率曲线（BW）：用于定义接收到示波镜反射的探头最大能量b) 近表面分辨率（NSR）或盲区：用于定义缺陷分别从主脉冲信号或界面（透射）信号的最小距离，并加以判别；接收器的增益越高，盲区越长。c) 衰减关系曲线（ATTN）：保留区内（C保留区）的增益是电子仪器能提供的最大增益。根据这个特点，增益因试件内的衰减而减弱。这种因衰减而造成的增益损失由下式得出：G衰减=2UT路径dBd) 信噪程度（噪音）和有用的增益（G有用的）：探头一旦插入超声波仪器上，并且与试件相连接，电子噪音就会增高。这种噪音是随机分布的：从探头、斜楔、电缆、耦合剂以及试件结构。噪音的振幅与BW法则一致，但起始点由C有用的决定。 由于盲区的影响、噪音水平提高，以及由于衰减耗损振幅的电子增益，或/和由于缺陷紧靠背后，所以在可检区域之外的一些缺陷无法检出。理想的圆盘状反射物（平底孔，FBH）垂直于波束，因为缺陷小于波束，按照DGS法规定的振幅，中心确定如下：PFBH=P0探头（DFBHD探头）2/162z2 （2.35）如果使用如下的标准化结构：z/N0=D(距离),H反射物/H探头=G振幅增益,DFBH/D探头=S反射物标准化规格 生成DGS曲线图。DGS法的曲线图在远场区的反射率形成以下明显的规则：双倍距离时，振幅降至-12dB；尺寸为反射物双倍时，振幅增至+12dB.灵敏度的设定取决于参考的反射物及其信噪比（SNR）。当使用TCG特征时(时程校正增益)，首先建立最差检测事例的SNR。图2-35 最常用于设定灵敏度的反射物信噪比是参考反射物的振幅和由电子、耦合剂、探头和试件作用的平均振幅之差。SNR用来评定特殊的图2-34 用SNR评定TCG特征，典型的SNR应大于3:1（10dB）。结构、目标尺寸和UT路径（见公式（2.36）和图2-34）。SNR=20log10(振幅目标/振幅噪音) (2.36)SNR实际最小值为10dB或比率为3:1。最常用设定灵敏度的反射物见图2-35示意。特定反射率的反射物（取决于超声波波束、频率和反射物规格）对于小的反射物，其规格小于波束宽度，见表2-6规定。当z1.5N0时,有下面关系（2.37）的两个人工反射物，平底孔（FBH）和侧边钻孔（SDH），可以使用相同的振幅。DFBH=(0.22zDSDH)0.25 （2.37）相同的FBH直径与球状平底孔之间的关系见公式2.38：DFBH=0.56(D球)0.5 （2.38）表2-6 小的反射参照物的反射率模式反射物型式反射率法则（远场区）FBW（埋头孔，深孔）-1UT-1路径SDH（未焊透）1/2D0.5SDH-1UT-1.5路径标准的FBH（平滑裂纹）D2FBH-2UT-2路径定位不当的裂纹边K()-1.5UT-1.5路径(0.5/-UT路径cos)0.5椭圆形的EDM标准槽口H槽口-1.5UT-1.5路径小球状（多孔性）D球-1UT-2路径图2-36 球形、FBH、SDH-SW、N-LW、N-SW、N-Cr对标准缺陷大小形成的振幅曲线图其中：UT路径=路径的一半=波长DSDH/FBH/球=（SDH/FBH/球）的直径H槽口=槽口高度=裂纹边曲半径=入射线与裂纹表面成角图2-36说明了不同反射物：FBH、SDH、槽口、球状以及采用横波（切变波）、纵波和盘旋波检测并由缺陷大小形成的振幅曲线水平。2.12 衰减由于吸收和散射的原因导致超声波的衰减（也可见第2章2.3的定义）。衰减程度取决于频率（f）、晶粒度（晶粒）、波形和各向异性系数。衰减=持续吸收f=持续散射f4 （2.39）图2-37 甘油/Hamikleer和Rexolite与频率有关的衰减曲线图散射取决于晶粒度与波长间的比率：晶粒传播散射图2-38 纵波在2.25Cr-Mo钢中的衰减曲线在检测粗糙颗粒部件时，必须根据下列公式选择频率：最小6晶粒 （2.40）大多数常用的耦合剂/斜楔，声波衰减取决于频率，而对于钢铁中的衰减情况，见图2-37至2-39。使用TOFD或端点回波背面散状衍射法的纵波或横波（切变波）准确测算裂纹（见下面2.13节）。2.13 使用衍射和模式转换法测算缺陷图2-39 横波（切变波）在钢中的衰减曲线图2.13.1 TOFD(时差衍射法)TOFD现已成为电力和石化工业的一种标准技术。TOFD也可用相控阵的方法操作。TOFD是一种简单的程序，在投射与捕捉（pitch-and-catch）模式中使用两个探头。电力行业和石化工业的主要区别在于：电力行业典型的方法是使用光栅TOFD，而石化工业和其它工业使用线性TOFD。光栅TOFD收集的数据更多，而且更精确，但线性TOFD更快。在电力行业，大多要除去焊帽，因此可以使用光栅扫描。注：线性扫描是平行于焊缝的单轴扫描。光栅扫描是x-y向的前后运动。TOFD检测和记录缺陷顶端的衍射信号，用于检测和测算。TOFD数据是在B扫描的灰格里。可以对标准装置进行修改。TOFD中使用的四种波型：横向波：从探头宽的波束产生的次近表面纵波。后壁反射：从后壁反射的纵波。反射波：由薄面上缺陷反射的纵波。端点衍射波：由缺陷边衍射击的环状波。纵波和剪波都是正常产生的，但TOFD典型使用的是纵波。TOFD法原理：纵波中投射与捕捉（Pitch-and-catch）装置结构（见图2-40）探头为高阻尼（1.5或白-黑-白，BW实际90%）和高频率（6MHz）波束分散大得足以产生横向波和一个后壁反射，因此可在横向波和后壁信号（跳动的）之间显示整个的壁厚。探头特别要位于整个焊缝中心线的中心。对于壁厚大于75mm，应使用双排TOFD。必须已知斜楔延迟、试件里的速率、横向波TOF、后壁TOF值、厚度和PCS（探头中心分离距离）（尽管有些可以推论出）。图2-40 TOFD原理及四个主要信号的相位标记。假设缺陷对称地位于探头之间,每个RT信号的相位分别用“+”和“-”标记。上端和下端回波是逆相位（见图2-40有关物理图解）。可以通过转变模式（LT，TL）操作生成另外的缺陷成像识别图。一般要求用前置放大器显示来自缺陷边的数字信号，在相同范围的侧边钻孔信号在-20db至-30dB。在约700外获得衍射信号的最大幅度。由于纵波“最先击中”到缺陷边，所以纵波优于横波。并且纵波被试件结构形状削弱较小。线性扫描是在一个扫查内操作，平行于焊缝中心线。假设缺陷是对称地位于探头之间，使用以下公式推算缺陷高度h（2a）和上部的韧带（upper ligament）（d）: T侧向波=PCS/vL=2S/VL (2.41)图2-43 由于横波的TOF所在位置导致的TOFD在横向位置和上部的韧带（upper ligament）出现错误。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)图2-41 使用TOF D扫描检测和测算未熔合。上下缺陷边的逆相位用灰色级别表示。TOFD局限性由于横向波的盲区，还因为后壁信号的盲区（见图2-42），所以位于上表面和内表面的缺陷难以检测到。图2-42 横向波和后壁的TOFD盲区。盲区大小取决于频率、脉冲长度、探头中心分离长度、材料厚度和速率。如果缺陷是非对称地位于探头之间，在使用TOFD时可能出现错误。因为衍射波到达时间取决于缺陷位置与探头的关系，由于TOFD的所在位置，缺陷检测呈线性D扫描时会出现一些错误（见图2-43）。要通过其他的B扫描整个缺陷位置来估计缺陷的定位（探头横向于焊缝移动）。缺陷说明和缺陷式样识别需要有高级的培训和分析经验。壳层厚度大于75mm的压力容器的要求加倍扫描不同的PCS。低信噪比。纹理粗糙材料的信号灵敏度。几何形和耦合问题可能妨碍横向波的传递。振幅与缺陷大小无关或不重要。不考虑这些局限性，TOFD还是一种用于测算裂纹的最精确UT方法（包括长度和高度，特别是高度）。在ASME标准案例2235中，TOFD被作为评定压力容器焊缝质量的一种替代方法。为了加强缺陷检测的可靠性，已建议R/D技术与TOFD和脉冲回波组合，因此在特殊的版面上可以实时显示成像识别图。图2-44（a）至图2-44（h）显示了典型的缺陷及其相应的TOFD显示。图2-44 焊缝是的缺陷TOFD成像(a)对于脚裂纹，横波被中断而且裂纹底部明显可见.这个缺陷可定性为表面开口裂纹，而且深度已测知。(b)对于根部未完全焊透的，顶部和底部的衍射信号明显不同，而未受干扰的横向和后壁信号显示一个埋藏缺陷。(c)对于根部未焊透的，后壁信号混乱但未断裂，而顶部信号明显可见。这表示的是表面开口缺陷。(d)侧壁未熔合时横向或后壁信号不会出现混乱，所以说明是埋藏缺陷。底部衍射的信号是清析的，但顶部衍射信号的部分被横波埋没。(e)多孔性显示为一系列的点缺陷伴随着双曲线的后部。成倍的多孔性难以分析，但容易定性。注：后壁信号未出现在该TOFD成像中。(f)横向缺陷本质上显示为一个点缺陷，类似于多孔状。(g)根部凹陷缺陷会干扰后壁信号（说明是表面开裂），并且末端明显可见。(h)层间未熔合显示为一个单独的高幅度反射信号，但在脉冲回波通道上检测不到。图2-45 RATT 根据测算有关裂纹末端与裂纹死角（corner trap）间的超声波路径评定裂纹高度。优点：一次通过实时A扫查、B扫查和C扫查高度精确测算：TOFD高信噪比：聚焦的波束相控阵超声波高度精确定位缺陷图2-46 直接或急速跳跃式波束检测裂纹末端RF显示易于报告2.13.2 相对时间到达技术（RATT） “相对时间到达技术（RATT）”是一种根据时差读数的测算技术，不是关于振幅回波动态的。该技术也称为“追随脉冲观测时间技术（SPOT）”。RATT（见图2-45）具有以下特点：裂纹尺寸小于扩散波束（分散）。评定有关于corner trap的时差（TOF）信号。图2-47 RATT的裂纹高度因素和测算示例探头相同的位置在相同的角度检测裂纹死角（corner trap）和裂纹末端。有关裂纹死角（corner trap）和裂纹信号间的超声波路径使用UT测算。裂纹高度确定如下：h裂纹=UTRATT/cos=UT2-UT1/cos （见图2-45） （2.45）如果超声波波束扩散得足够大（较长的超声波路径和较高的折射角度），那么直接通过波束和跳跃波束来检测裂纹的末端（见图2-46）。用RF信号检测时是逆相位的，而死角（corner trap）信号的相位在急速跳跃式检测中应用。折射角度上的高度因素关系曲线见图2-47。归纳一点，当折射角度增大时，UTRATT降低。最好的间隔是取得“倾斜”折射的角度，例如300至350。2.13.3绝对到达的时间技术（AATT），也称为脉冲到达的时间技术（PATT），具有以下特点（见图2-48）：裂纹高度可能大于波束宽度探头移动和两个角度要求最佳的超声波路径读数图2-48 使用AATT测量裂纹高度的原理校正角度读数和超声波路径人工操作探头扫查整个裂纹区域，检测根部边角上的信号并将裂纹末端信号最大化。注：在相控超声波中，使用S扫查波束可以扫描到裂纹表面并评定高度（见图2-49）。相同的方法有电子B扫查或光栅扫查。图2-49 使用相控阵在静止状态下采用AATT估算疲劳裂纹，并且扫查整个裂纹：(a)原理；(b)采用急速跳跃式技巧估算一个7.1mm的裂纹；(c)测算H裂纹=10.2mm裂纹，HAATT=9.9mm。图2-50 使用MC技术检测内表面开裂裂纹可靠的末端回波技术裂纹测算能力的基础，取决于适当的试件厚度、相控探头频率、阻尼和带宽以及材料质量。有关末端回波测算技术的更祥细资料见参考文件14-19、62、64、68和108。图2-51 使用波型转换技术检测内外表面开裂裂纹2.13.4 波型转换（MC）缺陷检测技术见图示2-50至2-52。在这些图中，蓝波为横波（切变波），而红波为纵波。这其中有许多清晰可见的波型转换。爬行波技术1-4是检测和确定表面开裂纹缺陷ID最常用的MC方法。这种方法可以用于检测和估算OD至ID范围的线性缺陷。这种检测能力是基于具备“爬行器”探头的特点，该探头会生成以下的波型（见图2-53）：直接的爬行波（OD表面）直接的340横波（切变波）图2-53 “爬行器”探头生成的波型直接的700纵波直接的MC300横波（切变波）图2-52 使用MC技术检测埋藏线性裂纹直接的MC爬行波（ID表面）爬行波传播面短（2mm-13mm）。传播发生在2-3mm波长厚度内，并且取决于板/管的平行度（50）。横波（切变波）700时在背表面波型转换成纵波，并从垂直缺陷反射成700纵波。MC检测称为“第一间接回波”（CE1）。爬行波检测/认回波称为“第二间接回波”（CE2）。这两者的超声波路径LW刻度取决于厚度（见图2-54）。图2-55 使用L1对偶和CE1（300-700-700）在纵波探头位于600时检测、确认和测算疲劳裂纹；左=裂纹信号；右=槽口信号；韧带=5mm，高度=11mm。图2-54 CE1（300-700-700）和CE2(爬行波)取决于厚度的超声波路径曲线图纵波检测和MC确认在550至620时合成（见图2-55）。测算是根据L1对偶，并且通过CE1和CE2振幅评定韧带。韧带的垂直缺陷大于4mm的只会反射对偶和CE1。CE1的信号振幅的线性裂纹高度变化多样。但是，如果缺陷是倾斜的，那么CE1振幅不再是线性的。另一种MC测算方法是三角法（见图2-56）。三角法包括600横波（切变波）和00纵波的组合。按下列公式（2.46）测算高度：TOF60=（t-h裂纹）/vT(1/cos)+(vT/vL) （2.46）由于波束扩散，因为直接碰撞和后壁的反射，所以用600横波（切变波）检测裂纹的末端。对于钢材，裂纹高度由下列公式（2.47）得出：h60T=t-0.8CRTTW （2.47）其中CRTTW是示屏横波（切变波）到达的时间。2.13.5 投射-捕捉Pitch-and-Catch和串联技术图2-56 600法原理和联系ID的裂纹测算示例；注：裂纹末端采用急速跳跃式检测。使用MC技术检测估算垂直缺陷，在深度成倍增加的区域，可以使用投射-捕捉Pitch-and-Catch法。相控阵法是一种理想的检测和估算方法，因为相控阵生成一定范围的横波（切变波）和纵波角度，并且在垂直缺陷上波型可以转换（见图2-57）。图2.57 在100mm试件上使用相控阵投射-捕捉Pitch-and-Catch波型转换法检测四个垂直的FBH。蓝线表示横波（切变波），而红线表示纵波。波型转换技术对于厚板上窄小裂纹焊缝的检测非常有用。大部分常见的缺陷位于未熔合的侧面（见图2-58）。图2-58 使用单个探头（左）和双探头（pitch-and-catch）(右) 检测侧边未熔合窄裂纹比较传统的方法是使用450横波（切变波）的“串联探头式”方法（图2-58，右边）。使用串联探头技术的相控阵工作效果良好。2.13.6 卫星式脉冲回波技术另一种波型转换技术使用T-T/T-S-T卫星式脉冲14，17估算圆形夹杂物（柱孔）的体积（见图2-59）：t孔=（1/2vT）+(1/v5)D孔 (2.48)其中：t孔=T-T和T-S-T信号之间的射程时差D孔=孔径vT=横波（切变波）速率v5=表面波速率（瑞利波）对于钢铁而言，公式简化为D孔=0.7UT路径，使用横波（切变波）的一半距离标定超声波路径。图2-59 波型转换检测和估算柱孔：原理（左）；超声波B扫查SDH显示，DSDH=0.6mm（右）。蓝线为横波（切变波），红线为纵波。2.14圆形部位检测 由于元件曲率和斜楔上耦合剂变化的影响，所以用焦点法计算不准确。造成这种因为是，液体耦合介质中的声速率是钢铁中的四分之一，这样计算的最佳聚焦延迟时间是折衷的。为了有利于检测，使斜楔的外形与元件的曲线相匹配。但是，这就要求在考虑了新的斜楔几何形状后重新计算焦点法，以达到所满意期望的聚焦效果。 使用接触法或浸透法检测圆形部位（管件、柱件）需要特殊的设置。图2-60 斜楔长度与部件半径的关系如果金属箍外形不同于斜楔长度（L斜楔），符合下面关系式的，推荐使用接触法检测：R部件L2斜楔/4 (2.49)斜楔最边端点与部件之间的实际高度必须小于0.5mm（见图2-60）。斜楔必须有充分的接触面，可以在元件里生成一致的折射波束。弯曲的表面特别会使耦合剂泄漏，而0.5mm就是实