超聲端點(diǎn)反射法測量裂紋高度的研究

　　1. 序言

　　1.1 壓力容器裂紋類缺陷的危害性

　　壓力容器不同程度地存在著裂紋類缺陷，斷裂力學(xué)研究證明，帶有尖銳邊緣的平面缺陷（如裂紋）危險(xiǎn)性最大。同時(shí)還證明受壓部件中平面缺陷穿過壁厚的徑向長度、缺陷距表面及與其它缺陷的距離等都是關(guān)鍵性的重要尺寸，而平行于部件表面的裂紋長度是次要的。據(jù)統(tǒng)計(jì)鍋爐壓力容器的損壞大部分是由于工件內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展所引起的，英國曾對10萬個(gè)容器進(jìn)行調(diào)查，運(yùn)行一年共發(fā)生132件破壞事故，按事故原因統(tǒng)計(jì)，由于裂紋擴(kuò)展造成的破壞占總數(shù)的比例高達(dá)89.3%。因而對裂紋的檢驗(yàn)和監(jiān)控顯得極為重要。

　　1.2 裂紋高度的超聲檢測方法

　　1.2.1 6db法

　　6db法是超聲測量長度的傳統(tǒng)方法，通常是探頭找到最大峰值后向相反的二個(gè)方向水平移動使回波峰值下降一半時(shí)的波束中心線距離即為長度，該長度稱為指示長度但并非裂紋的真實(shí)長度。這種方法可以用來測高，但是誤差較大。

　　1.2.2 表面波延時(shí)法

　　對表面開口的裂紋采用表面波延時(shí)法來測量裂紋深度，該法主要是通過裂紋對表面波的延時(shí)作用來計(jì)算裂紋的深度。但當(dāng)缺陷內(nèi)含油或水等液體時(shí)，表面波有可能跨越缺陷開口，使測試誤差大大增加。此外，缺陷的端部太尖銳接收到超聲波信號很低甚至接收不到。缺陷表面過于粗糙也會造成誤差增大。

　　1.2.3 端點(diǎn)衍射波法

　　超聲波入射到裂紋面上時(shí)，根據(jù)惠更斯原理，在裂紋尖端會形成次波源而產(chǎn)生衍射稱為衍射波，超聲端點(diǎn)衍射法是通過測量裂紋端點(diǎn)衍射回波的延遲時(shí)間差值來求得裂紋高度的。但是衍射波的強(qiáng)度很弱難發(fā)現(xiàn)，所以用衍射波測量裂紋高度有較大的難度。

　　1.2.4 端點(diǎn)反射波法

　　入射波入射到裂紋的端點(diǎn)，有一部分將沿著原路反射，稱為端點(diǎn)反射回波如圖1所示。端點(diǎn)反射回波法是通過測量主聲束入射到裂紋頂端時(shí)，所產(chǎn)生的端點(diǎn)回波聲程計(jì)算裂紋的高度，從方法上說是比較正確較為可行的方法。

　　1.3 端點(diǎn)反射波法的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　在模擬超聲探傷儀上用端點(diǎn)反射法測量裂紋的高度，通常采用深度校準(zhǔn)即利用回波聲程在垂直方向上的投影長度進(jìn)行定位。操作工藝的特點(diǎn)是要用試塊進(jìn)行深度線性校準(zhǔn)，其實(shí)質(zhì)是一種同高比較法因此其準(zhǔn)確度與儀器線性、試塊精度和操作工藝有很大的關(guān)系。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，將回波信號數(shù)字化能得到回波聲程的精確量值。通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型能得到包括垂直高度在內(nèi)的各種數(shù)值，這是本文研究的主題。

　　2. 數(shù)字信號處理端點(diǎn)回波聲程測量裂紋自身高度方法的研究

　　2.1 數(shù)字處理端點(diǎn)回波聲程的原理和應(yīng)用

　　常規(guī)超聲檢測對回波聲程的測定是通過屏幕上回波所處位置的水平量值來換算的，由于波形的跳動、波形峰值的判斷誤差、線性調(diào)節(jié)精度等原因，測定的聲程值誤差很大。數(shù)字信號處理端點(diǎn)回波聲程（w）是通過計(jì)算機(jī)A / D轉(zhuǎn)換，將回波的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)聲速和樣點(diǎn)數(shù)精確計(jì)算得到的。

　　我們研制了超聲信號分析儀和分析軟件，能將常規(guī)探傷儀的回波模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，建立了計(jì)算不同狀態(tài)下裂紋自身高度的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化處理得到了裂紋自身高度精確的測量結(jié)果。

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