基于回波信號的縱橫波幅度相對量的缺陷性質判定

虞雪芬，戈 浩，金南輝

（浙江省特種設備檢驗研究院，杭州310000）

超聲檢測是五大常規無損檢測方法之一，被廣泛應用于工程結構、特種設備等領域。檢測過程中，通常需要對超聲檢測出的缺陷進行定位、定量和定性，進而判斷其危害程度。超聲檢測（超聲A掃描、超聲衍射時差法、超聲相控陣檢測技術）時，通過對探頭進行校準，一般都能夠較準確測定缺陷的位置。在缺陷定量方面，超聲A掃描和超聲相控陣檢測技術一般是通過對比自然缺陷與參考反射體回波幅度的差異對缺陷進行定量，是一種半定量的方法；而TOFD（超聲衍射時差法）技術不是利用缺陷回波的幅度，而是利用缺陷上下端點衍射時間的差異對缺陷的尺寸進行測量，提高了對缺陷尺寸定量的準確度。但是這幾種超聲檢測方法，都難以準確判定缺陷的性質。根據標準JB/T 4730－2005《承壓設備無損檢測》和DL/T 820－2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》標準中對缺陷性質的判定，超聲A掃描技術可以將探頭沿不同方向掃查，觀察回波的動態波形以判斷缺陷的性質，但具有很大的主觀性；在進行TOFD和超聲相控陣的檢測時，可以根據超聲A掃描的波形以及缺陷的圖像特征判定缺陷的性質，也具有很大的主觀性。

在超聲檢測中，不管是縱波還是橫波入射，聲波遇到缺陷后都會發生波型轉換，缺陷的回波信號中都會有縱波、橫波、瑞麗波等分量，這在應崇福等的光彈方面研究論文[1－3]中得到證實。目前的缺陷性質判定方法，大多只是利用缺陷回波的一種波型（縱波或橫波）信號判定缺陷性質，這主要是由于楔塊角度的限制。采用同一個探頭激勵和接收超聲波，所接收到的特定波型分量的幅度遠高于其他波型分量。例如，超聲A掃描檢測（橫波檢測）時，是利用缺陷的橫波回波信號判定缺陷性質的；TOFD檢測時，是利用缺陷的縱波回波信號對缺陷性質進行判定的；超聲相控陣檢測（橫波檢測）時，根據缺陷反射的橫波信號對缺陷性質進行判定。實際上，上述超聲檢測技術只是利用缺陷回波的一種波型信號判定缺陷性質，會丟失很多其他波型的有用信息。

超聲相控陣檢測時，探頭的激勵和接收參數可以分別進行設置，通過設置不同通道的延遲、聲速，選擇性地接收某種波型（縱波或者橫波）。筆者提出橫波入射時，可通過檢測參數的適當設置，分別接收缺陷回波的縱波分量和橫波分量，利用縱波和橫波相對量的大小，區分出面積性缺陷和體積性缺陷，這為超聲檢測判定缺陷性質提供了一種新的途徑。

1 不同性質缺陷回波中縱橫波分量的CIVA軟件仿真

利用CIVA仿真軟件，設定鋼制試樣尺寸為300 mm×200 mm×100 mm。在試樣中心分別設置一個φ5 mm氣孔和一個裂紋缺陷（長6 mm，高1 mm），分別用于模擬體積性缺陷和面積性缺陷，如圖1所示。設定相控陣探頭晶片數32，晶片間距0.6 mm，晶片長度10 mm，相控陣探頭激勵和接收分開進行設置，激勵和接收的聚焦位置都設定為缺陷位置。相控陣探頭激勵時發出超聲橫波，接收時分別設置為橫波和縱波模式。橫波接收模式下，以缺陷位置為接收聚焦的焦點，再根據橫波聲速，設定各接收晶片的接收延遲時間τs；縱波接收模式下，以缺陷位置為接收聚焦的焦點，再根據縱波聲速設定各接收晶片的接收延遲時間τL。不同缺陷和不同接收模式下得到的信號波形如圖2所示。圖2中，裂紋－橫波接收 －0.195 points表示模擬的裂紋缺陷，采用橫波模式接收，得到的信號最高幅度為0.195points，其中points是CIVA軟件中的信號幅度單位。

圖1 CIVA仿真模型

圖2 不同缺陷，不同接收模式獲得的波形

檢測面積性缺陷時，縱波和橫波最大幅度分貝數之差約為－16 dB；檢測體積性缺陷時，縱波和橫波最大幅度之差約為－32.6 dB。由于CIVA軟件仿真時所設置的裂紋和氣孔缺陷的表面都是光滑的，與實際情況有差異，因此不同類型的缺陷，橫波入射時，接收到的縱波和橫波之間分貝數的差值需要通過試驗進行測定。

2 試驗過程和結果

為了驗證CIVA軟件仿真得到的結果，對試樣中的不同類型缺陷進行試驗分析。試樣1為30 mm厚的鋼板對接焊縫，其中有兩個模擬缺陷：缺陷1為夾渣缺陷，長34 mm、寬3 mm，用于模擬體積性缺陷；缺陷2為未焊透缺陷，長19 mm、寬0.5 mm，用于模擬面積性缺陷。試樣2為20 mm厚的平板對接焊縫，其中有兩個缺陷，一個為氣孔缺陷，另一個為未熔合缺陷。試樣3為20 mm厚的對接焊縫平板，焊縫上表面分別有兩個裂紋。試樣4為20 mm厚的平板對接焊縫，焊縫中有個刻槽，高5 mm、寬0.2 mm、長20 mm。除此之外，還對CSK－ⅡA試塊中直徑2 mm的橫通孔和RB試塊中直徑3 mm的橫通孔進行分析，檢測和分析結果如圖3～10所示。

圖3 試樣1的射線檢測結果

圖4 試樣1中不同缺陷的分析結果

圖5 試樣2的射線檢測結果

圖6 試樣2中不同缺陷的分析結果

圖7 試樣3的TOFD檢測結果

圖8 試樣3中不同缺陷的分析結果

圖9 試樣4中刻槽缺陷的分析結果

每個缺陷回波的分析結果中，上方的波形為接收到的橫波信號，下方波形為接收到的縱波信號，回波中縱波分量和橫波分量dB數之差用符號KIs表示。試樣中各個缺陷的KIs值如表1所示。

從測得的結果可以看到：體積性缺陷的KIs值都小于等于－25 dB，面積性缺陷的KIs值都大于－20 dB，與CIVA軟件的模擬結果吻合。實際檢測對缺陷性質判定時，KIs不大于－25 dB時，判定為體積性缺陷；KIs大于－20 dB時，判定為面積性缺陷。

圖10 不同直徑橫通孔的分析結果

表1 不同類型缺陷對應的KIs值 dB

3 結果分析

基于回波縱波、橫波幅度相對量判定缺陷性質時，首先設置超聲相控陣為單晶片模式，找到最高缺陷回波，保持探頭不動，將激勵和接收聲束的焦點設置為缺陷位置，通過改變聲速，分別接收缺陷回波的縱波和橫波信號，比較縱波和橫波相對量的大小。

假定試樣中存在一個缺陷，如圖11所示。缺陷是夾渣（體積性缺陷）或者相同尺寸的裂紋（面積性缺陷）。由于缺陷尺寸相同，反射橫波的幅度相當，但是缺陷邊緣的銳利程度不同，導致裂紋缺陷的回波信號中縱波分量比夾渣高。需要指出的是，由于聲束是聚焦的，探頭只能接收到聲束覆蓋范圍內的缺陷回波信號，缺陷長度的影響不大。同時，缺陷高度方向的尺寸不能太大，缺陷應當在聚焦聲束的范圍內，否則接收不到波型轉換產生的縱波信號，影響判定結果。

圖11 橫波入射時，缺陷回波中含縱波、橫波分量原理示意

4 結論

CIVA軟件模擬仿真以及對模擬缺陷的檢測試驗表明：面積性缺陷和體積性缺陷的回波信號中，縱波分量和橫波分量幅度的相對量有差異，可以通過相對量的大小，判定缺陷是面積性缺陷還是體積性缺陷。

[1]應崇福，張守玉，王麗生.固體中圓柱形空腔上爬波的光彈法試驗研究[J].中國科學，1981（6）：681－686.

[2]沈建中，應崇福.掠入射脈沖縱波在帶形裂縫上的散射——光彈方法試驗驗證 [J].聲學學報，1989，14（3）：216－219.

[3]沈建中，李明軒，應崇福.固體中帶狀裂縫散射聲場的光彈方法觀測[J].中國科學，1986（4）：399－407.