單晶直探頭檢測靈敏度調(diào)整方法比較

侯英麟

（淄博市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，山東 淄博 255000）

1 相關(guān)概念及公式

（1）檢測靈敏度。檢測最小缺陷的能力，一般以有效檢出工件中某一規(guī)定尺寸的缺陷作為度量。檢測靈敏度過低過高都不利于檢測。靈敏度過低，不能有效檢出缺陷，容易出現(xiàn)漏檢；靈敏度過高，雜波過多，影響缺陷判斷。

（2）近場區(qū)及近場區(qū)長度。波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大極小值的區(qū)域，稱為近場區(qū)。波源軸線上的聲壓隨距離變化的情況如圖1中實線所示。

圖1 圓盤源軸線上聲壓分布

波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度，用N 表示。

（3）遠(yuǎn)場區(qū)。波源軸線上至波源的距離＞N 的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場區(qū)。遠(yuǎn)場區(qū)軸線上的聲壓隨距離增加單調(diào)減小。當(dāng)≥3N 時，聲壓與距離成反比，近似球面波規(guī)律。

（4）平底孔回波聲壓。在≥3N 的圓盤波源軸線上存在一平底孔（圓片形）缺陷，假設(shè)波束軸線垂直于平底孔，超聲波在平底孔上全反射，平底孔直徑較小，表面各點聲壓近似相等。根據(jù)惠更斯原理可以把平底孔當(dāng)做一個新的圓盤源，其起始聲壓就是入射波在平底孔處的聲壓，則探頭接收到的平底孔回波聲壓為：

（5）大平底回波聲壓。當(dāng)x ≥3N 的時，超聲波在與波束軸線垂直、表面光潔的大平底面上的反射就是球面波在平面上的反射，其回波聲壓為：

2 試塊調(diào)整法

（1）調(diào)整方法。①根據(jù)工件被檢部位的厚度和靈敏度要求選擇相應(yīng)的CS-2 對比試塊。當(dāng)工件檢測面曲率半徑小于等于250mm 時，還應(yīng)采用曲面對比試塊（試塊曲率半徑在工件曲率半徑的0.7 ～1.1 倍范圍），或采用CS-4 對比試塊來測定由于曲率不同而引起的聲能損失。②依次測試不同距離的標(biāo)準(zhǔn)平底孔（至少3 個）。制作單晶直探頭的距離-波幅曲線。③實測試塊與工件表面因粗糙度不同引起的耦合補償，以及試塊與工件因材質(zhì)衰減不同引起的反射波高差異等。④進(jìn)行相應(yīng)的靈敏度補償，補償后的曲線作為基準(zhǔn)靈敏度。例如用超聲波直探頭檢測厚度為100mm 的餅形鍛件，檢測靈敏度要求：不允許存在Φ2mm 平底孔當(dāng)量大小的缺陷，傳輸修正值4dB。檢測靈敏度的調(diào)整方法為：選取CS-2 對比試塊中帶有Φ2mm 平底孔且滿足所檢工件厚度范圍的1 號、4 號、7 號、10 號試塊，通過依次測試25mm、50mm、75mm、100mm 處Φ2mm 平底孔，繪制距離波幅曲線-波幅曲線，增益4dB 進(jìn)行傳輸修正，檢測靈敏度調(diào)整完成。

（2）試塊調(diào)整法優(yōu)點。①適用于底面不規(guī)則，不能獲得底波的工件。實際檢測過程中，多數(shù)工件是不規(guī)則的，表面粗糙也無法保證，試塊法不需要借助底面回波來進(jìn)行計算，對底面要求不高，因而能夠用來有效調(diào)整底面不規(guī)則試件的檢測靈敏度。②檢測范圍不受三倍探頭近場區(qū)長度限制。采用試塊法調(diào)整，能有效檢出距離工件表面三倍近場區(qū)長度范圍內(nèi)的缺陷，避免該區(qū)內(nèi)域缺陷的漏檢、誤檢。

（3）試塊調(diào)整法缺點：①需要大量不同聲程、不同當(dāng)量尺寸的試塊，成本高，攜帶不便。實際檢測過程中如果全部采用試塊法，需要針對不同規(guī)格試件使用大量對比試塊進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)，這樣既降低了工作效率，又增加了成本。同時由于試塊多，分量重，不易攜帶，給現(xiàn)場檢驗的實施帶來不便。②需要考慮工件與試塊因耦合和衰減不同而進(jìn)行必要的傳輸修正。傳輸修正值的測定方法是通過試塊底波與工件底波進(jìn)行比較，取比值的分貝差。因此，要求試塊與工件均具有相互平行的大平底。若不具備平行表面時，則不能進(jìn)行傳輸修正，要求試塊與工件表面狀態(tài)和材質(zhì)基本一致。

3 工件底波調(diào)整法

（1）調(diào)整方法：①確認(rèn)工件被檢部位的厚度≥3N。②計算工件底面反射回波與同深度人工缺陷（平底孔）反射回波分貝差：

利用工件底波調(diào)整靈敏度的方法如下。

①確認(rèn)能否用大平底調(diào)節(jié)靈敏度，

（2）底波調(diào)整法的優(yōu)點：①不需要加工任何試塊。底波調(diào)整法直接利用工件的大平底進(jìn)行靈敏度調(diào)節(jié)，避免了試塊調(diào)整法中大量依賴對比試塊的作法，方便快捷，經(jīng)濟(jì)實用。②不需要進(jìn)行傳輸修正。底波調(diào)整法的對比試塊就是工件本身，靈敏度調(diào)整和實際檢測過程中表面耦合狀況，材質(zhì)衰減基本一致，無需進(jìn)行傳輸修正值的測定，準(zhǔn)確高效。

（3）底波調(diào)整法的缺點：①工件被檢部位的厚度必須大于等于三倍近場區(qū)長度。被檢部位的厚度＜3N時，聲壓分布不均，近場區(qū)內(nèi)由于波的干涉還會出現(xiàn)一系列聲壓極大極小值；被檢部位的厚度≥3N 時，聲壓與距離成反比，近似球面波規(guī)律。②工件底面應(yīng)足夠大。采用底波調(diào)整法的前提是超聲波在工件底面全反射，因此必須保證工件底面大于探頭聲場直徑。③工件必須具有平行底面或圓柱曲底面，且底面光潔干凈。當(dāng)?shù)酌娲植诙炔粔蚧蛴杏臀?、水時，將使底面反射率降低，底波下降，這樣調(diào)整的靈敏度偏高。④底波應(yīng)在工件完好部位取得。當(dāng)工件中存在缺陷時，一般應(yīng)在遠(yuǎn)離缺陷的完好區(qū)域取得底波，如果在靠近缺陷的無缺陷完好區(qū)域取得底波，將使檢測靈敏度提高。因為靠近缺陷處的無缺陷完好區(qū)域底波一般比遠(yuǎn)離缺陷的完好區(qū)域底波高度低。

4 綜合比較

總的來說，試塊法基本不受工件底面狀況、缺陷深度影響，適用范圍較廣。但所用試塊多，效率低，成本高。底波法不用試塊，不考慮傳輸修正，效率高，成本低。但適用范圍受限，只能檢測距離工件表面三倍近場區(qū)長度之外的缺陷，同時對工件底面狀況的要求較高。

因此，在工件底面滿足要求且被檢部位的厚度≥3N 時，一般采用底波法調(diào)整檢測靈敏度。當(dāng)工件底面無法滿足要求或被檢部位的厚度＜3N 時，采用試塊法調(diào)整檢測靈敏度。

5 結(jié)語

以上兩種方法各有優(yōu)缺點，使用過程中要綜合考慮，合理運用，在保證檢測靈敏度的前提下，提高效率，降低成本。