超声端点反射法测量裂纹高度的研究

　　1. 序言

　　1.1 压力容器裂纹类缺陷的危害性

　　压力容器不同程度地存在着裂纹类缺陷，断裂力学研究证明，带有尖锐边缘的平面缺陷（如裂纹）危险性最大。同时还证明受压部件中平面缺陷穿过壁厚的径向长度、缺陷距表面及与其它缺陷的距离等都是关键性的重要尺寸，而平行于部件表面的裂纹长度是次要的。据统计锅炉压力容器的损坏大部分是由于工件内部裂纹的扩展所引起的，英国曾对10万个容器进行调查，运行一年共发生132件破坏事故，按事故原因统计，由于裂纹扩展造成的破坏占总数的比例高达89.3%。因而对裂纹的检验和监控显得极为重要。

　　1.2 裂纹高度的超声检测方法

　　1.2.1 6db法

　　6db法是超声测量长度的传统方法，通常是探头找到最大峰值后向相反的二个方向水平移动使回波峰值下降一半时的波束中心线距离即为长度，该长度称为指示长度但并非裂纹的真实长度。这种方法可以用来测高，但是误差较大。

　　1.2.2 表面波延时法

　　对表面开口的裂纹采用表面波延时法来测量裂纹深度，该法主要是通过裂纹对表面波的延时作用来计算裂纹的深度。但当缺陷内含油或水等液体时，表面波有可能跨越缺陷开口，使测试误差大大增加。此外，缺陷的端部太尖锐接收到超声波信号很低甚至接收不到。缺陷表面过于粗糙也会造成误差增大。

　　1.2.3 端点衍射波法

　　超声波入射到裂纹面上时，根据惠更斯原理，在裂纹尖端会形成次波源而产生衍射称为衍射波，超声端点衍射法是通过测量裂纹端点衍射回波的延迟时间差值来求得裂纹高度的。但是衍射波的强度很弱难发现，所以用衍射波测量裂纹高度有较大的难度。

　　1.2.4 端点反射波法

　　入射波入射到裂纹的端点，有一部分将沿着原路反射，称为端点反射回波如图1所示。端点反射回波法是通过测量主声束入射到裂纹顶端时，所产生的端点回波声程计算裂纹的高度，从方法上说是比较正确较为可行的方法。

　　1.3 端点反射波法的应用现状

　　在模拟超声探伤仪上用端点反射法测量裂纹的高度，通常采用深度校准即利用回波声程在垂直方向上的投影长度进行定位。操作工艺的特点是要用试块进行深度线性校准，其实质是一种同高比较法因此其准确度与仪器线性、试块精度和操作工艺有很大的关系。

　　随着计算机技术的应用，将回波信号数字化能得到回波声程的精确量值。通过相应的数学模型能得到包括垂直高度在内的各种数值，这是本文研究的主题。

　　2. 数字信号处理端点回波声程测量裂纹自身高度方法的研究

　　2.1 数字处理端点回波声程的原理和应用

　　常规超声检测对回波声程的测定是通过屏幕上回波所处位置的水平量值来换算的，由于波形的跳动、波形峰值的判断误差、线性调节精度等原因，测定的声程值误差很大。数字信号处理端点回波声程（w）是通过计算机A / D转换，将回波的模拟信号转换为数字信号，根据声速和样点数精确计算得到的。

　　我们研制了超声信号分析仪和分析软件，能将常规探伤仪的回波模拟信号转换为数字信号，建立了计算不同状态下裂纹自身高度的数学模型，实现了数字化处理得到了裂纹自身高度精确的测量结果。

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