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，斷裂力學研究證明，帶有尖銳邊緣的平面缺陷（如裂紋）危險性最大。同時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。據統計鍋爐壓力容器的損壞大部分是由于工件內部裂紋的擴展所引起的，英國曾對10萬個容器進行調查，運行一年共發生132件破壞事故，按事故原因統計，由于裂紋擴展造成的破壞占總數的比例高達89.3%。因而對裂紋的檢驗和監控顯得極為重要。
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方法，通常是探頭找到最大峰值后向相反的二個方向水平移動使回波峰值下降一半時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 表面波延時法
對表面開口的裂紋可采用表面波延時法來測量裂紋深度，該法主要是通過裂紋對表面波的延時作用來計算裂紋的深度。但當缺陷內含油或水等液體時，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 端點衍射波法
超聲波入射到裂紋面上時，根據惠更斯原理，在裂紋尖端會形成次波源而產生衍射稱為衍射波，超聲端點衍射法是通過測量裂紋端點衍射回波的延遲時間差值來求得裂紋高度的。但是衍射波的強度很弱難發現，所以用衍射波測量裂紋高度有較大的難度。
1.2.4 端點反射波法
入射波入射到裂紋的端點，有一部分將沿著原路反射，稱為端點反射回波如圖1所示。端點反射回波法是通過測量主聲束入射到裂紋頂端時，所產生的端點回波聲程計算裂紋的高度，從方法上說是比較正確較為可行的方法。
1.3 端點反射波法的應用現狀
在模擬超聲探傷儀上用端點反射法測量裂紋的高度，通常采用深度校準即利用回波聲程在垂直方向上的投影長度進行定位。操作工藝的特點是要用試塊進行深度線性校準，其實質是一種同高比較法因此其準確度與儀器線性、試塊精度和操作工藝有很大的關系。
隨著計算機技術的應用，將回波信號數字化能得到回波聲程的精確量值。通過相應的數學模型能得到包括垂直高度在內的各種數值，這是本文研究的主題。
2. 數字信號處理端點回波聲程測量裂紋自身高度方法的研究
2.1 數字處理端點回波聲程的原理和應用
常規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、線性調節精度等原因，測定的聲程值誤差很大。數字信號處理端點回波聲程（w）是通過計算機A / D轉換，將回波的模擬信號轉換為數字信號，根據聲速和樣點數精確計算得到的。
我們研制了超聲信號分析儀和分析軟件，能將常規探傷儀的回波模擬信號轉換為數字信號，建立了計算不同狀態下裂紋自身高度的數學模型，實現了數字化處理得到了裂紋自身高度精確的測量結果。
2.2 不同狀態裂紋自身高度的計算方法
2.2.1 垂直表面開口裂紋
如圖2所示，對于垂直表面開口裂紋，其自身（垂直）高度為h，端點回波與根部回波聲程分別為w1、w2，探頭折射角為β，工件厚度為T，則：
h = （w2- w1）×cosβ
=（w2- w1）× （T / w2）
=（1- w1/ w2）×T －－－－－－（1）
不用β值，表面開口裂紋自身高度用（1）式計算可得到較高的精度。
2.2.2 垂直表面的內部裂紋
如圖3所示，對于垂直表面的內部裂紋，如果上端點和下端點都是由一次波探測到（如圖3，A），一次波聲程分別為W1和W2，則其自身高度h為：
h = （w2- w1）×cosβ －－－－－－（2）
如果上端點是由一次波探測到，而下端點是由二次波探測到（如圖3，B），設一、二次波的總聲程為L2。如果工件厚度為T，那么L2中一次波聲程為：T/ cosβ； 二次波聲程為：L2-（T/ cosβ）；則：
W2 = L2-2 ×（L2-（T/ cosβ）） －－－－－－（3）
2.2.3 傾斜的內部裂紋
如圖4所示，對于有傾角的的內部裂紋，如果上端點和下端點都是由一次波探測到（如圖4，A），一次波聲程分別為W1和W2，則其自身高度h為：
hˊ= （w2- w1）×cosβ －－－－－－（4）
如果上端點是由一次波探測到，而下端點是由二次波探測到（如圖4，B），且工件厚度為T，那么總聲程L2中一次波聲程為：T/ cosβ；總聲程L2中二次波聲程為：L2-（T/ cosβ）；則：
W2 = L2 - 2 ×（L2-（T/ cosβ）） －－－－－－（5）
hˊ= （w2- w1）×cosβ
利用公式（1）－－（5）進行聲程的數字化處理，為提高h 的測量精度，工件厚度T和探頭K值必須精確測量。
3. 超聲信號分析儀和分析軟件
超聲信號分析儀實際上是一臺帶有采樣裝置（頻率為30兆）和超聲信號接入裝置的工控計算機，具有計算機的全部功能。超聲信號從CTS-22型超聲波探傷儀接入。
分析軟件采用可視界面技術，在 WINDOWS環境下均可運行，軟件設計以 JB 4730-94 標準為依椐。
4. 研究結果
4.1 模擬裂紋定量測量分析
線切割模擬裂紋試塊如圖2、圖3、圖4所示，用超聲信號分析儀和分析軟件對其自身（垂直）高度進行測量。測量了64個不同類型的線切割模擬裂紋，實測結果與誤差如表1所示。
4.2 自然裂紋定位定量測量分析
總共制作了38塊自然裂紋（有表面開口裂紋和埋藏裂紋）試塊，用端點反射回波數字信號測量法對其全部檢測，并將其中七塊（試塊為板、管，缺陷性質為表面和埋藏）解剖驗證，所得數據如表2和表3：
解剖驗證的方法如下：
�。�1） 用常規超聲檢測方法對裂紋進行定位，在試塊表面用細鉆頭打上標記，顯示裂紋長度和位置；
�。�2） 對試塊采用MO絲（10-15絲）進行線切割，切割方向垂直于焊縫，間距為1-2mm，且將每一薄片編號；
�。�3） 對裂紋自身高度最高處及附近切片進行表面拋光處理，并用讀數顯微鏡觀察、測量裂紋二端點間的垂直高度值（測量數據見表3），對自身高度最高處切片做低倍照相記錄；
�。�4） 上述試塊端點反射法測量結果，用B顯示軟件顯示裂紋的位置和各項數值，比較實際誤差并作誤差分析（因篇幅有限，只發表二個試件的低倍照相和B顯示，見圖5和圖6）；
注：1. *有B顯示；
2. 15#試塊焊縫根部裂紋表面開口狀態十分復雜底部反射波很雜，操作者較難正確判斷缺陷波，故造成較大的操作誤差。
4.3 試塊解剖裂紋測量結果與端點反射法測量結果的比較
圖7 顯示了試塊解剖后裂紋實際測量結果與端點反射法測量結果之間的關系，圖中粗線表示的是實際測量得到的最小垂直高度與最大垂直高度之間的范圍。由于自然裂紋面不是規則的矩形面，其高度起伏變化。所以解剖測量到的和系統檢測到的高度都有一定的隨機性，所測高度只是其中的一部分，精確的確定檢測誤差是很困難的。我們按以下三種情況分析檢測誤差：
�。�1） 如果系統檢測結果在最小垂直高度與最大垂直高度之間，我們認為系統檢測結果符合實際狀況；
�。�2） 如果系統檢測結果小于最小垂直高度，我們認為系統檢測結果具有負誤差；
�。�3） 如果系統檢測結果大于最大垂直高度，我們認為系統檢測結果具有正誤差；
各號試塊系統檢測結果與實際測量結果之間的關系及檢測誤差如圖7所示，圖中表示的是絕對誤差。
5. 結論與展望
�。�1） 采用聲程數字處理技術的端點反射回波法，對提高裂紋自身（垂直）高度測量精度是非常有效的。具有原理簡單、測量重復性好、操作方便快捷和實用性強等優點。對于自身（垂直）高度大于等于2mm的平面型缺陷（裂紋類），其測量精度（平均絕對誤差）可控制在1mm以內，相對誤差隨高度的變化而變化。其精度優于模擬超聲探傷儀的深度定位法[1]；
�。�2） 自行研制的超聲信號分析儀和分析軟件不僅具有模擬超聲儀器和一般數字式超聲儀器的功能，還具有頻譜分析、強大的數據管理和報告編輯功能（將另文發表）；
�。�3） 試驗研究表明探頭質量對檢測精度有一定的影響[2]；
�。�4） 利用超聲信號分析系統，可以擴大試驗研究范圍，特別是薄壁材料（如小口徑管焊縫）的超聲檢測方面的研究。
6. 參考文獻
[1] 姚 力 《焊縫缺陷超聲波定量檢測方法探討》 《無損探傷》1998年 NO,2:11
[2] 陳永強等 《超聲換能器性能對檢測質量的影響》 《無損檢測》1999年NO,11:494
