单晶直探头检测灵敏度调整方法比较

侯英麟

（淄博市产品质量监督检验所，山东 淄博 255000）

1 相关概念及公式

（1）检测灵敏度。检测最小缺陷的能力，一般以有效检出工件中某一规定尺寸的缺陷作为度量。检测灵敏度过低过高都不利于检测。灵敏度过低，不能有效检出缺陷，容易出现漏检；灵敏度过高，杂波过多，影响缺陷判断。

（2）近场区及近场区长度。波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域，称为近场区。波源轴线上的声压随距离变化的情况如图1中实线所示。

图1 圆盘源轴线上声压分布

波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N 表示。

（3）远场区。波源轴线上至波源的距离＞N 的区域称为远场区。远场区轴线上的声压随距离增加单调减小。当≥3N 时，声压与距离成反比，近似球面波规律。

（4）平底孔回波声压。在≥3N 的圆盘波源轴线上存在一平底孔（圆片形）缺陷，假设波束轴线垂直于平底孔，超声波在平底孔上全反射，平底孔直径较小，表面各点声压近似相等。根据惠更斯原理可以把平底孔当做一个新的圆盘源，其起始声压就是入射波在平底孔处的声压，则探头接收到的平底孔回波声压为：

（5）大平底回波声压。当x ≥3N 的时，超声波在与波束轴线垂直、表面光洁的大平底面上的反射就是球面波在平面上的反射，其回波声压为：

2 试块调整法

（1）调整方法。①根据工件被检部位的厚度和灵敏度要求选择相应的CS-2 对比试块。当工件检测面曲率半径小于等于250mm 时，还应采用曲面对比试块（试块曲率半径在工件曲率半径的0.7 ～1.1 倍范围），或采用CS-4 对比试块来测定由于曲率不同而引起的声能损失。②依次测试不同距离的标准平底孔（至少3 个）。制作单晶直探头的距离-波幅曲线。③实测试块与工件表面因粗糙度不同引起的耦合补偿，以及试块与工件因材质衰减不同引起的反射波高差异等。④进行相应的灵敏度补偿，补偿后的曲线作为基准灵敏度。例如用超声波直探头检测厚度为100mm 的饼形锻件，检测灵敏度要求：不允许存在Φ2mm 平底孔当量大小的缺陷，传输修正值4dB。检测灵敏度的调整方法为：选取CS-2 对比试块中带有Φ2mm 平底孔且满足所检工件厚度范围的1 号、4 号、7 号、10 号试块，通过依次测试25mm、50mm、75mm、100mm 处Φ2mm 平底孔，绘制距离波幅曲线-波幅曲线，增益4dB 进行传输修正，检测灵敏度调整完成。

（2）试块调整法优点。①适用于底面不规则，不能获得底波的工件。实际检测过程中，多数工件是不规则的，表面粗糙也无法保证，试块法不需要借助底面回波来进行计算，对底面要求不高，因而能够用来有效调整底面不规则试件的检测灵敏度。②检测范围不受三倍探头近场区长度限制。采用试块法调整，能有效检出距离工件表面三倍近场区长度范围内的缺陷，避免该区内域缺陷的漏检、误检。

（3）试块调整法缺点：①需要大量不同声程、不同当量尺寸的试块，成本高，携带不便。实际检测过程中如果全部采用试块法，需要针对不同规格试件使用大量对比试块进行灵敏度调节，这样既降低了工作效率，又增加了成本。同时由于试块多，分量重，不易携带，给现场检验的实施带来不便。②需要考虑工件与试块因耦合和衰减不同而进行必要的传输修正。传输修正值的测定方法是通过试块底波与工件底波进行比较，取比值的分贝差。因此，要求试块与工件均具有相互平行的大平底。若不具备平行表面时，则不能进行传输修正，要求试块与工件表面状态和材质基本一致。

3 工件底波调整法

（1）调整方法：①确认工件被检部位的厚度≥3N。②计算工件底面反射回波与同深度人工缺陷（平底孔）反射回波分贝差：

利用工件底波调整灵敏度的方法如下。

①确认能否用大平底调节灵敏度，

（2）底波调整法的优点：①不需要加工任何试块。底波调整法直接利用工件的大平底进行灵敏度调节，避免了试块调整法中大量依赖对比试块的作法，方便快捷，经济实用。②不需要进行传输修正。底波调整法的对比试块就是工件本身，灵敏度调整和实际检测过程中表面耦合状况，材质衰减基本一致，无需进行传输修正值的测定，准确高效。

（3）底波调整法的缺点：①工件被检部位的厚度必须大于等于三倍近场区长度。被检部位的厚度＜3N时，声压分布不均，近场区内由于波的干涉还会出现一系列声压极大极小值；被检部位的厚度≥3N 时，声压与距离成反比，近似球面波规律。②工件底面应足够大。采用底波调整法的前提是超声波在工件底面全反射，因此必须保证工件底面大于探头声场直径。③工件必须具有平行底面或圆柱曲底面，且底面光洁干净。当底面粗糙度不够或有油污、水时，将使底面反射率降低，底波下降，这样调整的灵敏度偏高。④底波应在工件完好部位取得。当工件中存在缺陷时，一般应在远离缺陷的完好区域取得底波，如果在靠近缺陷的无缺陷完好区域取得底波，将使检测灵敏度提高。因为靠近缺陷处的无缺陷完好区域底波一般比远离缺陷的完好区域底波高度低。

4 综合比较

总的来说，试块法基本不受工件底面状况、缺陷深度影响，适用范围较广。但所用试块多，效率低，成本高。底波法不用试块，不考虑传输修正，效率高，成本低。但适用范围受限，只能检测距离工件表面三倍近场区长度之外的缺陷，同时对工件底面状况的要求较高。

因此，在工件底面满足要求且被检部位的厚度≥3N 时，一般采用底波法调整检测灵敏度。当工件底面无法满足要求或被检部位的厚度＜3N 时，采用试块法调整检测灵敏度。

5 结语

以上两种方法各有优缺点，使用过程中要综合考虑，合理运用，在保证检测灵敏度的前提下，提高效率，降低成本。