專利名稱：利用超聲波對(duì)檢測物體進(jìn)行無損的材料檢測的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的、進(jìn)行無損的材料檢測的方法。本 發(fā)明還涉及一種按權(quán)利要求16所述的相應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
對(duì)于許多實(shí)心的及局部實(shí)心的產(chǎn)品來說，還對(duì)于半成品來說，都需要研究它們內(nèi) 部結(jié)構(gòu)中的材料缺陷。為此需要無損的材料檢測方法，其提供不可看到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。 這對(duì)于機(jī)械負(fù)載很高的零件來說尤其必要。 例如，由鋼材構(gòu)成的零件經(jīng)澆鑄后進(jìn)行鍛造，隨后通過車削最終成形。在鍛造之后 就已經(jīng)檢測了材料內(nèi)部的缺陷。 通常，這種金屬部件利用超聲波進(jìn)行檢測。在此檢測在材料界面上反射的聲波。利 用反射聲波的傳播時(shí)間，可確定經(jīng)過的行程。通過來自不同方向的聲入射可獲得有關(guān)材料 缺陷的其它信息。由此例如可對(duì)材料缺陷進(jìn)行定位。例如可以這種方式來確定材料缺陷的 幾何取向。從反射聲波的形狀可推斷出材料缺陷的類型。 通過用超聲波探測器來掃描檢測物體的表面，并記下檢測的數(shù)據(jù)，可完全檢測到 超聲波可探測的體積。從檢測的數(shù)據(jù)中可產(chǎn)生用于鑒定的圖像。 有多種可行方案來確定材料缺陷的尺寸。例如在掃描期間，可直接讀出材料缺陷 的范圍。但為此要求，位置分辨率小于材料缺陷的空間尺寸。此位置分辨率由所用的波長 和口徑的大小來限定，因而由聲波的彎曲來限定。 材料缺陷的尺寸也可借助反射信號(hào)的振幅來確定。因此也可確定這種材料缺陷的 大小，其小于這種方法的位置分辨率。但反射信號(hào)的振幅也與其它參數(shù)有關(guān)，例如與材料缺 陷的定向或在界面上的反射特性有關(guān)。 當(dāng)材料缺陷的尺寸縮小時(shí)，反射信號(hào)的振幅也隨之縮小。在此與干擾信號(hào)的間距 太小，以致不能從唯一的振幅-傳播時(shí)間圖表中確定材料缺陷。符合目的的是，在測量信號(hào) 和干擾信號(hào)之間需要+6dB的間距。 借助合適的檢測頭來使聲波聚焦，從而優(yōu)化位置分辨率。在此，聚焦越窄，則檢測 頭相對(duì)于波長越寬。焦距產(chǎn)生更高的聲壓。 圖4在示意的剖面圖中示出了具有材料缺陷30的檢測物體10。檢測物體10的外 側(cè)面上設(shè)有檢測頭16，此檢測頭16構(gòu)成為聚焦的檢測頭。從檢測頭16中發(fā)射出聚焦的聲 波32、34和36。其中，實(shí)線表示當(dāng)前聲波32的波陣面。虛線表示前導(dǎo)的聲波34和后導(dǎo)的 聲波36的波陣面。聚焦的聲波32、34和36沿著預(yù)定的方向在限定的側(cè)面范圍內(nèi)傳播。
檢測頭16在掃描過程中在檢測物體10的表面上沿著掃描方向38移動(dòng)。但聚焦 只在檢測頭16的近場內(nèi)部出現(xiàn)。檢測頭16垂直于發(fā)射方向的寬度越大，則可檢測的材料 缺陷30的距離就越大。 —種評(píng)判材料缺陷的可行方案是，按間隔_強(qiáng)度_尺寸的方法(AVG方法)來評(píng)判 振幅。源自此振幅，給材料缺陷分配了一個(gè)替代反射體尺寸，其可產(chǎn)生垂直回蕩的圓表面。如果檢測的信號(hào)明顯大于干擾信號(hào)或噪聲信號(hào)，則按AVG的方法來評(píng)判振幅是沒問題的。 反射體在此必須位于檢測頭16的聲場的聲軸上。由振幅與到檢測頭16的間距的相關(guān)性， 檢測的振幅相當(dāng)于一種反射體尺寸，該反射體的幾何形狀及朝聲軸的取向是已知的。相反， 如果檢測的振幅小于噪聲信號(hào)或處于類似的數(shù)量級(jí)之中，則不能通過振幅-傳播時(shí)間圖表 確定材料缺陷。 另一改善位置分辨率的方法是"Synthetische Apertur-Fokus-Technik(合成孔 徑聚焦技術(shù))"(SAFT)，其中使用了一個(gè)小型的未聚焦的檢測頭。在此，通過對(duì)檢測物體進(jìn) 行二維的機(jī)械掃描，來計(jì)算出檢測物體的三維圖像。 圖5在示意剖面圖中示出了具有材料缺陷30的檢測物體10，用來闡述SAFT方法。 檢測物體10的外側(cè)面上設(shè)有檢測頭16。此檢測頭與圖4相比具有相對(duì)較小的直徑，并且是 不聚焦的。從檢測頭16中發(fā)射出球窩狀的聲波42、44和46。球窩狀的當(dāng)前聲波42的波陣 面由實(shí)線表示。虛線表示球窩狀的前導(dǎo)的聲波44和球窩狀的后導(dǎo)的聲波46的波陣面。通 過比較圖4和圖5可明顯得出，聚焦聲波的波陣面32、34、36和球窩狀的聲波的波陣面42、 44、46是反向彎曲的。 在SAFT方法中，檢測物體10被計(jì)算機(jī)分成體積元素。在掃描過程中，每個(gè)體積元 素都被看作反射體。檢測頭16的不同位置的反射信號(hào)部分(它們屬于相同的體積元素) 被記錄下來，并借助計(jì)算機(jī)同相地(phasenrichtig)進(jìn)行累加。由于結(jié)構(gòu)性的干涉，只有那 些具有實(shí)際反射的位置以這種方式獲得振幅較大的回波信號(hào)。由于破壞性的干涉，對(duì)于沒 有實(shí)際反射的位置，回波信號(hào)就會(huì)消失。在結(jié)構(gòu)性干涉時(shí)，掃描過程和計(jì)算過程模擬超聲波 探測器，此超聲波探測器的大小與被掃描的表面相當(dāng)，并在一個(gè)位置上聚焦。
由此在分辨率的框架內(nèi)，可確定材料缺陷的位置，并當(dāng)材料缺陷擴(kuò)張時(shí)還可確定 其尺寸。精度大概與在掃描范圍內(nèi)用上述方法所達(dá)到的精度相似。在SAFT方法中，位置分 辨率不是由檢測頭16的尺寸限定，而是可以有很高的位置分辨率。 在SAFT方法中，在缺陷可能出現(xiàn)的區(qū)域中的每個(gè)像點(diǎn)中，所有考慮到的反射信號(hào) 部分都加上時(shí)間推移。如果像點(diǎn)是反射波的源頭，則該時(shí)間推移具有所述信號(hào)部分。時(shí)間 推移(其相當(dāng)于相位位置)從檢測頭16和像點(diǎn)之間的幾何關(guān)系中得出，尤其從檢測頭16 和像點(diǎn)之間的間距得出。如果像點(diǎn)現(xiàn)在實(shí)際上是反射波的源頭，則振幅在這個(gè)位置上隨著 檢測頭16的從中檢測到材料缺陷的不同位置的數(shù)量而增大。對(duì)于其它所有的像點(diǎn)，相位不 是一致的，因此在理想狀態(tài)下總和趨零，至少非常小。 SAFT方法被經(jīng)常應(yīng)用，用來達(dá)到較高的位置分辨率。它在原則上是指聚焦方法，其 中分辨率界限是由波長和合成孔徑產(chǎn)生。此合成孔徑由檢測材料缺陷的角度區(qū)域決定。此 孔徑由檢測頭16的運(yùn)動(dòng)和聲場的發(fā)散來限定。 檢測物體可例如是指燃?xì)饣蛘魵馔钙降霓D(zhuǎn)子，其尤其用來產(chǎn)生電流。這種轉(zhuǎn)子在 運(yùn)行時(shí)承受高負(fù)荷。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與相應(yīng)電網(wǎng)的電網(wǎng)頻率相當(dāng)。例如在電網(wǎng)頻率為50Hz的 電流網(wǎng)中，需要每分鐘3000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。在這么高的轉(zhuǎn)速中，在轉(zhuǎn)子上會(huì)出現(xiàn)很大的離心力。 此離心力隨著轉(zhuǎn)子直徑增大。透平設(shè)計(jì)得越大，則離心力也越強(qiáng)。 在起動(dòng)透平時(shí)，轉(zhuǎn)子尤其在切線方向上熱負(fù)載很大。在這個(gè)階段，轉(zhuǎn)子首先是冷 的，然后通過由外向內(nèi)的熱燃燒氣體達(dá)到工作溫度。因此，對(duì)于透平的使用壽命來說，起動(dòng) 的數(shù)量起尤其大的作用。轉(zhuǎn)子的中間孔區(qū)域的切向負(fù)載是最大的。因此，在孔附近的材料
5缺陷對(duì)透平的長壽命具有決定性的影響。尤其對(duì)于新式的透平輪盤，需要明顯地提高對(duì)軸 向-徑向取向的材料缺陷的探測敏感度。但利用現(xiàn)今的檢測方法，無法足夠精確地確定軸 向-徑向取向的材料缺陷。 由于新式的燃?xì)饣蛘魵馔钙降墓β侍岣吡?，所以也轉(zhuǎn)子無材料缺陷這一要求也提 高了。而且轉(zhuǎn)子的尺寸也增大了，這在材料檢測時(shí)需要更長的超聲波路徑。由于超聲波的 路徑更長，在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部范圍內(nèi)可檢測的材料缺陷的最小尺寸也增大了。因此在方法中也 具有這樣的要求，即在較大的零件中也能確定材料缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，找到一種更好的方法，用來檢測和/或鑒定檢測物體中的材料 缺陷，即使在很大的檢測物體中也能以足夠的精度來確定材料缺陷。
此目的通過權(quán)利要求的內(nèi)容得以實(shí)現(xiàn)。 按本發(fā)明規(guī)定，使用在檢測頭的聲場中與有角度有關(guān)的振幅分布。
本發(fā)明的核心在于修改的SAFT方法，在此方法中考慮在檢測頭的聲場中與有角 度有關(guān)的振幅分布。以這種方式來考慮不同的敏感性(其與角度有關(guān))。單個(gè)反射信號(hào)的 振幅與檢測頭的聲場中的振幅分布有關(guān)。在此利用了檢測頭的空間的聲壓分布，以確定反 射聲波的振幅。在傳統(tǒng)的SAFT方法中，會(huì)丟失有關(guān)振幅的信息。 例如由與角度有關(guān)的振幅分布來確定修正系數(shù)，其與沿著穿過檢測頭的聲場的路 徑的平均敏感度相當(dāng)。修正系數(shù)通過檢測頭的振幅分布上積分來確定。
聲波的振幅優(yōu)選圍繞著聲軸在預(yù)定的角度間隔內(nèi)同相地累加。在此也可以應(yīng)用聲 束發(fā)散性較小(在-6dB時(shí)，例如3。至5° )的檢測頭。 此外，相對(duì)檢測物體的表面上的表面元素，檢測物體可在不同的聲入射角下加載 超聲波。因此材料缺陷常常具有優(yōu)選的尺寸方向，按本發(fā)明，對(duì)檢測物體表面的掃描以及聲 入射角的變化可與檢測物體的幾何形狀及材料缺陷的取向相匹配。 例如，聲入射角位于一種錐形內(nèi)部，該錐形的對(duì)稱軸線構(gòu)成各個(gè)表面元素的法線。
在特定的實(shí)施例中可規(guī)定，沿著預(yù)定的線對(duì)檢測物體的表面或至少表面區(qū)段進(jìn)行 掃描。通過不同的聲入射角，可完整地探測到檢測物體的體積，而不必掃描整個(gè)表面。
優(yōu)選地，按預(yù)定的模式對(duì)檢測物體的表面或至少表面區(qū)段進(jìn)行掃描。此模式可與 檢測物體和/或材料缺陷的幾何形狀相匹配。 聲入射角例如在0。至50°之間，優(yōu)選在0。至30°之間。 此方法尤其用于至少局部旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的檢測物體。在此，掃描可尤其簡單地與檢測 物體的幾何形狀相匹配。如果此方法用于至少局部呈圓柱形的檢測物體，則這一點(diǎn)尤其適 用。 聲入射方向優(yōu)選相對(duì)于圓柱形檢測物體表面具有徑向分量、切向分量和/或軸向 分量。因此也可識(shí)別出特別扁平的材料缺陷。 在優(yōu)選的實(shí)施例中，此方法用于對(duì)金屬的檢測物體進(jìn)行材料檢測，尤其用于對(duì)鍛 造零件進(jìn)行材料檢測。此方法尤其用于透平輪的材料檢測。 此外，本發(fā)明還涉及一種裝置，用來對(duì)至少局部實(shí)心的檢測物體進(jìn)行無損的材料 檢測，此裝置是為上述的方法而設(shè)置的。
此裝置優(yōu)選具有至少一個(gè)檢測頭，用來發(fā)送超聲波，和用來探測在檢測物體內(nèi)部 反射的超聲波。 檢測頭尤其是可擺動(dòng)的，因此聲入射方向相對(duì)于檢測物體表面的表面法線是可變 化的。 最后，檢測頭相對(duì)于檢測物體表面的表面法線在O。至60°之間擺動(dòng)，尤其在0。 至30°之間擺動(dòng)。 本發(fā)明的其它特征、優(yōu)點(diǎn)和特別的實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。


下面借助優(yōu)選的實(shí)施例并參照附圖，在附圖描述中詳細(xì)闡述了按本發(fā)明的方法。 其中 圖1在示意性的側(cè)面剖視圖中示出了按本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例的檢測物體 和檢測頭； 圖2在示意性的剖視圖中從上方示出了按本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例的檢測物 體和檢測頭； 圖3在示意性的草圖中示出了按本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例的檢測物體、檢測頭 及材料缺陷的幾何關(guān)系； 圖4在示意性的剖視圖中示出了按現(xiàn)有技術(shù)的檢測物體和聚焦檢測頭；以及
圖5在示意性的剖視圖中示出了按現(xiàn)有技術(shù)的SAFT方法的檢測物體和檢測頭。
具體實(shí)施例方式
圖1在示意性的側(cè)面剖視圖中示出了檢測物體10。檢測物體10是構(gòu)成為圓柱形 的。檢測物體10具有與檢測物體10同心的孔12。因此，此孔12和檢測物體10具有相同 的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸線14，其在圖1中與視圖平面垂直。檢測物體10具有外半徑ra和內(nèi)半徑ri。 因此，檢測物體10的內(nèi)半徑&相當(dāng)于孔12的半徑。在具體的實(shí)施例中，檢測物體10是指 用于燃?xì)饣蛘魵馔钙降耐钙奖P。 檢測頭16位于檢測物體10的外周邊表面上。此檢測頭16具有超聲波發(fā)送器和 超聲波探測器。在檢測物體10中還示出了切向的材料缺陷18和徑向的材料缺陷20。材料 缺陷18和20分別在檢測物體10中構(gòu)成空腔。切向的材料缺陷18相對(duì)于圓柱形檢測物體 10基本在切向方向上延伸。而相應(yīng)地，徑向的材料缺陷20相對(duì)于檢測物體10基本在徑向 方向上延伸。 通過檢測頭16在檢測物體10的外表面上移動(dòng)，來實(shí)施材料檢測。圖1明顯示出 了，徑向聲波22在切向的材料缺陷18上反射得尤其強(qiáng)烈，因?yàn)榍邢虻牟牧先毕?8基本與 檢測物體10的表面平行。同樣明顯的是，切向的聲波24在徑向的材料缺陷18上反射得尤 其集中。 相反明顯的是，切向的聲波24在切向的材料缺陷18上反射得非常弱。徑向的聲 波22在徑向的材料缺陷20也反射得很少。 在按本發(fā)明的方法中，信號(hào)以不同的角度從檢測頭16中發(fā)出。其中，要么檢測頭 16自身、要么其發(fā)聲的元件可這樣擺動(dòng)，即通過掃描外圓周表面，使檢測物體10的整個(gè)體積都是可接近的。由此尤其可輕易地檢測這樣的材料缺陷20，即它與檢測物體10的表面平 行的尺寸相對(duì)比較小。這在圓柱形的檢測物體10中例如這樣得以實(shí)現(xiàn)，即聲入射方向除了 徑向分量外，還具有切向分量。具有徑向和軸向的聲入射方向也是可能的。最后，聲入射方 向也可以由徑向分量、切向分量和軸向分量組接而成。 在按本發(fā)明的方法中，不強(qiáng)制地要求在整個(gè)表面或整個(gè)表面區(qū)段上掃描，以對(duì)檢 測物體10的整個(gè)體積進(jìn)行檢測。例如可以在表面上的某個(gè)路段或某個(gè)路徑上掃描，因?yàn)橥?過擺動(dòng)檢測頭16就能探測到體積的相關(guān)區(qū)域，而無須對(duì)表面進(jìn)行完整地掃描。
圖2在示意性的剖視圖中從上方示出了按圖1的實(shí)施例的檢測物體10和檢測頭 16。圖2示出了孔12、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸線14和徑向聲波22。軸向的材料缺陷26具有至少在軸 向上足夠大的尺寸。圖2明顯示出了，徑向聲波22足夠強(qiáng)烈地被軸向的材料缺陷26反射。 在聲入射角不是太大的情況下，切向的聲波24也足夠強(qiáng)烈地被軸向的材料缺陷26反射。
圖3在示意性的草圖中示出了按本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例的檢測物體10、檢測 頭16及材料缺陷28的幾何關(guān)系。在材料缺陷28和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸線14之間定義了徑向的間 距rs。從檢測頭16 —直到材料缺陷28的聲路徑s由以下給出 S = K 聲路徑s與表面法線ra之間的角度構(gòu)成聲入射角a或聲入射方向。聲路徑s和 材料缺陷28的相應(yīng)的間距矢量rs構(gòu)成直角13 。 通過應(yīng)用聚焦的檢測頭16，來提高材料缺陷28附近的聲壓。由此來改善信噪比。 但這只在近場內(nèi)部有效。近場的長度n由
n = d2/(4 A )給出。 在此，d是指檢測頭16的寬度，A是指聲波的波長。在A = 5mm的典型波長及近 場的期望長度為n = lm時(shí)，需要寬度為d = 140mm的檢測頭16。借助SAFT方法，無須這個(gè) 寬度也可以達(dá)到這個(gè)近場長度n。在SAFT方法中，可模擬較寬的檢測頭，因而達(dá)到虛擬的聚焦。 反射聲波的振幅一方面與材料缺陷28的空間尺寸有關(guān)，另一方面與材料缺陷28 的界面上的反射特性有關(guān)。 在超聲波測量時(shí)，典型地會(huì)出現(xiàn)兩種噪聲信號(hào)。第一種噪聲信號(hào)是指在每個(gè)電子 檢測系統(tǒng)(尤其放大器)中出現(xiàn)的噪聲。這可通過平均化來降低。在第一種噪聲信號(hào)和反 射聲信號(hào)之間沒有相關(guān)性，尤其沒有相位相關(guān)性。因此，把信號(hào)累加起來，可以平均化噪聲 信號(hào)。如果噪聲信號(hào)沒有直流電壓分量，則隨著加數(shù)數(shù)量的增加，這些噪聲信號(hào)的和就趨于 零。在實(shí)踐中，沒有或只有很小的直流電壓分量。 第二種噪聲信號(hào)來自檢測物體本身。在金屬的組織結(jié)構(gòu)上的反射構(gòu)成底噪，其與 反射的聲信號(hào)相關(guān)。底噪同樣是指反射的聲信號(hào)。它在多晶材料中由在其晶界和在晶軸取 向不同的區(qū)域中的反射形成。晶體是聲音各向異性的，因此波阻在晶界上是變化的。這在 實(shí)際上是指所有的金屬材料。由于組織結(jié)構(gòu)的單個(gè)反射不是干擾性的，但在檢測物體10擴(kuò) 張的區(qū)域內(nèi)會(huì)以這種方式產(chǎn)生噪聲信號(hào)。 在組織上及在材料缺陷上的反射可通過SAFT方法來分開。組織噪聲示出了空間 上的統(tǒng)計(jì)。組織上的反射是與相位相關(guān)的。但是，在SAFT算法中求和會(huì)導(dǎo)致相對(duì)削弱在組織上的反射，因?yàn)榫Ы绶瓷涞帽炔牧先毕莞?。如果由于多個(gè)晶界的振幅偶然地同相地相 互疊加形成了振幅和，則它的角度還可以收窄得更厲害。隨著角度間隔的增加，由于材料缺 陷引起的振幅也會(huì)比由晶界引起的振幅更強(qiáng)地增大。 對(duì)于按本發(fā)明的方法，例如使用直徑為d = 24mm的檢測頭16。在按本發(fā)明的SAFT 算法中，要考慮檢測頭16的聲場。與此相反，在已知的SAFT算法中，忽略了檢測頭16的尺 寸。 尤其通過超聲波脈沖在檢測物體10中的波阻的躍變的空間變化上的反射成份形 成檢測的信號(hào)。如果該處沒有由結(jié)構(gòu)引起的材料邊界或材料過渡，則此變化就解釋為材料 缺陷。此檢測的信號(hào)只包含有關(guān)振幅或傳播時(shí)間的信息。因?yàn)樵跈z測物體10的材料中的 聲速是已知的，因此由傳播時(shí)間也可以確定間隔?？梢詰?yīng)用聲場的空間分布和檢測頭16敏 感度的空間分布來在橫向上確定位置。 具有振幅和傳播時(shí)間的信號(hào)(它們是沿著檢測頭16的路徑探測到的)基于在檢 測物體10中的位置傳播時(shí)間正確地進(jìn)行累加。通過這種位置正確地歸屬在正確的位置中， 信號(hào)的振幅和(其來自檢測物體的特定位置)隨著加入的信號(hào)而增大了這個(gè)信號(hào)的振幅。 但此振幅與檢測頭16的位置有關(guān)，因此與材料缺陷28在聲場內(nèi)的相對(duì)位置有關(guān)。
材料缺陷的振幅的均值無方向效應(yīng)地與其反射能力成比例地用系數(shù)k加權(quán)。此系 數(shù)k是沿著材料缺陷18的路徑穿過檢測頭16的聲場的平均敏感度的數(shù)值。以這種方式可 有效地評(píng)價(jià)探測到的振幅。 在按本發(fā)明的方法中，不是單個(gè)探測到的振幅、而是計(jì)算出來的空間振幅分布作
為時(shí)間函數(shù)來評(píng)價(jià)。這可再次通過SAFT方法來重建。與直接探測到的振幅相比，計(jì)算出來
的空間振幅分布具有更高的信噪比。以這種方式可以更簡單地鑒定材料缺陷。 按本發(fā)明的方法，可在振幅較小的情況下通過相對(duì)地降低噪聲，來擴(kuò)大根據(jù)AVG
方法的反射體評(píng)價(jià)的應(yīng)用，例如在使用寬檢測頭16時(shí)的一樣。這是基于這樣的假設(shè)，即較
小的振幅是由于反射體的尺寸較小。因此，反射體具有較小的方向效應(yīng)(其歸因于彎曲)
只對(duì)探測到的振幅具有可忽略的影響。 按本發(fā)明的方法尤其可檢查較大的檢測物體IO，其具有相應(yīng)大的聲路徑。較大的 聲路徑產(chǎn)生較小的振幅。 按本發(fā)明的方法可應(yīng)用在已知的傳統(tǒng)的檢測技術(shù)上，其中對(duì)檢測物體進(jìn)行機(jī)械地
掃描，檢測物體io的位置或運(yùn)動(dòng)對(duì)每次探測到的振幅-傳播時(shí)間圖表是已知。 首先通過聲場來掃描反射體，從而對(duì)振幅進(jìn)行評(píng)價(jià)。振幅在聲場中的角度相關(guān)性 是已知的。m個(gè)振幅繞著聲軸在確定的角度間隔A Y內(nèi)累加。由于可得出振幅和H，和基 準(zhǔn)反射體的尺寸之間的明確關(guān)系，該基準(zhǔn)反射體可產(chǎn)生相同的振幅和HSUffl。
振幅和H，由以下得出
HSuffl=E Hi"i)， 其中探測到的數(shù)量m個(gè)振幅相加。在此，&是指單次測量時(shí)探測到的振幅，Y i是 朝聲軸的角度間隔。在測量點(diǎn)的間隔固定的情況下，單次測量時(shí)的角度間隔是大致等距離 的。隨著單次測量次數(shù)m的增加，修正系數(shù)k就接近閥值，該閥值與角度間隔A Y下的平 均敏感度相當(dāng)。如果材料缺陷18的確切位置位于聲軸上，則從檢測頭16的位置中得出與 AVG方法相關(guān)的在材料缺陷18和檢測頭16之間的間隔。
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按AVG方法，在振幅和Hsum和振幅HATC之間存在著以下關(guān)系
HAve = HSm/(m*k)， 其中m指單次測量的次數(shù)，k指修正系數(shù)。修正系數(shù)k由以下得出
k = (1/m) E H。(Yi)， 其中探測到的振幅以數(shù)量m累加。在此，H。(Y》是指在檢測頭16的聲場中的與 角度有關(guān)的振幅分布，其標(biāo)準(zhǔn)化為H。(Y =0) = 1。 隨著材料缺陷(即反射體)的尺寸的增大，其方向效應(yīng)也會(huì)增大。在材料缺陷較 大且在平均的傾斜位置的情況下，這可能會(huì)導(dǎo)致低估在角度間隔A Y下的振幅，因此應(yīng)該 加以考慮。此方法尤其適用于較小的材料缺陷，它的方向效應(yīng)相對(duì)不那么重要。
圖4在示意性的剖視圖中示出了按現(xiàn)有技術(shù)的檢測物體10和聚焦檢測頭16。檢 測物體10具有材料缺陷30。檢測頭16位于檢測物體10的外側(cè)面上，此檢測頭構(gòu)成為聚焦 的檢測頭。從檢測頭16中發(fā)射出聚焦的聲波32、34和36。 其中，實(shí)線表示當(dāng)前聲波32的波陣面。虛線表示先前導(dǎo)的聲波34和后導(dǎo)的聲波 36的波陣面。聚焦的聲波32、34和36沿著預(yù)定的方向在限定的側(cè)面范圍內(nèi)傳播。因此，聚 焦的聲波18和20非球形地在整個(gè)半腔中傳播。 檢測頭16在掃描過程中在檢測物體10的表面上沿著掃描方向38移動(dòng)。但聚焦 只在檢測頭16的近場內(nèi)部出現(xiàn)。檢測頭16垂直于發(fā)射方向的寬度越大，則近場的長度就 越大，因而聚焦的聲波的入射深度就越大。 圖5在示意性的剖視圖中示出了按現(xiàn)有技術(shù)的SAFT方法的檢測物體10和檢測頭 16。示出了具有材料缺陷30的檢測物體10。檢測物體10的外側(cè)面上設(shè)有檢測頭16。此 檢測頭與圖4相比具有相對(duì)較小的直徑，并且是不聚焦的。 從檢測頭16中發(fā)射出球窩狀的聲波42、44和46。球窩狀的當(dāng)前的聲波42的波陣 面由實(shí)線表示。虛線表示球窩狀的先導(dǎo)的聲波44和球窩狀的后導(dǎo)的聲波46的波陣面。通 過比較圖4和圖5可明顯得出，波陣面32、34、36和波陣面42、44、46是反向彎曲的。
在SAFT方法中，檢測物體10被計(jì)算機(jī)分成體積元素。在掃描過程中，每個(gè)體積元 素都連續(xù)地被看作反射體。檢測頭16的不同位置的反射信號(hào)部分(它們屬于相同的體積 元素)被記錄下來，并借助計(jì)算機(jī)同相地進(jìn)行累加。由于結(jié)構(gòu)性的干涉，只能對(duì)那些具有實(shí) 際反射的位置以這種方式獲得振幅較大的回波信號(hào)。 由于破壞性的干涉，對(duì)于沒有實(shí)際反射的位置，回波信號(hào)就會(huì)消失。在結(jié)構(gòu)性干涉 時(shí)，掃描過程和計(jì)算過程模擬超聲波探測器，此超聲波探測器的大小與被掃描的表面相當(dāng)。 在已知的SAFT方法中，聲入射角總是O。，檢測物體10的整個(gè)表面都被掃描。
與此相反，聲入射角a按本發(fā)明是可變化的。 按本發(fā)明的方法并不局限于圓柱形的檢測物體10(如輪盤或軸)，聲入射方向可 由合適的基本矢量組成，其與檢測物體10的幾何形狀相匹配。 此外，在選擇合適的檢測頭16的擺動(dòng)軸線時(shí)，不需掃描整個(gè)表面，而是只需沿著 預(yù)定的路程或預(yù)定的路徑進(jìn)行掃描。因此，按本發(fā)明的方法提供了更多的可能性，來充分地 探測檢測物體10的整個(gè)體積。 按本發(fā)明的方法可明顯更好地識(shí)別較小的材料缺陷以及那些深埋于檢測物體IO 內(nèi)部的材料缺陷。
權(quán)利要求
一種用來對(duì)至少局部實(shí)心的檢測物體(10)進(jìn)行無損的材料檢測的方法，檢測物體(10)用超聲波(20、24)來加載，并探測在檢測物體(10)的內(nèi)部反射的超聲波，其中此方法具有以下步驟a)計(jì)算機(jī)輔助地把檢測物體(10)分成預(yù)定數(shù)量的體積元素；b)在對(duì)檢測物體(10)的表面或至少一個(gè)表面區(qū)段進(jìn)行掃描期間，在多個(gè)表面元素上用超聲波對(duì)檢測物體(10)進(jìn)行加載；c)在對(duì)檢測物體(10)的表面或至少表面區(qū)段上的多個(gè)表面元素進(jìn)行掃描期間，探測在體積元素上反射的聲波；d)同相地累加在相同體積元素上反射的并在檢測物體(10)的表面的不同表面元素上探測到的聲波，其特征在于，在檢測頭(16)的聲場中使用與角度有關(guān)的振幅分布(H0)。
2. 按權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，由所述與角度有關(guān)的振幅分布來確定 修正系數(shù)(k)，該修正系數(shù)與沿著穿過檢測頭(16)的聲場的路徑的平均敏感度相當(dāng)。
3. 按權(quán)利要求l或2所述的方法，其特征在于，在步驟d)中聲波的振幅圍繞著聲軸在 預(yù)定的角度間隔(A A)內(nèi)同相地累加。
4. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，以相對(duì)檢測物體(10)的表面上 的表面元素不同的聲入射角(a)給檢測物體(10)加載超聲波。
5. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述聲入射角(a)位于一種錐 形內(nèi)部，該錐形的對(duì)稱軸線構(gòu)成各個(gè)表面元素的法線。
6. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，沿著預(yù)定的線對(duì)檢測物體(10) 的表面或至少表面區(qū)段進(jìn)行掃描。
7. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，按預(yù)定的模式對(duì)檢測物體(10) 的表面或至少表面區(qū)段進(jìn)行掃描。
8. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，完整地對(duì)檢測物體(10)的表面 或至少表面區(qū)段進(jìn)行掃描。
9. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述聲入射角(a)在0°至 50°之間，優(yōu)選在0。至30°之間。
10. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，此方法用于至少局部旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 的檢測物體(10)。
11. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，此方法用于至少局部呈圓柱形的檢測物體(10)。
12. 按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，聲入射方向具有相對(duì)于圓柱形檢測物體 (10)的表面的徑向分量、切向分量和/或軸向分量。
13. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，此方法用于對(duì)金屬的檢測物質(zhì) (10)進(jìn)行材料檢測。
14. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，此方法用于對(duì)鍛造零件(10) 進(jìn)行材料檢測。
15. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，此方法用于對(duì)透平輪進(jìn)行材料 檢測。
16. —種用來對(duì)至少局部實(shí)心的檢測物體(10)進(jìn)行無損的材料檢測的裝置，其特征在 于，此裝置是為按權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的方法而設(shè)置的。
17. 按權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，此裝置具有至少一個(gè)檢測頭(16)，用來發(fā) 送超聲波(20、24)以及用來探測在檢測物體(10)內(nèi)部反射的超聲波。
18. 按權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，檢測頭(16)是可擺動(dòng)的，因此聲入射方向 相對(duì)檢測物體(10)的表面的表面法線是可變化的。
19. 按權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述檢測頭(16)相對(duì)于檢測物體(10)的 表面的表面法線在0。至60°之間擺動(dòng)，尤其在0。至30°之間擺動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法，用來對(duì)至少局部實(shí)心的檢測物體(10)進(jìn)行無損的材料檢測，檢測物體(10)用超聲波(20、24)來加載，并探測在檢測物體(10)的內(nèi)部反射的超聲波。本方法具有以下步驟計(jì)算機(jī)輔助地把檢測物體(10)分成預(yù)定數(shù)量的體積元素；在對(duì)檢測物體(10)的表面或至少一個(gè)表面區(qū)段進(jìn)行掃描期間，在多個(gè)表面元素上用超聲波對(duì)檢測物體(10)進(jìn)行加載；對(duì)檢測物體(10)的表面或至少表面區(qū)段上的多個(gè)表面元素進(jìn)行掃描期間，探測在體積元素上反射的聲波；同相地累加在相同體積元素上反射的并在檢測物體(10)的表面的不同表面元素上探測到的聲波。按本發(fā)明規(guī)定，在檢測頭(16)的聲場中使用與角度有關(guān)的振幅分布(H0)。
文檔編號(hào)G01N29/44GK101711358SQ200880015964
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2008年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日
發(fā)明者M·戈?duì)栠_(dá)默, R·貝姆, W·海因里克 申請(qǐng)人:西門子公司