超声波技术在无损检测上的应用

超声波技术在无损检测上的应用

一、 摘要

1. 关键词

超声波技术 无损检测 材料内部缺陷 评价

2.摘要

介绍简单的超声波无损检测原理及其试验方法，对超声波无损检测过程进行总结，并对超声波无损探测技术进行探讨，未来展望。

二、 论文内容

1. 背景

超声波是频率在Hz Hz 12410~102⨯的声波，具有波长短、易于定向发射、不易被干扰等优点。超声波测试把超声波作为一种信息载体，已在海洋探查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。在检测中，利用超声波检测固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等。

2. 论述

1) 主要理论

某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产

生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的

表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电

效应。当晶体不受外力作用，其正负离子向相

反方向移动，于是产生了晶体的变形，这就是

逆压电效应。

超声换能器中的压电晶片采用在室温下仍具有

压

电效应，逆压电效应的压电陶瓷，当被施与电压时，便会产生震荡，并产生超声波。震动过程中其振幅逐渐减少，因此发射出一个超声波波包，已被称为脉冲波。在检测过程中，散射波被同一换能器接收，并产生震荡电压，电压放大后可由示波器显示。

超声波换能器亦被称为超声波探头，主要分为直探头和斜探头两种。其中直探头产生纵波，斜探头产生横波和表面波，而横波只能在固体介质中传播。各探头存在延迟，其中直探头延迟一般较小，在测量精度要求不高时，可以忽略。 直探头测量缺刻深度时缺刻深度t C H L ⨯=

斜探头进行探测时，如果测量得到超声波在材料中传播的距离为M 则其深度H

（a ） 晶体振动 (b) 脉冲波

和水平距离L 为βtan ⋅=M H βcot ⋅=M L

2) 实验方法

1）探头延迟与试块声速的测量：

❖ 将探头放在试块的正面。图1-1为示波器接收

得到的超声波信号。S 称为始波，t0为电脉冲施加

在压电晶片的时刻，也是发射超声波始波的初始时

刻，B1称为试块的1次底面回波， t1是超声波传

播到试块底面，又发射回来，被同一个探头接收的

时刻。因此， t1对应于超声波在试块内往复传播

的时间； B2 称为试块的2次底面回波，它对应超

声波在试块内往复传播到试块的上表面后，部分超

声波被上表面反射，并被试块底面再次反射，即在

试块内部往复传播两次后接收到的声波。

此时，直探头的延迟为1202t t t -=，纵波声速为122t t L C L -=

其中L 为试块深度。

2）直探头探测缺陷深度

将直探头对准缺刻，观察波形，则可以得到

缺刻深度：20t t C H c L -⨯=其中L C 为纵波声速， c t 为缺陷C 回波，0t 为直探头延迟

3）斜探头测量缺陷深度和水平距离 这里我们以CSK-IB 铝试块上的D 孔定位为例

A 、

B 为试块中的两个横孔，距试块边沿距离分别为A ，B 孔的水平距离

分

别

为

B

A x x 、间

的

水

平

距

离

为

L

，

让

斜探头先后对准A,B 找到最大回波，测量它们的回波时间B A t t 、,探头前S 始波 S 始波 t 1 B1 B 2 t 2 t0 缺陷波

t 1 t

2 B 2 t0 B1 S

沿到试块边沿的水平距离为B A L L 、，A,B 孔的深度分别问B A H H 、,他

们的深度差为H ，则有：

L L L S A B --=

斜探头的折射角为 )arctan(

H S =β, 试块中的声速β

cos )(2A B t t H C -= 斜探头延迟：β

cos 20⋅-=C H t t B B 探头的前沿距离)(tan 0B B B x L H L --⋅=β

再把探头对准D 孔，找到最大回波，测量D D t L 、则有：

D 孔深度2

cos )(0βt t C Y D D -= D 孔离试块前沿水平距离 βtan 0D D D Y L L x -+=

这样就实现了D 孔的定位。

三、 结论

对于材料缺陷深度的测量，首先应测出所用设备的本身属性和待测材料属性，如延迟，材料中纵波声速等，然后就可以用如上方法，测出材料中的缺陷深度。

同样的，在运用超声波探测对材料中未知缺陷的深度和水平距离定位的过程中，首先也要通过对材料中已知最少两点的定向测定得出探头的延迟，折射角，以及待测材料中的声速，在通过如上方法就可以实现材料中未知缺陷的定位。

可见，运用超声波具有波长短、易于定向发射、不易被干扰等特点，就可以进行材料、结构内部不连续状态（缺陷）的检测与评估，以及测量材料特性。前者如各种加工工艺产生和引入的缺 陷，包括检测和评价铸造、锻压、焊接产品内部和表面的裂纹、气孔、分层、夹渣、未焊合、缩孔、疏松、白点等，粘接、胶接、钎焊等连接接头的弱结合、局部连 接不良等。后者包括晶粒度、弹性模量、泊松比、应力水平等的无损测量。

综上，超声波无存检测具有以下效益：

1.在产品制造过程中，早发现缺陷，及时采取补救措施或报废，避免或减少损失。

2.控制产品质量，减少运行故障，减少用户索赔，提高产品在用户心目中的地位，具有很大的近期和长远的经济效益和社会效益。

3.评价在役缺陷，适当延寿，延长产品和结构的服役时间。

4.方便、迅速地获得材料的性能参数，节省时间、人力、物力和财力。