超声波检测

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6.1 超声波的产生、性质及衰减
• （1）纵波。质点振动方向和传播方向一致的波称为纵波，如图6-2 所示。它能在固体、液体和气体中传播，在检测中用于纵波检测法。
• （2）横波。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，如图6-3 所示。它只能在固体中传播，用于横波检测法。
• （3）表面波。质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传 播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波，又称瑞利波，如图64所示。表面波质点振动的轨迹是椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方 向，短轴平行于传播方向。它用于表面波检测法。
• 4.具有可穿透物质和在物质中有衰减的特性
• 超声波这一性质与射线相似，但超声波具有更强的穿透能力。这是 因为超声波在介质中的传播就是声能的传播，由于声能（声强）与频率 的平方成正比，而检测用超声波频率远高于声波（如1MHz超声波能量大 约是1kHz声波的100万倍），因而超声波的能量很大。同时，超声波在 大多数介质中，尤其是在钢等金属材料中传播时，传输损失少，传播距 离大，一般可达数米远，因此穿透能力强。所以超声检测能有较大的探 测深度，这是其他检测方法不能比拟的。
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6.1 超声波的产生、性质及衰减
• 显然，异质界面上的反射是很严重的，尤其固-气界面K≈100%，因 此，检测中良好的藕合是一必要条件。当然，焊缝与其中缺陷构成的异 质界面也正因为有极大的反射才使检测成为可能。同时，反射系数K值 仅决定于两介质声阻抗Z之差，且差值越大，则K值越大，而与何者为第 一介质无关。
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6.1 超声波的产生、性质及衰减
• 应该注意，由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波形，因 此，对金属（焊缝）进行检测时必须选定所需超声波类型（通常选择横 波），否则，会使回波信号发生混乱而得不到正确的检测结果。同时， 检测中通常把空气介质亦作为真空处理，即认为超声波不能通过空气进 行传播。
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6.2 超声波检测设备简介
• 2.斜探头
• 可发射和接收横波，主要由压电晶片、吸收块和斜楔块组成，其结 构如图6-11所示。晶片产生纵波，经斜楔倾斜入射到被检工件中转换为 横波。若斜楔为有机玻璃，工件为钢，斜探头的入射角在28°～61°时， 在钢中可产生横波。斜楔形状的设计应使超声波在斜楔中传播时不得返 回晶片，以免出现杂波。
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6.1 超声波的产生、性质及衰减
• 在进行焊缝超声波检测时，第Ⅰ介质为探头的有机玻璃或环氧树脂， 第Ⅱ介质为钢材，则按式（6-1）计算可得： • 第一临界角
• 第二临界角
• 由第一、二临界角的物理意义可知：
• ①当α＜α1m时，第Ⅰ介质中既存在折射纵波又存在折射横波，这 种情况在检测中不采用。
• 按几何光学原理，不同波形的声波入射角、反射角、折射角的关系 为：
•
（6-1）
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6.1 超声波的产生、性质及衰减
式中cL、cL1—介质I的纵波声速，m/s； • cS1—介质Ⅰ的横波声速，m/s； • cL2—介质Ⅱ的纵波声速，m/s； • cS2—介质Ⅲ的横波声速，m/s； • α—声波入射角，（°）；
• （4）兰姆波。兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，在板的两表 面和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度，沿着板的两表面及 中部传播，所以又称为板波。若两表面质点振动的相位相反，中部质点 以纵波的形式振动则称为对称型兰姆波；若两表面质点振动的相位相同， 中部质点以横波的形式振动则称为非对称型兰姆波，如图6-5所示。兰 姆波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷，还可检测材料的晶粒度和复合材 料的黏合质量等。
• 式（6-4）表明，声压按负指数规律衰减。同时研究指出，散射衰 减系数α与频率f，晶粒平均直径d及各向异性系数F有关，且当d≤λ时， α与f4、d3成正比。因此，检测晶粒较粗大工件时，为减少散射衰减而 常选用较低的工作频率。而可淬硬钢的焊缝亦建议在其调质热处理晶粒 得到细化后再进行超声波检测。
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6.1 超声波的产生、性质及衰减
• 总之，在金属材料的超声波检测中，主要考虑散射引起的衰减，其 规律为：
•
（6-4）
• 式中pX—离压电晶片表面为X处的声压，Pa； • p0—超声波原始声压，Pa； • e—自然对数的底；
• α—金属材料的（散射）衰减系数，dB/m；
• x—超声波在材料中传播的距离，m。
• ②当α=α1m～α2m时，第Ⅱ介质中只存在折射横波。这是常用的斜 探头的设计原理和依据，也是横波检测的基本条件。
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6.1 超声波的产生、性质及衰减
• ③当α＞α2m时，第Ⅱ介质中既无折射纵波又无折射横波，但这时 在第Ⅱ介质表面形成表面波，这是常用表面波探头的设计原理和依据。
• 因为超声波进入介质后有产生折射的性质，所以如同光线一样，可 利用透镜产生聚焦性能。聚焦所用声透镜可用液体、金属、有机玻璃和 环氧树脂等材料制作。通常做成点聚焦（球凹面）和线聚焦（柱凹面） 声透镜。同理，对于曲面工件的检测由于曲面的凹向亦将产生聚焦和发 散的问题，对检测产生影响。
• 6.1.1超声波的产生与接收
• 超声波是由超声波检测仪产生电振荡并施加于探头，利用其晶片的 压电效应而获得。探头主要由保护膜、压电晶片和吸收块等组成，如图 6-1所示。
• （1）压电晶片。由压电材料切割成薄片，材料分单晶（石英、硫 酸铅和碘酸铅等）和多晶（钛酸钡、钛酸铅和错钛酸铅等压电陶瓷）两 大类。晶片两表面敷有银层作电极，“一”极引出的导线接发射端， “+”极接地。
• 3.界面的透射、反射、折射和波形转换
• 超声波从一种介质入射到另一种介质时，经过异质界面将产生以下 几种情况。
• （1）垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射。当超声波从一种 介质垂直入射到第二种介质上时，其能量一部分反射而形成与入射波方 向相反的反射波，其余能量则透过界面产生一与入射波方向相同的透射 波（图6-6）。超声波反射能量W反与超声波入射能量W入之比为超声波能 量反射系数，即K=W反/W入。K值见表6-1。
• （4）匹配电感。对于压电陶瓷晶片制成的探头，其电气阻抗匹配 是很重要的。加入与晶片并联的匹配电感（或电阻）可使探头与仪器的 发射电路匹配，以提高发射效率。匹配电感（或电阻）有时也可装在仪 器内部。
• 图6-1中，当高频电压加于晶片两面电极上时，由于逆压电效应， 晶片会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动。若晶片与工件表面有良好 藕合时，机械振动就以超声波形式传播进去，这就是发射。反之，当晶 片受到超声波作用（遇到异质界面反射回来）而发生伸缩变形时，正压 电效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压， 这就是接收。
• 利用压电效应使探头（压电晶片）发射或接收超声波，就使发现缺 陷成为可能。因此，探头（压电晶片）是一较为理想的电声换能器。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6.1 超声波的产生、性质及衰减
• 6.1.2 超声波的性质 • 检测中所用超声波具有以下性质。 • 1.有良好的指向性 • 所谓超声波有良好的指向性，有以下两个含义。 • （1）直线性。超声波的波长很短（毫米数量级），因此它在弹性 介质中能像光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固 定介质来讲是个常数，因此根据传播时间就能求得其传播距离，从而为 检测中缺陷定位提供了依据。 • （2）束射性。声源发出的超声波能集中在一定区域（称为超声场） 定向辐射。 • 2.能在弹性介质中传播，不能在真空中传播 • 超声波通过介质时，以介质质点的振动方向与波的传播方向间的相 互关系不同，可分为纵波、横波、表面波和兰姆波等。
第6章 超声波检测
• 6.1 • 6.2 • 6.3 • 6.4
超声波的产生、性质及衰减 超声波检测设备简介 超声波检测方法及其应用 直接接触法超声波检测
6.1 超声波的产生、性质及衰减
• 超声波是频率大于20 000Hz的机械振动在弹性介质中的一种传播过 程。因此，是超声频率的机械波。检测中常用的超声波频率为0.5～ 10MHz。
波临界角时，在工件中便产生表面波。直探头在液体中倾斜入射工件时，
在特定角度下也能产生表面波。
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6.2 超声波检测设备简介
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6.1 超声波的产生、性质及衰减
• 6.1.3超声波的衰减
• 超声波的衰减主要有以下三个原因。
• （1）散射引起的衰减。这是由于声波在不均匀的和各向异性的金 属晶粒的界面上产生折射、反射和波形转换所致。一般来说，频率越高， 晶粒尺寸越大，散射引起的衰减越厉害。当波长与晶粒平均尺寸的比值 约为3时，其衰减量最大。实际检测中，由于奥氏体钢焊缝晶粒粗大 （晶粒平均尺寸常可达数毫米），衰减很严重，同时在示波屏上形成 “草状回波”，显著降低了检测时的信噪比，如图6-9所示。
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6.1 超声波的产生、性质及衰减
• 在检测晶粒较粗大和大型工件时，应测定衰减系数，并在定量计算 时考虑材质衰减的影响，以便减小定量误差。
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6.2 超声波检测设备简介
• 6.2.1超声波探头 • 超声波探头也称为超声波换能器，主要由压电晶片组成，可发射和 接收超声波。探头因其结构和使用的波形不同可分为直探头、斜探头、 表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、水浸探头、聚焦探 头、喷水探头和专用探头等。 • 1.直探头 • 可发射和接收纵波，主要由压电晶片、吸收块和保护膜组成。基本 结构如图6-10所示。压电晶片多为圆片形，其厚度与超声频率成反比， 直径与半扩散角成反比。晶片的两面敷有银层，作为导电极板。为避免 晶片磨损，通常粘有硬质材料作为保护膜。吸收块用钨粉、环氧树脂和 固化剂等浇注，可吸收声能，降低机械品质因数，从而可限制脉冲宽度、 减小盲区和提高分辨力。
• （2）吸收引起的衰减。超声波传播时，介质质点间产生相对运动， 互相摩擦使部分声能转换为热能，通过热传导引起衰减。对于金属介质 的吸收衰减与散射衰减相比，几乎可略去不计，但对于液体介质吸收衰 减则是主要的。
• （3）声束扩散引起的衰减。这是因为随着传播距离的增大，波束 截面增大使单位面积上声能逐渐减少所致。
• 斜探头折射角的正切值称为斜探头的K值。斜探头角度规格是按K值 为简单数值而系列化的，如K=1，1.5，2，2.5，…利用K值在检测中进 行缺陷定位、定量计算十分简便。直探头在液体中倾斜入射工件时，在 一定的角度下，也能产生横波，在水浸法横波检测中，常利用此方法来 产生横波。
• 3.表面波探头
• 可发射和接收表面波。它是斜探头的一个特例。即当入射角达到横
• αL—纵波反射角，（°）； • αS-横波反射角，（°）； • γL—纵波折射角，（°）； • γS-横波折射角，（°）。 • 从式（6-1）知，当入射角增大时，折射角和反射角随之增大。从 图6-8知，当纵波折射角为90°时，在第且介质内只传播横波，这时的 声波入射角称第一临界角，当横波折射角为90°时，在第Ⅰ介质和第Ⅱ 介质的界面上产生表面波的传播，这时的声波入射角称第二临界角。
• （2）吸收块。由环氧树脂、硬化剂（二乙烯三胺或乙二胺）、增
塑剂（邻苯二甲酸二丁酯）、橡胶液和钨粉等浇铸在“一”极上。其作
用是吸收杂波，并使晶片在激励电脉冲结束后将声能很快损耗掉而停止
振动，以便接收反射声波。吸收块又称阻尼块。
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6.1 超声波的产生、性质及衰减
• （3）保护膜。可使压电晶片免于和工件直接接触受磨损，其中软 膜（耐磨橡胶、塑料等）用于粗糙表面的工件，硬膜（不锈钢片、刚玉 片、环氧树脂等）声能量损失小，比软膜应用广。
• 当界面尺寸df很小时，声波将能绕过其边缘继续前进，即产生波的 绕射（图6-7）。由于绕射使反射回波减弱，一般认为超声波检测中能
探测到的最小缺陷尺寸为df=λ/2，这是一个重要原因。显然，要想探测 到更小的缺陷，就必须提高超声波的频率。
• （2）倾斜入射异质界面时的反射、折射、波形转换和聚焦。若超 声波由一种介质倾斜入射到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的 反射和折射，并产生波形转换，如图6-8所示。