超声波探伤(1)

纵坐标代表反射波的幅度，横坐标代表超声 波传播时间。
2）B型显示 是脉冲回波超声波平面成象的一 种，以亮点显示接收信号。 3）C型显示
以亮点或暗点显示接收信号
4）3D显示
产生一个准三维图象。
2 探伤仪主要性能
⑴水平线性 指扫描线上的反射波距离与wk.baidu.com射体距离成正 比的程度。
GB11345－89规定误差不超过1%
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3.2压电晶体产生压电效应的机理
逆压电效应与超声波的发射 由压电材料制成的压电晶片的两面施加高 频的交变电场，以致在压电晶片的厚度方向出 现相应的压缩和伸缩变形，这一现象称为逆压 电效应。 1
正压电效应与超声波的接收 沿厚度方向作超声振动的压电晶片的表面 随之产生交变电压的现象称为压电材料的正压 电效应 2
①斜探头内压 电晶片发出的 超声波在有机 玻璃/钢界面 发生的波形转 换
3.6超声波纵波倾斜入射时的反射与折射（Z1＜Z2）
由几何光学原理：
Sinα/CL＝ SinαL/CL1＝ SinαS/C S1= SinγL/CL2= Sin γ S/CS2
CL，CL1－－介质Ⅰ纵波声速
C S1－－ Ⅰ横波声速
用以实现电 声相互转换的器件称为超声 换能器（探头）
三、超声场
声源发出的超声源能集中在一定区域
1
描述超声场的三个物理量
⑴声压(p)
超声场内某瞬时，某点具有的压强与该点无 超声波扰动时所具有的静压强之差
p = ρ cμ 分别是介质密度、声速、质点振动速度
⑵声阻抗(Z)
介质密度与声速的乘积
Z＝ρ c ⑶声强(I) 单位时间内通过垂直于超声波传播方向的 单位面积的声能量 I＝p2/2Z
表征系统的近距离分辩能力。
四、试块
按一定用途设计制作的具有简单形状人工反 射体的试件。 探伤标准的一个组成部分。
1。标准试块
由法定机构对材质、形状、尺寸、性能等作 出规定和检定的试块 GB11345－89规定CSK－IB试块是焊缝探伤 用标准试块。
④壳体 标明探头的类型和主要的性能指标。
5P14 纵波探头 标记 晶片直径Φ14mm 发射接收f=5MHz 的超声波
⑤匹配电感
⑵斜探头 标记： 吸收块 内部电源线
吸收块
斜楔块
压电晶片
3.11斜探头结构简图
斜探头一般由探头芯、透声楔（斜楔 块）、壳体等部分组成。
结构上与直探头的主要区别是：在压 电元件的正前方设臵了透声楔。
⑵分辩力
超声探伤系统能够区分两个相近而不连续的 缺陷能力 一般指远场纵向分辩力
⑶电噪声电平
表示系统的探头在直接对空辐射时，将探伤 仪的灵敏度和扫描范围调至最大，在避免外 界干扰条件下，读取时基线上的电噪声的平 均幅度与垂直满幅度的百分比，即： E＝电噪声幅度/垂直满幅度×100% 反映仪器抗干扰能力，一般应小于8% ⑷盲区 在规定探伤灵敏度下从探伤面至能够测出缺 陷的最小距离。
pd
3.5 垂直入射超声波在界面两侧声压的分配
界面声压反射率:
Rp=pr/pe=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)
界面声压透射率：
Dp=pd/pe=2Z2/(Z2+Z1)
由上两式可见：
① 如Z1≈Z2 则
Rp ≈0
Dp ≈1
超声波检测无法检出声阻抗与焊缝金属很接近的金 属夹杂物的原因。 ②如Z2<<Z1 则 Rp ≈-1 Dp ≈0
第三章
一、概念
焊缝的超声波探伤
种用超声波在物体中的传播、反射和衰减等 物理特性来发现缺陷的一种探伤方法 二、特点
优点：成本低，操作方便，检测厚度大，对 人和环境无害，对裂纹、未熔合等面状缺陷 有较高的检测灵敏度 缺点：判伤不直观、探伤结果不便于永久保 存，随意性大
三、分类
1 按工作原理分
脉冲反射法 穿透法 共振法
L
α
αs
S1
L1
αL
介质Ⅰ 介质Ⅱ
γL
γs
L2 S2
3.7有耦合剂的反、折射
② 横波入射到钢/空气界面将 会产生反射纵横波
L 有机玻璃 α3m S 钢 L 空气 3.8 α3m示意图
α3m＝33.2o
⑶ 聚焦
五、超声波的衰减
随着声程的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象
1 衰减的原因
⑴散射引起的衰减 超声波遇到尺寸与波长可比的障碍物，并因此而产生球 面波的现象称为超声波的散射。
钢中横波波长λ (mm)
2.58
1.29
0.65
二、超声波的发射与接收 利用压电材料的压电效应可实现电能与声能之间 的相互转换 压电材料：单晶体：天然SiO2(石英) 硫酸锂(LSH) 多晶体：人工烧结而成的称压电陶瓷 钛酸钡(BaTiO3) 锆钛酸铅(PZT)等
3.1压电效应示意图
_ _
+
+
_
一、超声波的基本概念
超声波是频率大于20000Hz的机械振动在 弹性介质中的一种传播过程。 1-5MHz是金属材料探伤常用频率 2-2.5MHz是焊缝探伤常用频率 1 超声波的波型 纵波（L）可在固、液、气介质中传播 横波（S） 只能在固体介质中传播
2
超声波的声速(c)波长(λ)频率(f)以及关系 传播介质一定 波型一定 c为常数
以称时基电路，产生锯齿波电压。
由于仪器水平扫描线的长短与扫描电压有关， 而扫描电压与时间成正比，所以反射波的位 臵能反映声波传播的时间，即反映声波的传 播距离，由此可以对缺陷定位，又由于反射 波幅度的高低与接收的电信号大小有关，电 信号的大小取决于接收的反射声能多少，而 反射声能又与缺陷反射面的形状和尺寸有一 定关系，所以反射波辐高低将间接反映出缺 陷的大小，由此可以对缺陷定量和评价。
对奥氏体钢焊缝进行探伤时，宜选用频率较低的探头。
⑵吸收引起的衰减 因介质的粘滞性使部分声能转变为热 能而导致的声能损耗 ⑶声束扩散引起的衰减
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小所致。
2 衰减表示方法与衰减系数 ⑴用底波高度或底波反射次数的多少粗略估计。
δ
（a）
（b）
⑵用衰减系数表示
所谓衰减系数是因散射和吸收而导致的平面波声 能损耗程度的常数 在金属材料的超声波探伤中，主要考虑散射引起 的衰减，其规律为：
px=poe-αx
px－－离压电晶片表面为X处的声压。 po－－超声波原始声压 e—自然对数的底 α－金属材料的（散射）衰减系数
x –超声波在材料中传播的距离
研究指出：散射衰减系数α根据晶粒大小（d） 与波长（λ）之比分为三种：
α1m ＝arcsin(CL1 SinγL/ CL2)
= arcsin(2730* Sin90/ 5900)
=27.6o
α2m＝arcsin(CL1 SinγS/ CS2)
= arcsin(2730* Sin90/ 3230) =57.7o
α1m ,α2m物理意义：
① α ＜α1m ，Ⅱ中有纵、横波，不采用 ② α =α1m --α2m ， Ⅱ中仅有横波，斜探头 设计原理。 ③ α ＞α2m ， Ⅱ中无纵、横波，表面探头设 计原理。
⑶
指向特性 θ越小则越好
由指向角(半扩散角θ)表征 圆形直探头纵波而言:
θ ＝arcsin1.22λ/D
θ ：半扩散角， λ：波长 D：直径
∴D↑f↑(λ ↓) 则θ ↓
⑷超声波不能在真空中传播
四、超声波在界面上的反射与透射、 折射和波型转换
1 垂直入射异质界面时的透射、反射和波型转换
pr pe Z1 Z2
d＜＜ λ: α=C2Fd3f4
d≈ λ: α=C3Fdf2
d＞＞ λ: α=C4Fd-1f
C2，C3，C4常数 F-各向异性因子 d-晶粒直 径 探伤晶粒较粗大工件时，为减少散射衰减而常 选用较低的工作频率。
第二节
超声波探伤设备
超声波探伤仪，探头和试块是超声波探伤的重要设 备。 一、A型脉冲反射式超声波探伤仪 预备知识： 脉冲反射法基本原理：是将一定频率间断发射的超 声波（称脉冲波）通过一定介质（称耦合剂）的耦 合传入工作，当遇到异质界面（缺陷或工件底面） 时，超声波将产生反射，回波（即反射波）为仪器 接收并以电脉冲信号在示波屏上显示出来，由此判 断缺陷的有无，以及进行定位，定量和评定。
钢中的分层或焊缝中的裂纹被检出的几率会很高。
另一方面，从减小超声波耦合损失的角度 考虑，界面的Dp 越大越好。
超声波探伤 中能探测到 的最小缺陷 尺寸为
df=λ/2
df
3.6超声波的绕射现象
2 倾斜入射异质界面时的反射、折射、 波型转换和聚焦
L α αs αL S1 L1
介质Ⅰ 介质Ⅱ γL γs L2 S2
2 按显示缺陷的方式分
A型显示－显示缺陷的脉冲波
B型显示－显示工件的垂直截面
C型显示－显示工件的横截面
3D型显示－显示准三维图像
3 按所使用的波型分 纵波， 横波， 表面波， 板波法
4 按声耦合方式分 直接接触法，浸液法
在焊缝超声检测中，广泛使用的是A型脉冲反 射式超声检测方法
第一节 超声波探伤基本原理
近场：出现极大值与极小值这段声程称为超声波 束的近场。
近场长度：距探头最远的声压极大值点至探头表 面的距离
远场：近场以外的部分 未扩散区:远场中紧靠近场的一段区域内，声压的 幅度与声强基本无关
探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。
⑵近场长度 就直探头纵波而言，N可近似表示为： N＝D2/4λ D:直探头压电晶片直径 N：近场长度 λ：波长
αL
有机玻璃
α
钢 γ
3.12
外壳形状
5P8×12k2.5 k=折射角γ的正切值
晶片面积8×12mm2
发射接收f=5MHz 的超声波
2 横波探头的主要性能 ⑴折射角γ值（k值） 决定了声束入射于工件的方向和声波传播途 径，是缺陷定位计算的重要数据。
公称折射角：45 50 60
K值: 1.0 1.5 2.0 2.5
c =f λ
表3－1 几中材料的声学特性
材料 钢 CL (m/s) 58805950 Cs (m/s) 1.25MHz 3230 4.7 λL (mm) 2.5MHz 2.36 5MHz 1.18
铝
有机玻 璃 空气
6260
2720 344
3080
1460
5.0
2.18
2.53
1.09
1.26
0.55
70
⑵前沿长度（接近长度） 声束入射点至探头前端面的距离
L
接近长度
入射点
3.13
⑶声轴偏斜角 探头主声束轴线与晶片中心法线之间的夹角。
晶片中心法线
主声束轴线
3.14
水平方向不大于20，垂直方向不应有明显的 双峰。
三、仪器与探头组合的系统性能
⑴灵敏度余量：组合灵敏度 系统中，在规定条件下的标准缺陷检测灵敏 度与仪器最大检测灵敏度的差值，以dB表示
2 超声场的结构
图3.3 直探头发出的超声波束
一般由主声束和副声束构成 主声束：截面大，能量集中，很好的指向性(θ) 副声束：截面小，能量弱，方向易变
⑴主声束轴线上的声压分布 以压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的 纵波超声场为例：
a
b 3.4圆盘源超声场 a 声束未扩散区与扩散区b 轴线上 声压分布
根据回波表示方法不同，以分为A型B型C型3D型显示。
1仪器的工作原理 1)A型显示
触发脉冲 锯齿形扫描 电压 始 波 缺 陷 波 底 波
同步电路
触 发 脉 冲
扫描电路
发射电路
接收放大 电路
电信号
电源
3.9
高频窄脉冲
缺陷 探头 工件
①同步电路 以称触发电路 仪器各部分的时序以它决 定，产生同步触发脉冲 ②扫描电路
匹配电感 吸收块
压电晶片 保护膜 工件
3.10直探头内部结构 及工作原理
①压电晶片
两表面敷有银层作电极，“－”极引出导线接发 射端，“＋”极接地。其厚度与产生的超声波的 频率成反比。
②吸收块（阻尼块）
由环氧树脂、硬化剂、增塑剂、橡胶液和钨 粉等浇铸在“－”极上。作用：
a 吸收杂波 b 吸收压电晶片的自由振荡。 ③保护膜 使压电晶片免于和工件直接接触受磨损。 分软膜和硬膜。
CL2－－Ⅱ纵波
CS2－－Ⅱ横波
α αL αS γL γ S 反射，折射角
由于CL2 ＞CS2 ＞CL1 所以 γL ＞γS ＞α
当纵波折射角γL＝90o ，Ⅱ只有横波
此时α称第一临界角，记α1m 当横波折射角γS＝90o ， Ⅰ Ⅱ介质界面 上产生表面波的传播
此时α称第二临界角，记α2m
若Ⅰ是有机玻璃 ，Ⅱ是钢，则有
⑵垂直线性
指示波屏反射波幅与接收回波信号电压成正 比的程度。
GB11345－89规定误差不超过1%
⑶动态范围 指示波屏上回波高茺从满幅降至消 失时仪器衰减器的变化范围。 ⑷衰减器精度 指衰减器上dB刻度指示脉冲下降幅 度的正确程度，以及组成衰减各同 量级间可换性能称为
二、探头
压电超声换能器 1探头的种类 ⑴直探头（纵波探头） 直探头由壳体、吸收块、压电晶片、和保护 膜组成。其基本内部结构如下图