超声波检测基础知识

第一章超声波检测

超声波检测定义：使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

超声检测的优点：（1）适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；（2）穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；（3）缺陷定位较准确；（4）对面积型缺陷的检出率较高；（5）灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；（6）检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。

超声检测的局限性：（1）对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究；(2)对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；(3)缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；(4)材质、晶粒度等对检测有较大影响；(5)以常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无直接见证记录。

超声波检测的适用范围：从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等；从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1mm，也可大至几米；从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。

1.1超声波检测的基础知识

1.1.1 超声波

声波：频率在20～20KHz之间；

次声波：频率低于20Hz；不容易衰减,不易被水和空气吸收.而次声波的波长往往很长,因此能绕开某些大型障碍物发生衍射.某些次声波能绕地球2至3周.某些频率的次声波由于和人体器官的振动频率相近,容易和人体器官产生共振,对人体有很强的伤害性,危险时可致人死亡

超声波：频率大于20KHz。方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。

超声波被应用于无损检测，主要是因为有以下特性：

（1）超声波在介质中传播时，遇到界面会发生反射；（2）超声波指向性好，频率越高；指向性越好；（3）超声波传播能量大，对各种材料穿透力强。

1.1.2 超声场及介质的声参量

1) 描述超声场的物理量

（1）声压

超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强，与没有超声场存在时同一点的静态压强之差，称为该点的声压。单位为Pa。

(1.1)

（2）声强

在超声波传播的方向上，单位时间内介质中单位截面积上的声能叫做声强。常用表示，单位为。

(1.2)

（3）分贝

引起听觉的最弱声强称为标准声强（）。将某一声强与标准声强取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，用IL表示：

(1.3)

声强级的单位为贝尔，实际应用中，贝尔单位太大，常用分贝来表示声强级的单位dB，其为贝尔的十分之一。

2）介质的声参量

声波在介质中的传播是由其声学参量（包括声速、声阻抗、声衰减等）决定的，因而深入研究介质的声参量具有重要意义。

（1）声阻抗

超声波在介质中传播时，任何一点的声压与该点速度振幅V之比称

为声阻抗，常用Z表示，单位为

(1.4)

声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度越小。介质不同，声阻抗不同。同一种介质，如果波形不同，声阻抗也不同。当超声波由一种介质传入另一种介质时，或者从介质的界面反射时，主要取决于这两种介质的声阻抗。

气体、液体、固体的声阻抗差别很大，实验测定，其声阻抗之比接近于1：3000：8000。

（2）声速

声波在介质中传播的速度称为声速。在同一种介质中，波形不同，其传播速度也各不相同。超声波的声速还取决于介质的特性（如密度、弹性模量）。

声波分为相速度和群速度。

相速度：是声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上的声速。

群速度：是指传播声速的包络上，具有某种特性的点上，声波在传播方向上的速度。群速度是波群的能量传播速度，在非频散介质中，群速度等于相速度。

(1.5)

1.1.3 超声波的传播

1）超声波的分类

根据介质中质点的振动方向和声波的传播方向，超声波的波形可分为以下几种：

（1）纵波

质点的振动方向和传播方向一致的波形称为纵波。如图1-1所示。它能在固体、液体、气体中传播，在探伤中用于纵波探伤法。

图1-1 纵波

（2）横波

质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波。如图1-2所示。它只能在固体中传播，用于横波探伤法。

图1-2横波

（3）表面波（瑞利波）

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。如图1-3所示。表面波质点振动轨迹为椭圆。质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。它用于表面波探伤法。

图1-3 表面波

（4）兰姆波（板波）

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，声场遍布整个板的厚度，沿着板的两表面及中部传播，所以又称为板波。如果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性兰姆波。如果两表面质点振动的相位相同，中部质点以横波的形式振动，则称为非对称性兰姆波。如图1-4所示。兰姆波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷。还可以检测材料的晶粒度和复合材料的粘合质量。

图1-4 兰姆波

超声波在介质中以一定的速度传播。纵波、横波、表面波的传播速度，

取决于介质的弹性常数和介质密度。兰姆波的传播速度除与介质的弹性常数有关外，还与介质的厚度和兰姆波的频率有关。

在无限大的固体介质中，各种波的传播速度为：

纵波：（1.6）

横波：（1.7）

表面波： (1.8)

通常认为，横波声速是纵波的一半，表面波声速约为横波的90%。

兰姆波的声速对于每一介质而言，取决于薄板厚度(或缺陷深度)和频率的乘积。由于速度和频率有关，又有群速度和相速度之分。脉冲波是以群速度来传播的,连续波是以相速度来传播的。相速度是以声波〔或电磁波)沿行进路线变更相位的速度。群速度是声能(或电磁能)变更的速度。·因为脉冲波不可能只包括一个频率，而是包括一群不同频率不同幅度的正弦波之和。它的传播速度是群速度。当传播速度与频率无关时，群速度等于相速度。

2）平面波、柱面波、球面波

图1-5 平面波、柱面波、球面波

3）连续波与脉冲波

　连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。