第六章 超声波检测技术基础
超声波检测第六章
为了改善锻件的组织性能，锻后还要进行正火、退 火或调质等热处理，因此锻件的晶粒一般都很细，有良 好的透声性。
锻件中的缺陷主要有两个来源：一种是由铸锭中缺 陷引起的缺陷；另一种是锻造过程及热处理中产生的缺 陷。常见的缺陷类型有： 1.缩孔 缩孔是铸锭冷却收缩时在头部形成的缺陷，锻造时因切 头量不足而残留下来，多见于轴类锻件的头部，具有较 大的体积，并位于横截面中心，在轴向具有较大的延伸 长度。
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水浸法时，对检测表面的要求低于接触法。 3.扫查方式的选择
锻件探伤时，原则上应在探测面上从两个相互垂 直的方向进行全面扫查，并尽可能地检测到锻件的全 体积，若锻件厚度超过400mm时，应从相对两端进行 100％的扫查。扫查覆盖面应为探头直径的15％，探头 移动速率不大于150mm/s。扫查过程中要注意观察缺陷 波的情况和底波的变化情况。 4.材质衰减系统的测定
白点是锻件含氢较高，锻后冷却过快，钢中溶解 的氢来不及逸出，造成应力过大引起的开裂。白点主 要集中在锻件大截面中心。合金总含量超过3.5％～ 4.0％和含Cr、Ni、Mn的合金钢大型锻件容易产生白 点。白点在钢中总是成群出现。
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(钢锻件中由于氢的存在所产生的小裂纹称为白 点。白点对钢材的力学性能影响很大，当白点平面垂 直方向受应力作用时，会导致钢件突然断裂。因此， 钢材不允许白点存在。白点多在高碳钢、马氏体钢和 贝氏体钢中出现。奥氏体钢和低碳铁素体钢一般不出 现白点)。
从端面检测时，探头置于锻件端面进行全面检测， 以检出与端面平行的缺陷。从锻件侧面进行径向检测 时，探头在锻件侧面扫查，以发现某些轴向缺陷。
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3.筒形或环形锻件的检测 筒形或环形锻件的锻造工艺是先镦粗，后冲孔，
再滚压。因此，缺陷的取向比轴类锻件和饼类锻件 中的缺陷取向复杂，所以该类锻件的检测既需要进 行纵波直入射检测，还应进行横波斜探头检测。由 于铸锭中质量较差的中心孔部分已被冲孔时去除， 因而筒形或环形锻件的质量一般较好。 （1）直探头检测 如图6.4所示，用直探头从筒体外 圆面或端面进行检测。外圆检测的目的是为了发现 与轴线平行的周向缺陷，端面检测的目的是发现与 轴线垂直的横向缺陷。
超声检测第六章2014陆志春
传输修正值的测定
2、 试块与工件厚度不相同时按 上述试块与工件同厚度测得的 △dB值，再按下式修正：
耦合层厚度d
2 乎无反射，声能全部透射。好象耦合层不存在。
即四分之一 （2n 1 ）
4
d n
即半波长整数倍时声压透射率为1，几
d
波长奇数倍时，声压透射
率最低，反射率最高。
d→0，最好。
6.3.3影响声耦合的主要因素
工件表面粗糙度 1、同一耦合剂，随粗糙度增大，耦合效果差，反射回波低。 2、声阻抗低的耦合剂，随粗糙度增大，耦合效果降低的更快。 3、表面太光滑，耦合效果不 会显著增加，但探头移动困难。 耦合剂声阻抗的影响，同一 检测面，耦合剂声阻抗 越大耦合效果越好。 实际耦合剂声阻抗在 1.5~2.5×106公斤/米2， 而钢声阻抗为45×106公斤/米2。
6.4.1 仪器调整 工件材质衰减系数测定方法：
1、工件T＜3N时，衰减系数测定 条件：T＜3N，且满足n＞3N/T，m=2n 式中：
α——衰减系数，dB/m（单程）； （Bn-Bm）-两次衰减器的读数之差，dB； T——工件检测厚度，mm； N——单直探头近场区长度，mm；
m、n——底波反射次数。
层状撕裂 未焊透 腹板焊趾裂纹 翼板焊趾裂纹 焊缝裂纹
腹板未熔合 翼板未熔合 焊缝缺陷
检测面的选择应该与检测技术的选择相结合: 锻件：纵波垂直入射检测，检测面选与锻件流线相 平行的表面； 棒材：入射面为圆周面，纵波检测位于棒材中心区 的、延伸方向与棒材轴向平行的缺陷；横波检测位于 表面附近垂直于表面的裂纹，或沿圆周延伸的缺陷。
超声波检测基础知识
超声波检测主要用于探测试件的内部缺陷，它的应用十分广泛。
所谓超声波是指超过人耳听觉，频率大于20千赫兹的声波。
用于检测的超声波，频率为0.4～25兆赫兹，其中用得最多的是1～5兆赫兹。
利用声响来检测物体的好坏，这种方法早已被人们所采用。
例如：用手拍拍西瓜听听是否熟了；敲敲磁碗，看看磁碗是否坏了等等。
但这些依靠人的听觉来判断的声音检测法，往往是凭人的经验，而且难于作出定量的表示。
在金属的探测中用的是高频率的超声波。
这是因为：1.超声波的指向性好，能形成窄的波束；2.波长短，小的缺陷也能较好地反射；3.距离分辨力好，分辨缺陷的能力高。
超声波探伤方法很多，但目前用得最多的是脉冲反射法，在显示超声信号方面，目前用得最多而且较为成熟的是A型显示。
下面主要叙述A型显示脉冲反射超声波探伤法。
公共基础知识超声波检测技术基础知识概述
《超声波检测技术基础知识概述》一、基本概念超声波检测技术是一种利用超声波在材料中传播的特性来检测材料内部缺陷、测量材料厚度、确定材料性质等的无损检测方法。
超声波是指频率高于 20kHz 的机械波，其在不同材料中的传播速度、衰减程度和反射特性各不相同，这些特性为超声波检测提供了基础。
超声波检测主要涉及到超声波的发射、传播和接收。
通常使用超声波探头作为发射和接收超声波的装置。
探头中的压电晶体在电信号的激励下产生超声波，并将接收到的超声波信号转换为电信号，以供后续分析处理。
二、核心理论1. 超声波的传播特性- 超声波在均匀介质中沿直线传播，其传播速度取决于介质的弹性模量和密度。
不同材料中的传播速度差异较大，例如在钢中的传播速度约为 5900m/s，在水中的传播速度约为 1480m/s。
- 超声波在传播过程中会发生衰减，衰减的原因主要包括散射、吸收和扩散等。
散射是由于材料中的不均匀性引起的，吸收是由于材料对超声波能量的吸收，扩散则是由于超声波在传播过程中的扩散效应。
- 当超声波遇到不同介质的界面时，会发生反射、折射和透射等现象。
反射波的强度取决于界面两侧介质的声阻抗差异，声阻抗差异越大，反射波越强。
2. 超声波检测原理- 脉冲反射法：通过发射短脉冲超声波，当超声波遇到缺陷或界面时，会产生反射波。
根据反射波的到达时间、幅度和波形等信息，可以确定缺陷的位置、大小和性质。
- 穿透法：将超声波发射探头和接收探头分别放置在被检测材料的两侧，通过检测透射超声波的强度和波形变化，来判断材料内部是否存在缺陷。
- 共振法：利用超声波在被检测材料中产生共振的原理，通过测量共振频率和共振幅度等参数，来确定材料的厚度、弹性模量等性质。
三、发展历程超声波检测技术的发展可以追溯到 19 世纪末期。
当时，人们开始研究超声波的特性和应用。
20 世纪初期，超声波检测技术开始应用于工业领域，主要用于检测金属材料的内部缺陷。
在第二次世界大战期间，超声波检测技术得到了快速发展，被广泛应用于军事工业中，如检测飞机、舰艇等装备的零部件。
超声波检测基本知识
超声波的基本知识1 超声波基本原理1.1 振动与波动机械振动：物体在平衡位置附近往复运动。
质量弹簧系统的运动；钟摆的摆动；水上浮标的浮动；担物行走时扁担的颤动；在微风中树梢的摇摆；振动的音叉、锣、鼓、琴弦等都是机械振动。
质量弹簧体系受力分析：虎克定律F=-k•x1.受力方向指向平衡位置2. 受力大小与质点偏离平衡位置的距离成正比单摆体系受力分析机械振动的三个特点：物体，平衡位置，回复力1. 物体：宏观的物体或细观的质点2. 平衡位置：通常是运动过程的中心（静止）位置3. 回复力：偏离平衡位置后，受到指向平衡位置的力确定性振动：可以用确定性的函数描述其运动规律最为简单的是简谐振动有限个简谐振动的叠加无限个简谐振动的叠加随机振动：不能预先确定的振动。
无法用确定性函数描述须用概率统计方法定量描述平稳随机振动：运动随机，概率统计参量稳定非平稳随机振动：运动随机，概率统计参量不稳定产生机械振动的根本原因：1. 偏离平衡位置2. 有与偏离平衡位置位移相关的回复力：指向平衡位置的力，使物体回到平衡位置振动能够持续的原因：1. 物体偏离平衡位置对应克服回复力时集聚的势能 2. 物体在回复力的作用下势能与动能的转换在回复力的作用下，物体回到平衡位置时，回复力减小到零，势能完全转化为动能，此时惯性使其偏离到平衡位置的另一边，克服新产生的回复力，直至达到最大偏离位置，动能完全转化为势能。
循环往复。
质点（细观）振动细观意义上，构成物体的各个部分构成相互作用体系，通常相互之间处于虎克定律意义下的平衡状态，物体某一部分如果相对于其他部分的发生位移，将导致其他部分对其产生“回复力”，促其回到其平衡位置，产生振动。
质点（细观）振动时质点的相互作用1. 前述的质量弹簧体系和单摆体系都有一个固定的支点，刚度无穷大，物体的运动对支点无影响。
2. 质点体系相互之间是等价的，此时自然会引出一个问题，一个质点运动时对其他质点有什么影响呢？①. 关注点在一个质点时，看到的是质点在振动。
超声波检测技术
1) 压电晶片 直探头中压电晶片一般为圆形，以厚度振 动模式激发纵波，同一晶片兼有发射和接收功能。压电材 料选定后，晶片厚度决定了振动频率，频率和厚度的乘积 为一常数即频率常数。 2) 保护膜 为防止压电晶片与被测物直接接触造成的磨 损和腐蚀，用一层保护膜覆盖在晶片上。保护膜分两类： 一类是硬性保护膜，用不锈钢片、钢玉片或环氧树脂浇铸 而成；另一类是软性保护膜，用耐磨橡胶或塑料制成，它 可使工件粗糙面有较好的声耦合，但声能损失比硬性保护 膜大。
CL
K
K —— 介质的体积弹性模量； ρ—— 介质的密度。
除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而减小， 而水中的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压 力的增加而增加。
(2)声阻抗 定义为传声介质的密度ρ与声速C 的乘积，用Z表示。它是介质固有的一个 常数，它的数值对超声波在介质中的传播 非常重要，单位为瑞利（rayl）。超声波 在两种介质的界面上的反射能量和透射能 量的变化，取决于这两种介质的声阻抗之 比。
时间差法
设顺流传播时间为t1, 逆流传播时间为t2
t1
t2
D / sin C u cos
D / sin C u cos
超声波在管壁间的传播
式中 D —— 管道直径； τ—— 超声波在管壁内 传播所用的时间。
2 D ctg D ctg t 2 u 2 u 2 2 C u C
脉冲回波法超声波料位计示意图
测试原理
超声波料位计整机方框图
脉冲回波信号
报警单元各环节波形图
六、超声波流量计 超声波流量计的测量原理是多样的，如传播 速度变化法、波速偏移法、多普勒效应法、流动 听声法等。目前应用较广的主要是超声波传输时 间差法。 传播速度变化法 超声波在流动介质中传播时，其传输速度与 在静止介质中的传播速度不同，其变化量与介质 流速有关。测得这一变化量就能求得介质的流速， 进而求出流量。
超声波检测--技术交流
一.超声波检测物理基础
一.超声波的类型
• • • 机械波是机械振动在弹性介质中引起的波动过程。例如水波、声波、超声波 等。 电磁波则是电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在物体中或空间的传播过 程，如无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线等。 超声波的本质是频率＞20000Hz的机械波，所以超声波的传播必须要有弹性介 质的存在 振幅A——振动物体离开平衡位置的最大距离，叫做振动的振幅，用A表示。 周期T——当物体作往复运动时完成一次全振动所需要的时间，称为振动周期， 用T表示。常用单位为秒（s）。 频率f——振动物体在单位时间内完成全振动的次数，称为振动频率，用f表示。 常用单位为赫兹（Hz）,1赫兹表示1秒钟内完成1次全振动，即1Hz=1次/秒。 此外还有千赫（kHz），兆赫（MHz）。
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三.焊缝超声波检测
4.扫查方式 为了检测出焊缝中的纵向缺陷，探头应垂直与焊缝中心线，作锯齿形扫查。 下图为探头锯齿形扫查的移动方式。
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三.焊缝超声波检测
4.扫查方式 在检测出缺陷以后，为了确定缺陷的位置、方向和形状，采用前后、左右、转角、 环绕等四种探头基本扫查方式。
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四.钢板和锻件超声波检测简述
3、试块 在钢板检测中采用CBI型和CBII型试块来调整仪器灵敏度。 板厚不大于20mm时使用CBI试块，板厚大于20mm使用CBII试块
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四.钢板和锻件超声波检测
4.缺陷定量（用测长法测定指示长度和面积）：根据JB/T4730-2005标准。 （1）当F1≥50% 或F1/B1≥50% （B1<100% )时，使 F1达25% 或F1/B1达50% 是探头中心 移动的距离为缺陷的指示长度（以较严重者为准） ，探头中心轨迹即为缺陷边界。 （2）即B1＜50%时， 使/B1达50% 是探头中心移动的距离为缺陷的指示长度，探头 中心轨迹即为缺陷边界。 5.质量等级判定：根据根据JB/T4730-2005标准
超声波检测的物理基础.
从定义中可以看出：周期是时间量，通常单位为秒 (s) ，在超声 波探伤中，则通常使用微秒为单位（μ s）。 单位换算关系为：1s=106 μ s 或 1 μ s=10-6 s 频率的标准单位为赫兹（Hz）,在超声波探伤中通常用兆赫（MHz） 为单位，换算关系为：1MHz=106Hz 或 1Hz=10-6 MHz
在实用上，贝耳这个单位太大，取其十分之一称为分贝， 用符号dB表示。
I1 10 lg (dB) I2
超声波检测的物理基础（二）
2 声压的dB表示 因为I=p2/(2Z)，代入上式中，可得：
I1 p1 10 lg 20 lg (dB) I2 p2
讨论： （1）若p1>p2，则Δ>0；若p1<p2，则Δ<0 （2）无论p1、p2是如何得到的，二者相差的dB数都应按上 式表示或计算。
（3）散射和衍射现象的应用 a) D>>λ时，反射强 b) D<<λ时，衍射强，散射弱。 c) D~λ时，即有反射，又有衍射，且λ 越大（D越小），衍射 越强。 一般认为：能发现的最小缺陷的尺寸约为λ/2。（不绝对） （4）问题：
①频率相同时，横波比纵波探伤灵敏度高，为什么？ ②为使超声波传播的更远些(穿透力强)，应使用哪种波型，频 率如何？ ③与表面光滑工件相比，表面粗糙时，频率如何选择？ ④同种介质，纵波、横波、表面波哪种波型检测灵敏度最高？
超声波检测的物理基础（一）
超声波检测的物理基础（一）
横波与纵波的对比
超声波检测的物理基础（一）
3 表面波（R） （1）定义：质点只在一平面内作椭圆振动，椭圆的长轴垂 直于波的传播方向，短轴平行于传播方向。 （2）传播条件：只在固体介质表面进行传播。(深度一个
超声波检测培训资料
超声波检测培训资料超声波检测是一种广泛应用于工业领域的无损检测技术。
它通过利用超声波在材料中传播的特性，实现对材料内部缺陷的识别和定位。
本文将介绍超声波检测的原理、应用和常见技术。
一、超声波检测的原理超声波是指频率超过人类听觉范围（20kHz）的声波。
利用超声波进行无损检测的原理是基于声波在材料中传播和反射的特性。
当超声波通过材料时，会与材料内部的缺陷或界面发生反射、散射和折射。
通过对反射信号的分析，可以判断材料内部的缺陷类型、大小和位置。
二、超声波检测的应用超声波检测在工业领域有着广泛的应用。
其中，最常见的应用领域包括：1. 制造业：超声波检测可以用于检测金属、塑料等材料的质量，如焊缝、夹层、内部粗糙度等。
2. 航空航天：超声波检测可用于监测飞机结构的健康状况，检测飞机表面和内部的裂纹、腐蚀等缺陷。
3. 建筑工程：超声波检测可用于检测混凝土结构中的空洞、裂缝等缺陷，保证建筑物的安全性。
4. 医学领域：超声波检测被广泛运用于医学影像学，用于诊断人体内部器官的异常结构和缺陷。
三、超声波检测的常见技术超声波检测技术包括纵波检测和横波检测两种主要方法。
纵波传播方向与超声波传播方向相同，适用于检测近表层的缺陷；横波传播方向与超声波传播方向垂直，适用于检测材料内部的缺陷。
常见的超声波检测技术包括：1. 脉冲回波技术（Pulse-Echo Technique）：将超声波发射到材料中，当超声波与缺陷相遇时，一部分超声波被缺陷反射回来，再由接收器接收。
通过测量发射超声波到接收超声波的时间差，可以计算出缺陷的位置和深度。
2. 相控阵技术（Phased Array Technology）：利用多个发射和接收元件，可以控制超声波的入射角度和聚焦位置，从而实现对被检测物体内部的全面扫描。
相控阵技术具有快速、高效、灵活的特点，在航空航天等领域得到广泛应用。
3. 合成孔径成像技术（Synthetic Aperture Focusing Technique）：通过整合多个超声波回波信号，可以获得高分辨率的图像。
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四、砼声波透射法检测中使用的声波
脉冲声波的特点：
❖ 每次发射的持续时间短、重复间断发射 ❖ 复频特性
脉冲声波在介质中的传播特征
❖ 频散（不同频率的波在介质中传播时，具有不同的 传播速度，一般高频快、低频慢，这种现象。频散必然 导致声脉冲在介质中传播时，与传播距离俱增的畸变） ❖ 频漂（由于各种频率成份的衰减量不同，频率高的 成分比频率低的成分误减大，脉冲频谱将发生变化，主 频将向低频端漂移，造成波形畸变）
声脉冲主频的漂移程度，也是介质对声波衰减作用的一个表征
五、声波信号的频域分析
频散 频漂
主频的变化
主频的漂移程度或 者主频变化程度
频域分析
介质对声 脉冲的衰
减
介质的粘塑性 与内部结构状
况
第二部分 仪器设备 一、声波仪的功能与发展概况
向待测的结构混凝土中发射声波脉冲，使 其穿过混凝土，然后接收穿过混凝土的脉冲信 号。记录下声脉冲穿过混凝土所需的时间、接 收信号的波形、振幅等。
接收波形的畸变程度可作为缺陷程度的参考依据。
声波穿过正常砼后的接收波形特征：
• 首波陡峭，振幅大； • 第一周波的后半周即达到较高振幅，包络线呈半园形； • 第一个周期的波形无畸变。
声波穿过有缺陷的砼后的接收波形特征：
• 首波平缓，振幅小； • 第一周波的后半周甚至第二个周期，幅度增加仍不 够，接收波形的包络线呈喇叭形； • 第一、二个周期的波形有畸变。
塑性有关，波幅越低，衰减越大。
当砼中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时， 吸收衰减和散射衰减增大，使接收波波幅明显下降。
波幅可直接在接收波上观察测量，一般只测量首波（即接收 信号的前半个周期）的波幅为准。
波幅与砼的质量密切相关，它对缺陷区的反应比声时更为敏 感，是判断缺陷的重要参数。
➢ 接收频率 脉冲声波是复频波，具有多种频率成份；
最小横截面尺寸（cm） 10 20 20 30 50
二、砼的声学参数及检测
检测中常用的声学参数包括：声速、波幅、频率、波形。
（一）声学参数与砼质量的关系
➢声速 影响声速的因素： 砼的强度
砼原材料性质及配合比； 龄期 温、湿度等更化环境 施工工艺
砼内部的缺陷
➢波幅 波幅是表征声波空过砼之后能量衰减的指标之一。与砼的粘
• 主频的变化可反映砼的质量好坏，但它受测距、仪 器设备状态等非缺陷因素的影响，因互只用于同一剖 面内各测点的相对比较，在不同剖面或不同桩之间不 具可比性，不太稳定，一般作为声速、波幅的辅助判 断。 • 接收波形对砼内部缺陷较敏感，现场检测时，除了 逐点读取首波的声时、波幅外，还应密切观察接收波 的形态，它反映了接、收换能器之间声波在砼各种声 波传播路径上的总体能量。
➢ 20世纪50年代：电子管声波仪（USA 的UCT，第一代） ➢ 20世纪60年代至70年代：晶体管集成电路声波仪（英国的PUNDIT， 第二代） ➢ 80年代：数字式声波仪（CTS-35第三代） ➢ 90年代：智能型数字式声波仪（第四代，U-Sonic）
《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CS21:2000）
CS97系统
换能器
二、声波换能器
功能：
发射换能器——实现电能到声能的转换 接收换能器——实现声能到电能的转换
工作原理：
电磁法 静电法 磁致伸缩法 ✓ 压电伸缩法
换能器频率选择
测距（cm） 10~20 20~100
100~300 300~500
>500
换能器频率（kHz） 100~200 50~100 50 30~50 20
２． 自动测读
➢波幅
表示首波信号能量的大小。
一般用分贝（dB）表示法，将测点首波信号 峰值与某一固定信号量值的比值取对数后的量值作 为该测点波幅的分贝值。
➢频率 周期法（模拟式声波仪）：
频谱分析法（数字式声波仪）
✓ 波的类型； ✓ 介质的性质； ✓ 边界条件。
二、描述声波的基本物理量
❖ 声压 ❖ 声强 ❖ 声阻抗 ❖ 辐射声场的指向性 (指声源发射响应的幅值随方 位角的变化而变化的特性)
声压比
三、声波在混凝土中传播特点
❖ 声波能量衰减大（异常界面，散射损失） ❖ 指向性差（波长大、反射波折射波的干涉叠加造成漫射 声能） ❖ 传播路径复杂（较大缺陷，并非直线传播） ❖ 经砼介质特性调制后声波的构成复杂（一次声场与二次 声场的叠加，波形会产生畸变）
判定砼质量的几种声学参数的比较：
• 声速：较稳定，重复性好，受非缺陷因素小，同一根桩的不同 剖面、同一工程的不同桩之间可以比较；但对缺陷的敏感度不及波 幅。 • 波幅（首波幅值）对缺陷很敏感，判定缺陷的重要参数；但它 受仪器系统性能、换能器耦合状况、测距等因素影响，不稳定，只 能用于同一测点的比较，在同一桩的不同剖面或不同桩之间没有可 比性。
（二）声学参数的现场检测
➢声速
根据测距和声时来计算，因此声速的测度精度取决于测距与 声时的测量精度。
测距即是声测管外壁间的距离，一般用卷尺在桩顶面度量， 这个测量值代表了整个测试剖面内各测点的测距。
因此，声测管的平行度对声速测试的影响相当大。
➢声时 声时：在被测介质中传播一定声距所需的时间。 １． 手动测读
在砼中各种频率成分的衰减程度不同，高频衰减比低频快， 导致频漂；
接收波主频实质上是砼衰减作用的一个表征量；缺陷越大， 由于衰减严重，主频也会明显降低；
接收波频率一般以首波的第一个周期为准（现场直接在示波 器读出，或用频谱分析得到）
➢ 波形
当砼内存在不同的缺陷时，由于声脉冲在缺陷界面处的反射 折射等，形成波线不同波束，这些波束由于传播路径不同，或由于 界面上产生波形转换等原因，使用得接收的声时不同，接收波成为 许多同相位或不同相位波束的叠加，导致波形畸变；
第六章 超声波检测技术基础
第一部分 基本理论 一、声波类别及对应的频率范围
名
称
次声波
可闻声波
超声波
特超声波
频率范围 0～10Hz 2×10～2×104Hz 2×104 ～1010Hz >1010Hz
用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为2×104 ～2.5×105Hz
声波在固体介质中传播速度的影响因素：