超声波探伤与测厚

超声波探伤与测厚实验

【实验目的】

1、通过实验了解超声波探伤的基本原理，并掌握超声波探伤仪的使用及基本探伤方法。

2、探测不同样块的厚度及不同材料中超声波的传播速度。

【实验原理】

一、超声波探伤原理

1．超声波的传播特性

声波是由物体的机械振动所发出的波动，它在均匀弹性介质中匀速传播，其传播距离与时间成正比。当声波的频率超过20000赫时，人耳已不能感受，即为超声波。声波的频率、波长和声速间的关系

是：

f c =λ （1）

式中 λ——波长；c ——波速；f ——频率。

由公式可见，声波的波长与频率成反比，超声波则具有很短的波长。

超声波探伤技术，就是利用超声波的高频率和短波长所决定的传播特性。即：

（1）具有束射性（又叫指向性），如同一束光在介质中是直线传播的，可以定向控制。

（2）具有穿透性，频率越高，波长越短，穿透能力越强，因此可以探测很深（尺寸大）的零件。穿透的介质超致密，能量衰减越小，所以可用于探测金属零件的缺陷。

（3）具有界面反射性、折射性，对质量稀疏的空气将发生全反射。声波频率越高，它的传播特性越和光的传播特性接近。如超声波的反射、折射规律完全符合光的反射、折射规律。

利用超声波在零件中的匀速传播以及在传播中遇到界面时发生反射、折射等特性，即可以发现工件中的缺陷。因为缺陷处介质不再连续，缺陷与金属的界面就要发生反射等。如图1所示超声波在工件中传播，没有伤时，如图1a ，声波直达工件底面，遇界面全反射回来。当工件中有垂直于声波传播方向的伤，声波遇到伤界面也反射回来，如图1b 。当伤的形状和位置决定界面与声波传播方向有角度时，将按光的反射规律产生声波的反射传播。

2．超声波探伤仪的工作原理

图1 超声波在工件中的传播

超声波探伤仪首先是个超声波发生器，它利用交流电源和振荡电路，产生高频电脉冲，并可根据探伤要求调节脉冲的频率及发射能量。超声波探伤仪还具有将接受到的电脉冲依其能量的大小、时间的先后通过荧光显示屏显示出来的功能。其工作原理示于图2。发生器使示波管产生水平扫描线（一条亮线，代表时间轴），接收放大器使接受到的脉冲信号作用于示波管的垂直偏转板，并按信号收到的时间先后将水平扫描线的相应部位拉起脉冲值。始脉冲是仪器发射出去的原始脉冲信号，伤脉冲是超声波自工件内缺陷处返回的脉冲信号，底脉冲则是超声波自工件底部返回来的脉冲信号。由于超声波在工件内是匀速传播的，因此在工件内走过的路程越长，返回的时间越晚，所以底脉冲要比伤脉冲出现的晚，它们在荧光屏上的水平距离反应了超声波在工件内走过的距离。因此有:

a b b I d = 则 I b b d a

⋅= （2）

式中:d ——工件表面至缺陷的距离。

I ——沿探测方向的工件厚度。

b ——伤脉冲到始脉冲的扫描刻度。

a b ——底脉冲到始脉冲的扫描刻度。

超声波在介质中传播是有能量衰减的。走过的距离越长，反射回来的能量也越小，表现在接收回来的脉冲高度要减少。如果伤较小，少量超声波自伤处反射回来，将有一个矮的伤脉冲，此时大部分能量抵达工件底面，底脉冲仍较高。如果伤面积很大，则伤脉冲就会高，相应的底脉冲就会很小。如遇到伤很大，或其界面又不垂直于超声波入射的方向（如图1c ），则伤脉冲没有（反射波收不到），底脉冲也可能没有。

超声波探头是超声波探伤仪的重要附件，工程上所用的探头分为直探头和斜探头两种。探头又叫做换能器，探伤仪发射出来的是高频电脉冲，利用探头上的压电晶体（常用锆钛酸图2 探伤仪工作原理示意图

铅）将电脉冲转换成机械振动——超声波。探头又可以将由工件上接收到的超声波转换成电脉冲，输给接收放大电路，再加于示波管上。

直探头表面向工件发射的是垂直于工件表面的超声波。斜探头是在压电晶体表面上嵌有具一定倾角的有机玻璃块而构成。斜探头向工件表面发射的是倾斜入射的超声波，探头上均应标明其倾角数值，以便于计算其在工件内的折射角。但在工程上不需要计算，它可以通过试验显示出来。如对于焊缝的检验，多利用斜探头探伤，如图3所示。探头在位置I 处，声波恰传播到钢板（焊缝）底部， 1L 叫一次声程。探头在位置II 处，声波经一次反射后抵达钢板（焊缝）顶部，2L 为二次声程。对于壁厚为b 的钢板，1L 、2L 为:

βcos 1b

L = （3）

βcos 22b

L =

（4）

式中 1L ——一次声程；

2L ——二次声程；

b ——钢板厚度； β——与斜探头的角度有关，此处视为在钢板内的折射角。

实际上， 1L 与2L 的数值不需要操作者计算，它可以借助一个具有β为顶角的三角标准样块来确定。当将斜探头自钢板边缘向后移动到I 位置时，荧光屏上出现一个底脉冲，记住它的扫描刻度。再将斜探头沿三角标准样块的斜边自上而下移动时，底脉冲沿荧光屏的扫描线自左向右移动。当移至刚才的扫描刻度上时，测读该处样块的长度即可得知1L （或2L ）的实际值。

图3 二次声程法

当钢板或焊缝内有缺陷时，如图4所示，必在荧光屏 (见图3) I 及II 之间有伤脉冲出现，根据伤脉冲的扫描刻度，按比例可计算出S 值，并可依下式确定伤的位置，

βcos 2⋅-=S d h

（5）

βsin ⋅=S l

（6）

二、超声波测厚原理

超声波测量厚度的原理与光波测量原理相似。探头发射的超声波脉冲到达被测物体并在物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

【实验内容与步骤】

一、超声波探伤实验内容：

1．探测一块无缺陷的试块，分别从试块的两个不同厚度方向进行探测，观察其始脉冲与底脉冲扫描刻度值的差异，建立起扫描时间与超声波传播距离成正比的概念。见图6。由于l ＞l 1则：t 必大于t 1，且11t t l l =。如果不成比例，应查找原因。

根据同一原理（又称图象比例法）测定人工试样内平底孔到探测面的距离，如图7。

图4 利用二次声程法探伤

图5 探测一个样块的两个不同厚度方向

图6 图象比例法