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超声导波检测技术
哈尔滨市燃气压力容器检验所
李文强 2014年6月
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1
超声导波的基本原理
• 当超声波在板中传播时，将会在板界面来回反射，产生复 杂的波形转换以及相互干涉。这种经介质边界制导传播的 超声波称为超声导波。因为导波沿其边界传播，所以，结 构的几何边界条件对导波的传播特性有很大的影响。与传 统的超声波检测技术不同，传统的超声波检测是以恒定的 声速传播，但导波速度因频率和结构几何形状的不同而有 很大的变化，即具有频散特性。在同一频率激励下.导波也 存在多种不同的波型和阶次。在板状结构中，导波以2种 不同的波型传播，分别是:对称(S)和非对称(A)的纵波(也称 Lamb波)，以及剪切波(SH)
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导波技术的局限性
1、不能测量管道的真实残余壁厚或最小壁厚。 • 2、不能区分内外壁损伤。 • 3、不能确定缺陷的形状和尺寸。 • 4、轴向裂纹检测局限。 • 5、不能检测孤立的小的凹坑。（可以检测成串的凹坑） • 6、不能空越法兰检测。
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13
超声导波的基本原理-导波的相速度与群速度
• 导波具有自己的特性，如频散、群速度与相速度不一致等。 群
• 1、检测测量模式中可以测量2-5%管壁损失量，监测模式中可 以测量1%管壁损失量，
• 2、位置精度，正负15cm.
• 3、测试范围取决于管道状况，对于地上直管道，测试范围从探 头位置起超过150米。适用于架空，穿跨越管道，从遥远的距离 检测难以达到的区域，在管道运行期间在役管道腐蚀状态检测， 基于信号强度和特征对管道的损坏严重程度进行分类。能够区 别焊缝和缺陷。
• 利用洛仑兹（Lorentz）力和磁致伸缩 （Magnetostriction）力，EMAT与被检工 件表面的相互作用激发出超声波。
•
图2洛仑兹力 图3磁致伸缩力
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超声导波的基本原理-电磁超声（EMA）的激发机理
• 图2揭示了洛仑兹力的工作机理。洛仑兹力是指带电质点在磁场 中所受的电动力。当高频电流加到靠近金属表面的线圈上时， 在金属表面的趋肤层内将会感应出相应频率的涡流来，此涡流 方向与线圈中电流方向相反。若同时在金属表面上加一个磁场， 那么涡流在磁场作用下就会产生一个与涡流频率相同的力，即 洛仑兹力。它在工件内传播就形成了声波。
• 由于上述两种效应都具有可逆性，因而可利用检测线圈将信号 检测出来，加以分析判定，从而检测出缺陷的大小、位置等。
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9
超声导波的基本原理-导波的频散特性
• 声波具有频散特性，而且大量不同的波在介质中发生反
射、折射和波型转换,在距探头一定距离处,各波不是清晰 可辩而是叠加成波包,从而产生被限制的导波束，这些导 波沿着介质传播。
• 在无限均匀介质中传播的波称为体波，体波有两种:一种叫 做纵波(或称疏密波、无旋波、拉压波、P波);一种叫做横 波(或称剪切波、S波)，它们以各自的速度传播而无波形祸 合。
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2
超声导波的基本原理-导波概念
• 而在一弹性半空间表面处，或两个弹性半空间表面处，由 于介质性质的不连续性，超声波经过一次反射或透射而发 生波形转换。随后，各种类型的反射波和透射波及界面波 均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度 和弹性性质有关，不依赖于波动本身的特性。然而当介质 中有多于一个的界面存在时，就会形成一些具有一定厚度 的“层”。位于层中的超声波将要经受多次来回反射，这 些往返的波将会产生复杂的波形转换，并且波与波之间会 发生复杂的干涉。若一个弹性半空间被平行于表面的另一 个平面所截，从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了 一个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波、横波将会在 两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行 进，即平行的边界制导超声波在板内传播。
•
传声介质的材料特性对导波有着直接的影响。导波的
速率受到导波的频率、介质的几何形状和尺寸大小的影响。
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超声导波的基本原理-导波的频散特性
导波群速度特性曲线
导波相速度特性曲线
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导波的优点
• 导波技术现在已经是一种很成熟的技术，是上世纪90年代发展 起来的新的管道腐蚀检测技术，目前，世界上只有三家著名生 产厂商，英国焊接研究所，英国导波公司和美国西南研究院， 导波技术在管道检测中的优势：
Biblioteka Baidu--
3
超声导波的基本原理-导波概念
• 这样的一个系统称为平板超声波导.在此板状波导中传播 的超声波即所谓的板波。板波是超声无损检测中最常用的 一种导波形式，由20世纪初究无限大板中正弦波问题而得 名。除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波 导。其共同特性是由两个或更多的平行界面存在而引入一 个或多个征尺寸〔如壁厚、直径等)到问题中来。在波导 中传播的超声波称为超声导波，在圆柱和圆柱壳中传播的 导波称为柱面导波。
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4
超声导波的基本原理-导波的产生
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超声导波的基本原理-导波的产生
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6
超声导波的基本原理-导波的激发
• 压电超声与电磁超声（EMA）的 比较。通常通过调整压电探头的 频率和入射角，可在工件（如板 材、棒材、管材）中激发出导波， 但其激发的波模相对较杂，探头 的调整也很困难，再加上其声波 的传播需要借助藕合介质，因此， 压电超声并不适于高速、高温的 在线检测。在目前诸多的NDT方 法中，电磁超声（EMA）法以其 非接触式的独特工作方式更适用
于各类线材的NDT的高速、高温的检测现场条件。电磁超声换能
器（EMAT）包括一个磁铁和一个高频线圈，依靠在被检工件表
面的电、磁相互作用，可在工件内激发出超声波。由于被检工件
是其换能器的一部分，因此，其声波的传播无需借助耦合介质。
图1是两种检测方式的比较。 --
7
超声导波的基本原理-电磁超声（EMA）的激发机理
• 图3揭示了磁致伸缩的工作机理。磁致伸缩是指磁畴在交变磁场 的作用下产生壁移和旋转。众所周知，铁磁性材料是由许多自 发磁化的磁畴组成，在无外磁化作用时，这些磁畴排列无序， 各磁畴磁性相互抵消，因而宏观上表现为磁中性。但当外磁场 作用后，磁畴产生壁移和旋转，最后顺外磁场方向整齐排列起 来。在这些磁畴运动中，会伴随着宏观形变，所以表现出磁致 伸缩效应。此效应在工件内传播就形成了声波。
哈尔滨市燃气压力容器检验所
李文强 2014年6月
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超声导波的基本原理
• 当超声波在板中传播时，将会在板界面来回反射，产生复 杂的波形转换以及相互干涉。这种经介质边界制导传播的 超声波称为超声导波。因为导波沿其边界传播，所以，结 构的几何边界条件对导波的传播特性有很大的影响。与传 统的超声波检测技术不同，传统的超声波检测是以恒定的 声速传播，但导波速度因频率和结构几何形状的不同而有 很大的变化，即具有频散特性。在同一频率激励下.导波也 存在多种不同的波型和阶次。在板状结构中，导波以2种 不同的波型传播，分别是:对称(S)和非对称(A)的纵波(也称 Lamb波)，以及剪切波(SH)
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导波技术的局限性
1、不能测量管道的真实残余壁厚或最小壁厚。 • 2、不能区分内外壁损伤。 • 3、不能确定缺陷的形状和尺寸。 • 4、轴向裂纹检测局限。 • 5、不能检测孤立的小的凹坑。（可以检测成串的凹坑） • 6、不能空越法兰检测。
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超声导波的基本原理-导波的相速度与群速度
• 导波具有自己的特性，如频散、群速度与相速度不一致等。 群
• 1、检测测量模式中可以测量2-5%管壁损失量，监测模式中可 以测量1%管壁损失量，
• 2、位置精度，正负15cm.
• 3、测试范围取决于管道状况，对于地上直管道，测试范围从探 头位置起超过150米。适用于架空，穿跨越管道，从遥远的距离 检测难以达到的区域，在管道运行期间在役管道腐蚀状态检测， 基于信号强度和特征对管道的损坏严重程度进行分类。能够区 别焊缝和缺陷。
• 利用洛仑兹（Lorentz）力和磁致伸缩 （Magnetostriction）力，EMAT与被检工 件表面的相互作用激发出超声波。
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图2洛仑兹力 图3磁致伸缩力
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超声导波的基本原理-电磁超声（EMA）的激发机理
• 图2揭示了洛仑兹力的工作机理。洛仑兹力是指带电质点在磁场 中所受的电动力。当高频电流加到靠近金属表面的线圈上时， 在金属表面的趋肤层内将会感应出相应频率的涡流来，此涡流 方向与线圈中电流方向相反。若同时在金属表面上加一个磁场， 那么涡流在磁场作用下就会产生一个与涡流频率相同的力，即 洛仑兹力。它在工件内传播就形成了声波。
• 由于上述两种效应都具有可逆性，因而可利用检测线圈将信号 检测出来，加以分析判定，从而检测出缺陷的大小、位置等。
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超声导波的基本原理-导波的频散特性
• 声波具有频散特性，而且大量不同的波在介质中发生反
射、折射和波型转换,在距探头一定距离处,各波不是清晰 可辩而是叠加成波包,从而产生被限制的导波束，这些导 波沿着介质传播。
• 在无限均匀介质中传播的波称为体波，体波有两种:一种叫 做纵波(或称疏密波、无旋波、拉压波、P波);一种叫做横 波(或称剪切波、S波)，它们以各自的速度传播而无波形祸 合。
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超声导波的基本原理-导波概念
• 而在一弹性半空间表面处，或两个弹性半空间表面处，由 于介质性质的不连续性，超声波经过一次反射或透射而发 生波形转换。随后，各种类型的反射波和透射波及界面波 均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度 和弹性性质有关，不依赖于波动本身的特性。然而当介质 中有多于一个的界面存在时，就会形成一些具有一定厚度 的“层”。位于层中的超声波将要经受多次来回反射，这 些往返的波将会产生复杂的波形转换，并且波与波之间会 发生复杂的干涉。若一个弹性半空间被平行于表面的另一 个平面所截，从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了 一个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波、横波将会在 两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行 进，即平行的边界制导超声波在板内传播。
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传声介质的材料特性对导波有着直接的影响。导波的
速率受到导波的频率、介质的几何形状和尺寸大小的影响。
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超声导波的基本原理-导波的频散特性
导波群速度特性曲线
导波相速度特性曲线
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导波的优点
• 导波技术现在已经是一种很成熟的技术，是上世纪90年代发展 起来的新的管道腐蚀检测技术，目前，世界上只有三家著名生 产厂商，英国焊接研究所，英国导波公司和美国西南研究院， 导波技术在管道检测中的优势：
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超声导波的基本原理-导波概念
• 这样的一个系统称为平板超声波导.在此板状波导中传播 的超声波即所谓的板波。板波是超声无损检测中最常用的 一种导波形式，由20世纪初究无限大板中正弦波问题而得 名。除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波 导。其共同特性是由两个或更多的平行界面存在而引入一 个或多个征尺寸〔如壁厚、直径等)到问题中来。在波导 中传播的超声波称为超声导波，在圆柱和圆柱壳中传播的 导波称为柱面导波。
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超声导波的基本原理-导波的产生
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超声导波的基本原理-导波的产生
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超声导波的基本原理-导波的激发
• 压电超声与电磁超声（EMA）的 比较。通常通过调整压电探头的 频率和入射角，可在工件（如板 材、棒材、管材）中激发出导波， 但其激发的波模相对较杂，探头 的调整也很困难，再加上其声波 的传播需要借助藕合介质，因此， 压电超声并不适于高速、高温的 在线检测。在目前诸多的NDT方 法中，电磁超声（EMA）法以其 非接触式的独特工作方式更适用
于各类线材的NDT的高速、高温的检测现场条件。电磁超声换能
器（EMAT）包括一个磁铁和一个高频线圈，依靠在被检工件表
面的电、磁相互作用，可在工件内激发出超声波。由于被检工件
是其换能器的一部分，因此，其声波的传播无需借助耦合介质。
图1是两种检测方式的比较。 --
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超声导波的基本原理-电磁超声（EMA）的激发机理
• 图3揭示了磁致伸缩的工作机理。磁致伸缩是指磁畴在交变磁场 的作用下产生壁移和旋转。众所周知，铁磁性材料是由许多自 发磁化的磁畴组成，在无外磁化作用时，这些磁畴排列无序， 各磁畴磁性相互抵消，因而宏观上表现为磁中性。但当外磁场 作用后，磁畴产生壁移和旋转，最后顺外磁场方向整齐排列起 来。在这些磁畴运动中，会伴随着宏观形变，所以表现出磁致 伸缩效应。此效应在工件内传播就形成了声波。