超声波讲义

超声波检测讲义（UT）

超声波探伤是利用超声波在物质中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种探伤方法。与射线探伤相比，超声波探伤具有灵敏度高、探测速度快、成本低、操作方便、探测厚度大、对人体和环境无害，特别对裂纹、未熔合等危险性缺陷探伤灵敏度高等优点。但也存在缺陷评定不直观、定性定量与操作者的水平和经验有关、存档困难等缺点。在探伤中，常与射线探伤配合使用，提高探伤结果的可靠性。超声波检测主要用于探测试件的内部缺陷。

1、超声波：频率大于20KH

Z

的声波。它是一种机械波。探伤中常用的超声波频率为0.5~10MHz，其中2~2.5MHz被推荐为焊缝探伤的公称频率。

机械振动：物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。振幅A、周期T、频率f。。

波动：振动的传播过程称为波动。C=λ*f

2、波的类型：（1）纵波L：振动方向与传播方向一致。气、液、固体均可传播纵波。

（2）横波S：振动方向与传播方向垂直的波。只能在固体介质中传播。

（3）表面波R：沿介质表面传播的波。只能在固体表面传播。

（4）板波：在板厚与波长相当的薄板中传播的波。只能在固体介质中传播。

3、超声波的传播速度（固体介质中）

（1） E：弹性横量，ρ：密度，σ：泊松比，不同介质E、ρ不一样，

波速也不一样。

（2）在同一介质中，纵波、横波和表面波的声速各不相同 C

L ＞C

S

＞C

R

钢：C

L =5900m/s， C

S

=3230m/s，C

R

=3007m/s

4、波的迭加、干涉、衍射

⑴波的迭加原理

当几列波在同一介质中传播时，如果在空间某处相遇，则相遇处质点的振动是各列波引起振动的合成，在任意时刻该质点的位移是各列波引起位移的矢量和。几列波相遇后仍保持自己原有的频率、波长、振动方向等特性并按原来的传

播方向继续前进，好象在各自的途中没有遇到其它波一样，这就是波的迭加原理，又称波的独立性原理。

⑵波的干涉

两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象叫做波的干涉现象。波的干涉是波动的重要特征，在超声波探伤中，由于波的干涉，使超声波源附近出现声压极大极小值。

⑶波的衍射（绕射）

波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时，能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象，称为波的衍射或波的绕射。

波的绕射和障碍物尺寸D

f 及波长λ的相对大小有关。当D

f

<<λ时，波的绕

射强，反射弱，缺陷回波很低，容易漏检。超声探伤灵敏度约为λ/2，这是一个重要原因。当D

f

>>λ时，反射强，绕射弱，声波几乎全反射。

波的绕射对探伤即有利又不利。由于波的绕射，使超声波产生晶粒绕射顺利地在介质中传播，这对探伤是有利的。但同时由于波的绕射，使一些小缺陷回波显著下降，以致造成漏检，这对探伤不利。

5、超声场的特征值

(1) 超声场：充满超声波的空间或超声波振动所波及的部分介质。

(2) 声阻抗Z：超声波中任一点的声压与该处质点振动速度之比。

(3) 声强I：单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强。（J/cm2²s或w/ cm2）。

6、分贝

声强级：某处的声强I

2与标准声强I

1

（I

1

=10-16瓦/厘米2）之比。

*当超声波探伤仪的垂直线性较好时，仪器示波屏上的波高（H）与声压（P）成正比。

7、超声波垂直入射到界面时的反射和透射

声压的反射率r和透射率t （单一平界面）

(1) 当Z

1＞＞Z

2

（如钢/空气界面或固/空气界面）

（钢：Z=4.53³106g/cm2 s ,有机玻璃：Z=0.33³106g/cm2 s空气：

Z=0.00004³106g/cm2 s）

r=-1

t=0

几乎全反射，无透射。

☆探伤中，探头和工件间如不施加耦合剂，则形成固（晶片）/气界面，超声波将无法进入工件。

(2) 当Z

1=Z

2

时

r=0

t=1

几乎全透射，无反射。

☆若母材与填充金属结合面没有任何缺陷，便不会产生界面回波。

8、超声波斜入射到界面时的反射和折射

波型转换：超声波倾斜入射到界面时，除产生同种类型的反射与折射波外，还会产生不同类型的反射和折射波。这种现象称为波型转换。

有机玻璃中：c

l1

=2730m/s

钢中 c

l2

=5900m/s

c

S2

=3230m/s

9、超声波的衰减

超声波的衰减：超声波在介质中传播时，随着距离的增加，超声波能量逐渐减弱的现象。

10、仪器、探头、试块

超声波探伤设备一般由超声波探伤仪、探头和试块组成。

(1) 仪器

常用超声波探伤仪为A型脉冲反射式超声波探伤仪。

A型显示：一种波形显示。

脉冲波：周期性的发射不连续且频率不变的波。

反射式：通过接收反射回波信号。

(2) 探头

在超声波探伤中，超声波的发射和接收是通过探头来实现的。

探头又称换能器，其核心部件是压电晶体，又称晶片。晶片的功能是把高频电脉冲转换为超声波，又可把超声波转换为高频电脉冲，实现电一声能量相互转换的能量转换器件。

压电晶片：发射和接收超声波。

压电效应：在交变拉压应力作用下产生交变电场或者在交变电场作用下产生伸缩变形。机械能转换为电能，电能转换成机械能。

按波型分：纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头。

按晶片数分：单晶探头、双晶探头。

a，直探头（纵波探头）

直探头用于发射和接收纵波。

☆直探头主要用于探测与探测面平行的缺陷。

b，斜探头

横波斜探头是利用横波探伤，主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝探伤等。

横波斜探头的标称方式常用两种：①一种是以横波折散角βs来标称。如βs=40º，45º，60º等；②另一种是以折射角的正切值（K=tgβs）来标称。K=1.0，1.5，2.0，2.5等。

c，双晶探头

探头型号：1、2.5B20Z ； 2、5P6³6K3