水浸超声检测技术知识讲解
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水浸式超声探伤技术
主讲人： 时间：2015.11.01
目
1 超声检测简史
录
2 水浸超声探伤原理及分类 3 水浸超声探头及仪器
4 水浸超声检测方法及系统
5 水浸超声与接触式超声对比
超声检测简史
利用超声波来探查水中物体，是在第一次世界大战后 发展起来的。
利用超声波来对固体进行无损检测，则始于20世纪 20年代末期。
焦柱直径 是一个距离参数， 当与焦点处的距离为的任意一点处 的声压与焦点本身位置的声压之比 为-6dB时，表示小球偏离了轴线两 倍的距离。
26分贝=
F D
焦柱长度L为焦线上任一点处的声
压与焦点位置处声压之比为-6dB
时，表示小球偏离了焦点两倍的
距离。
L2l-6分贝
4
F
2
D
焦点周围任意点的 声压分布
焦柱直径和焦柱长度 示意图
水浸超声设备
• 北京双河理声TLL-16铁道车轮轮辋超声自动 探伤机 1．TLL-16型铁道车辆车轮轮辋超声自动探 伤机，主要由机械部分（水槽、上下料、探 头跟踪、扫描驱动、转轮器等）、控制部分 （控制箱、计算机及软件）、探头、专用多 通道数字超声探伤仪，数据采集、数据处理 和数字成像系统组成。
2．该设备具有A扫描、B扫描和3D图像显示功 能。A扫描用于快速普查缺陷，当发现缺陷时， 采用数字成像技术和图像处理技术，形成C扫 描、B扫描图像和三维图像，直观地给出缺陷 平面、断面和立体图像，达到对车轮轮辋内 部缺陷的准确定位、定量判断，探伤可靠。
超声检测简史
超声检测工作原理：
基于超声波在工件中的传播特性:能量损失、反射
1. 声源产生超声波，采用一定的方式进入工件。
2. 传播、相互作用
传播方向、特性改变。
3. 接收、分析、处理、评估
超声检测方法分类：
1. 原理：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法 2. 显示方式: A型、超声成像显示 3. 波型：纵波、横波、表面波、板波、爬波 4.探头数目： 单、双、多 5.探头与工件接触方式：接触法、液浸法、电磁耦合法
整个圆盘波源在M点处 的总声压值为：
PP0FS[2J1(kR ssin)] r kR ssin
指向性系数 D c ：
DcM M((rr,,0))2J1 k(kR ssR ssinin)
当指向性系数为0时：
kss Ri n3 .8,7 3 .0,1 2 .1 0 .7 .. kR ssin3.83 0 ar1 .2 c/s D 2 s i7 n /D 0 s ( )
时，也可通过折射在工件中产生纯横波。 水浸聚焦探头：
一种是将压电晶片做成凹面，直接聚焦 另一种是在水浸直探头前加上声透镜产生聚焦声束
在水浸探伤中,为了克服声束在水中的扩散,改善声束的 指向性,提高检测灵敏度和分辨力,尤其是对凸弧面工件, 常采用聚焦探头进行检测。
水浸超声探头
性能指标： 设计、研制人员：工作频率、带宽、机电耦合系数、电 声效率等。 用户：时间域响应（脉冲宽度）、相对脉冲回波灵敏度、 电阻抗（匹配特性）、频率响应、声场分布特性。
水浸超声探伤原理及分类
•全部浸没式 适用于体积不大、形状简单 的工件检测 •局部浸没式 适用于大体积工件的检测。 局部浸没法又分为喷液式、 通水式和满溢式。
水浸超声探头
在超声检测中，超声波的发射和接收都是通过探头实现 的。探头的性能很大程度上决定了超声检测的性能。
水浸超声探头的选择（分类）：
水浸直（平）探头： 相当于可在水中使用的纵波直探头，用于水浸法检测。 当改变探头倾角使声波束从水中倾斜入射至工件表面
声场分布特性 探头的声场分布包括探头的指向性、近场长度、
焦距、焦柱直径及长度等。
水浸超声探头
（1）水浸直探头（圆盘波源）
近场长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源 的距离
N Ds2 Ds2 f
4 4c
水浸超声探头
声束指向性：
点波源ds在任意一点引
起的声压为：
dPP 0d r' ssint(k'r)
水浸超声探伤原理及分类
原理： 超声波水浸法是在探头与工件之间填充一定厚度的水层
，声波先经过水层，再入射到试件中的一种非接触式超声 检测方法。 特点：
1.能消除直接接触检测中难以控制的因素，使声波 的发射与接收比较稳定 2.对试件表面光洁度要求不高，探头也不易磨损， 耦合稳定，检测结果重复性好 3.易于实现自动检测，提高检测速度
1929年，前苏联Sokolov首先提出利用超声波探查 金属物体内部缺陷的建议，并于1935年发表了用穿透 法进行试验的一些结果。
根据Sokolov提出的原理支撑的第一种穿透法检测 仪器于二战后出现在市场上。
超声检测简史
脉冲反射法和仪器的出现，给了超声检测新的生命力
1940年，美国的Firestone首次介绍了基于脉冲反射法的超声检 测，并在其后的几年进行了试验和完善。 1946年，英国的D.O.Spronle研制成第一台A型脉冲反射式超声探 伤仪，能够较为准确地确定缺陷位置和测量缺陷尺寸。随后，英 国和美国分别开发出A型脉冲反射式超声检测仪，并逐步用于锻 钢和的检测。 20世纪60年代，随着电子技术的快速发展，仪器的性能得到了大 幅度的提升，脉冲反射法成为迄今为止通用性最好、使用最广泛 的检测方法之一。 20世纪70年代，TOFD（衍射时差法）也被广泛应用。
3．该设备采用水浸式超声波探伤方法和探头 跟踪定位方法，使超声波探头与轮辋探测面 达到了最佳耦合条件，提高了探头与车轮内 外侧相对位置的准确性，使探伤质量得到保 证，探头与轮辋不接触式探伤，降低了探头 消耗及探伤成本。
水浸超声设备
• GE公司超声相控阵车轮检测系统 GE的超声相控阵车轮检测系统采用的是水浸模 式。该系统检测对象是新造车轮和镟修后车轮的 轮辋和轮缘。每轮检测时间只需一分钟，检测结 果稳定性好和重复性好。另外该系统根据客户的 要求可以提供不同的配置：
水浸超声探头
பைடு நூலகம்
（2）聚焦探头
焦距： 聚焦探头的焦距F与声透镜的曲率半径r之间的关系为：
式中：
F c1r nr c1c2 n1
n—透镜与耦合介质波速比，nc1/c2
在实际检测过程中，实际焦距 F'为：
F' FL(c3/c21)
式中： L—工件中焦点至工件表面的距离
水浸聚焦探头示意图
水浸超声探头
焦柱直径及长度
主讲人： 时间：2015.11.01
目
1 超声检测简史
录
2 水浸超声探伤原理及分类 3 水浸超声探头及仪器
4 水浸超声检测方法及系统
5 水浸超声与接触式超声对比
超声检测简史
利用超声波来探查水中物体，是在第一次世界大战后 发展起来的。
利用超声波来对固体进行无损检测，则始于20世纪 20年代末期。
焦柱直径 是一个距离参数， 当与焦点处的距离为的任意一点处 的声压与焦点本身位置的声压之比 为-6dB时，表示小球偏离了轴线两 倍的距离。
26分贝=
F D
焦柱长度L为焦线上任一点处的声
压与焦点位置处声压之比为-6dB
时，表示小球偏离了焦点两倍的
距离。
L2l-6分贝
4
F
2
D
焦点周围任意点的 声压分布
焦柱直径和焦柱长度 示意图
水浸超声设备
• 北京双河理声TLL-16铁道车轮轮辋超声自动 探伤机 1．TLL-16型铁道车辆车轮轮辋超声自动探 伤机，主要由机械部分（水槽、上下料、探 头跟踪、扫描驱动、转轮器等）、控制部分 （控制箱、计算机及软件）、探头、专用多 通道数字超声探伤仪，数据采集、数据处理 和数字成像系统组成。
2．该设备具有A扫描、B扫描和3D图像显示功 能。A扫描用于快速普查缺陷，当发现缺陷时， 采用数字成像技术和图像处理技术，形成C扫 描、B扫描图像和三维图像，直观地给出缺陷 平面、断面和立体图像，达到对车轮轮辋内 部缺陷的准确定位、定量判断，探伤可靠。
超声检测简史
超声检测工作原理：
基于超声波在工件中的传播特性:能量损失、反射
1. 声源产生超声波，采用一定的方式进入工件。
2. 传播、相互作用
传播方向、特性改变。
3. 接收、分析、处理、评估
超声检测方法分类：
1. 原理：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法 2. 显示方式: A型、超声成像显示 3. 波型：纵波、横波、表面波、板波、爬波 4.探头数目： 单、双、多 5.探头与工件接触方式：接触法、液浸法、电磁耦合法
整个圆盘波源在M点处 的总声压值为：
PP0FS[2J1(kR ssin)] r kR ssin
指向性系数 D c ：
DcM M((rr,,0))2J1 k(kR ssR ssinin)
当指向性系数为0时：
kss Ri n3 .8,7 3 .0,1 2 .1 0 .7 .. kR ssin3.83 0 ar1 .2 c/s D 2 s i7 n /D 0 s ( )
时，也可通过折射在工件中产生纯横波。 水浸聚焦探头：
一种是将压电晶片做成凹面，直接聚焦 另一种是在水浸直探头前加上声透镜产生聚焦声束
在水浸探伤中,为了克服声束在水中的扩散,改善声束的 指向性,提高检测灵敏度和分辨力,尤其是对凸弧面工件, 常采用聚焦探头进行检测。
水浸超声探头
性能指标： 设计、研制人员：工作频率、带宽、机电耦合系数、电 声效率等。 用户：时间域响应（脉冲宽度）、相对脉冲回波灵敏度、 电阻抗（匹配特性）、频率响应、声场分布特性。
水浸超声探伤原理及分类
•全部浸没式 适用于体积不大、形状简单 的工件检测 •局部浸没式 适用于大体积工件的检测。 局部浸没法又分为喷液式、 通水式和满溢式。
水浸超声探头
在超声检测中，超声波的发射和接收都是通过探头实现 的。探头的性能很大程度上决定了超声检测的性能。
水浸超声探头的选择（分类）：
水浸直（平）探头： 相当于可在水中使用的纵波直探头，用于水浸法检测。 当改变探头倾角使声波束从水中倾斜入射至工件表面
声场分布特性 探头的声场分布包括探头的指向性、近场长度、
焦距、焦柱直径及长度等。
水浸超声探头
（1）水浸直探头（圆盘波源）
近场长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源 的距离
N Ds2 Ds2 f
4 4c
水浸超声探头
声束指向性：
点波源ds在任意一点引
起的声压为：
dPP 0d r' ssint(k'r)
水浸超声探伤原理及分类
原理： 超声波水浸法是在探头与工件之间填充一定厚度的水层
，声波先经过水层，再入射到试件中的一种非接触式超声 检测方法。 特点：
1.能消除直接接触检测中难以控制的因素，使声波 的发射与接收比较稳定 2.对试件表面光洁度要求不高，探头也不易磨损， 耦合稳定，检测结果重复性好 3.易于实现自动检测，提高检测速度
1929年，前苏联Sokolov首先提出利用超声波探查 金属物体内部缺陷的建议，并于1935年发表了用穿透 法进行试验的一些结果。
根据Sokolov提出的原理支撑的第一种穿透法检测 仪器于二战后出现在市场上。
超声检测简史
脉冲反射法和仪器的出现，给了超声检测新的生命力
1940年，美国的Firestone首次介绍了基于脉冲反射法的超声检 测，并在其后的几年进行了试验和完善。 1946年，英国的D.O.Spronle研制成第一台A型脉冲反射式超声探 伤仪，能够较为准确地确定缺陷位置和测量缺陷尺寸。随后，英 国和美国分别开发出A型脉冲反射式超声检测仪，并逐步用于锻 钢和的检测。 20世纪60年代，随着电子技术的快速发展，仪器的性能得到了大 幅度的提升，脉冲反射法成为迄今为止通用性最好、使用最广泛 的检测方法之一。 20世纪70年代，TOFD（衍射时差法）也被广泛应用。
3．该设备采用水浸式超声波探伤方法和探头 跟踪定位方法，使超声波探头与轮辋探测面 达到了最佳耦合条件，提高了探头与车轮内 外侧相对位置的准确性，使探伤质量得到保 证，探头与轮辋不接触式探伤，降低了探头 消耗及探伤成本。
水浸超声设备
• GE公司超声相控阵车轮检测系统 GE的超声相控阵车轮检测系统采用的是水浸模 式。该系统检测对象是新造车轮和镟修后车轮的 轮辋和轮缘。每轮检测时间只需一分钟，检测结 果稳定性好和重复性好。另外该系统根据客户的 要求可以提供不同的配置：
水浸超声探头
பைடு நூலகம்
（2）聚焦探头
焦距： 聚焦探头的焦距F与声透镜的曲率半径r之间的关系为：
式中：
F c1r nr c1c2 n1
n—透镜与耦合介质波速比，nc1/c2
在实际检测过程中，实际焦距 F'为：
F' FL(c3/c21)
式中： L—工件中焦点至工件表面的距离
水浸聚焦探头示意图
水浸超声探头
焦柱直径及长度