超声波探测缺陷方面的应用

超声波探测中缺陷定位的研究

付昊辉

（北京交通大学电子信息工程学院通信1206班，12222004）

摘要：随着科技的发展，各种技术逐渐融合，超声波是一种重要的机械波，科学界对其研究已经比较透彻，正将该技术应用到各种领域中。在超声波探测缺陷中，将机械振动和波动联系在一起，作为物理的基础。本文旨在对超声波探伤的原理进行介绍并对超声波探伤的三个应用实例进行分析和极少。

关键词：超声波探测探伤缺陷定位 CT 钢结构红外成像技术

一、引言

超声波是频率在两亿到两兆赫兹的声波，超声波广泛存在于自然界和日常生活中。人们研究超声始于1830年，超声波测试把超声波作为一种信息载体，它已在无损检测等领域发挥着不可取代的独特作用。无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种检测手段，Nondestructive Testing（缩写NDT）。

无损检测的常规方法有直接用肉眼检查的宏观检验和用射线照相探伤、超声探伤仪、磁粉探伤仪、渗透探伤、涡流探伤等仪器检测，其中超声探伤仪应用最为广泛。肉眼宏观检测可以不使用任何仪器和设备，但肉眼不能穿透工件来检查工件内部缺陷，而超声检测等方法则可以通过各种各样的仪器或设备来进行检测，既可以检查肉眼不能检查的工件内部缺陷，也可以大大提高检测的准确性和可靠性。至于用什么方法来进行无损检测，这需根据工件的情况和检测的目的来确定。

二、超声波探测缺陷的原理及应用

1. 超声波探伤的原理

超声波探伤是通过超声波在材料中传播遇到介质会发生反射与折射原来来设计的，使用材料和他们的缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。脉冲反射法有纵波探伤和横波探伤。脉冲反射法用纵波进行垂直探伤，用横波进行斜射探伤。在超声波仪器示波屏上，横坐标表示声波的传播时间，纵坐标表示回波信号幅度。脉冲波的传播时间与声程同一均匀介质中成正比。因此可由缺陷回波信号的出现判断缺陷是否存在；通过回波幅度来判断缺陷的当量大小；回波信号出现的位置来确定缺陷距探测面的距离，实现缺陷定位。如果材料中没有缺陷的话，超声波传播的材料另一端会发生反射，被探头捕捉后，根据波在材料中的声速与实际检测时发射波与接收回波之间所耗的时间来判断出材料的厚度。如果有缺陷同样也会有反射回波，探头会捕捉到。那么缺陷回波会比材料另一面回波走的行程短。分设备上的反映，就能确定是否有缺陷的形成。

2. 探测混凝土内部缺陷

利用超声波CT技术可以获得整个测区混凝土质量分布情况的直观图像。与常规声波检测相比，对混凝土内部缺陷的判别可做到定量化。目前，超声波已广泛应用在混凝土质量检测中，但在分析手段上尚较为落后。因此，超声波CT将是超声波技术在混凝土无损检测领域的一个发展方向。

目前，超声波CT中仅采用各测线的声时数据进行反演计算,主要是利用了声时随测距呈线性变化这一特点。实际上，混凝土的声学参数除声时外，还有波幅、频率、波形畸变，但这3个参数与测距均没有很好的对应关系。如能综合考虑这3个参数作为补充信息对反演进行约束，则更能提高反演精度。

目前，超声波CT采用“直线重构模型”，但超声波实际行走路径为空间曲线，故反演计算结果中不可避免地会带来模型化误差。

3. 在钢结构工程中用超声波探伤

钢结构无损探伤包括超声检测(u T) 、射线检测( 1 i T ) 、磁粉检测( MT ) 、渗透检( PT ) 和涡流检测( ET )，5种检测方法。超声检测是目前应用最广泛的探伤方法之一。超声波具有穿透力强的特征，在传播过程中遇不同介质时会在分界面产生反射、折射、绕射和波形转换。超声波像光波一样方向性良好，可以定向发射，像一束电简光在黑暗中寻找目标，发现被检材料中的缺陷。超声波波长很短，超声波探伤能探测到的最小缺陷尺寸约为波长的一半。超声波探伤有反射法和穿透法两种。反射法就是根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小，这种方法灵敏度比较高，因而在实际钢材焊缝探伤中反射法的应用更加广泛。进行探伤检测前，我们要了解图纸对焊接质量的技术要求。目前钢结构的验收标准是依据GB 50205-95《钢结构工程施工及验收规范》来执行的。标准规定：对于图纸要求焊缝焊接质量等级为一级时、评定等级为I 级时规范规定要做10％的超声波探伤；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为二级时、评定等级为Ⅱ级时规范规定要求做20％超声波探伤；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为三级时不做超声波内部缺陷检查。

4. 用超声波与红外成像技术探测隐藏的缺陷

“热声”技术能够探测各种材料中的缺陷，例如铁类和非铁类金属、陶瓷和复合结构中D 受压裂缝、张开的裂缝、脱节、脱层等。当工件暴露在短脉冲超声波能量(约20kHz 至40kHz) 之下时，工件中的裂缝或者缺陷会以差动方式振动，从而指示出局部的摩擦发热( 见图1) 。之所以有这样的效应，是因为当声波在物体中传播时，内部铵稳的两个表面的运动并不一致。因此，一条闭合的裂缝的两个相对的表面就起到一个平面热源的作用。红外摄像机中有一个灵敏的探测器，即便温度仅升高了零点几度。摄像机也能对这种发热效应进行成像。当声波脉冲关闭后，所产生的温度图就会按照一般的热扩散过程在零点几秒内发生衰变。对超声波激励和红外成像进行控制以使两者精密同步，这样产生的图像序列能够显示出裂缝或者缺陷因受激而产生的热能及其衰变过程。这种检删系统由图像热工程(Lulage Therm Eilgineering ) 公司写入的LabVIEW 虚拟仪器控制。

三．结语

进入21世纪，科学技术越来越向服务人类生活，为降低生产成本，提高生产效率，超声波探伤技术在材料工业中，超声波探伤技术在时间过程具有较高精确性。材料工业中的超声波探伤技术是一种高效工艺，在应用中比较广泛。

参考文献：

[1]成正维,牛原,大学物理实验[M],北京:北京交通大学出版社,2010:226-227.

[2]王五平,宋人心,傅翔,罗骐先,用超声波探测混凝土内部缺陷[J].水利水运工程学报.南京：水利水运工程学报编辑部,2003年.

[3]冯树昌, 在钢结构工程中超声波探伤检查的应用[J].建材与装饰.2012年.

[4]高国龙, 用超声波与红外成像技术探测隐藏的缺陷[J].红外.2002年.