安全检测与监控

6.2.1 超声波的发生及其性质 1. 超声波的发生和接收 压电效应：对某些物质，当沿着一定方向施加力而使其变形 时，在一定表面上将产生电荷，外力去掉后又重新回到不带电 状态的现象。 反之，如在这些物质的极化方向施加电场，这些物质又在一 定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时这些变形 或应力则随之消失，这种现象为逆压电效应。
好意味着： ① 构件在物理上和功能上是完整的； ② 构件处于受控状态； ③ 存在持续性措施防止构件在运行阶段发生事故；
结构完整性与构件设计、制造、安装、施工、运行、维护、 检修和管理的各个过程密切相关。
结构完整性着重研究安全工程系统中机的问题及其影响因素。
安全检测与监控
六、结构完Hale Waihona Puke 性检测6.1 结构完整性问题
斜射探伤法能发现与探测表面成角度的缺陷，常用于焊缝、
环状锻件、管材的检查。
T
斜射探伤：无缺陷波形
TF
斜射探伤：含缺陷波形
T
B’
斜安射全检探测与伤监：控 板端反射波形
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
2、共振法 若某一频率的声波在被测工件内传播，当工件的厚度是超 声波半波长的整数倍时，将引起共振，仪器显示出共振频率， 利用相邻两个共振频率差，可确定被测工件的厚度：
s
i1
2
大小取决于两种介 质的中声速。
L s
C1—入射波声速 — 入射角 — 反射角 L— 纵波 S—安全横检测波与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术 7、指向性 声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声波的指向性，探 伤采用高频超声波，其理由之一就是希望它具有指向性，便于 超声波探伤发现缺陷，确定缺陷位置。 8、近场区和远场区 在超声波探头的声场中，按声场变化的规律分为近场区和 远场区。 在近场区，声束可粗略地认为是圆柱形的，且与传感器晶 片的直径相同，在近场区以外的远场区，声束会以圆锥形扩散：
折射的特性来探测零件内部的缺陷。 由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其
是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等 缺陷(缺陷中有气体)或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面 处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收， 通过检测仪器处理，可得到不同高度和有一定间距的波形，根 据波形的变化特征可以判断缺陷在工件中的深度、位置和形状。
共振法主要用于测量壁厚；依据前后检测共振点变化，可
检测复合材料胶合质量、板材点焊质量、均匀腐蚀和板材内部
夹层等。设备简单、测量精确。
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
3、透射法
利用超声波穿透工件后的能量变化来判断工件缺陷情况。
发射探头
当工件无缺陷时，能量衰减小，接 收探头得到的信号强；当存在缺陷时，
由于反射或折射导致接收探头得到的信 接收探头 号较弱，依据接收信号大小可判断缺陷
位置及大小。
适合探测较薄工件的缺陷和超声波衰减大的匀质材料，设
备简单、操作方便，速度快，对形状简单、批量大的工件易实
现连续检测；不能检测缺陷深度、小缺陷，探伤灵敏度低，对
探头安装位置要求高。
安全检测与监控
六、结构完整性检测
将超声能转变为电能的过程，利用压电材料的压电效应。 超声波检测所利用的探头，一方面用于发生超声波，另一方面 用于接收从界面、缺陷返回的超声波。
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
2、超声波的种类 纵波：声波介质质点的振动方向与传播方向一致； 横波：在固体介质中传播的剪切波（质点运动方向垂直于声
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
1）垂直探伤法（纵波法）
当把脉冲振荡器发生的电压加到晶片上时，晶片振动，产
生超声波脉冲。如果被检物是钢的话，超声波以5900米/秒的
固定速度在钢内传播，超声波碰到缺陷时，一部分从缺陷反射
回到晶片，而另一部分未碰到缺陷的超声波继续前进，直到被
检底面才反射回来。
3、C型显示探伤仪：图象显示：横坐标和纵坐标都是靠机 械扫描来代表探头在工件表面的位置。探头接收信号幅度以光 点辉度表示；当探头在工件表面移动时，荧光屏上可显示出工 件内部缺陷的平面图象，但不能显示缺陷的深度。
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
安全检测与监控
六、结构完整性检测
结构完整性不足或丧失，意味着： ① 结构出现损伤（缺陷），难以保证安全可靠服役； ② 构件功能部分或完全丧失； ③ 运行阶段所采取的措施不足以预防失效事故的发生。
受各种复杂因素的影响，工程系统的构件在运行过程中的 结构完整性实际上是动态变化的，对结构完整性适时进行检测 与评价，是结构完整性管理的核心任务之一。
阻抗。 6、波的反射和透射
（1）垂直入射时的反射和透射 当超声波垂直地传到界面上时，一部分超声波被反射，而剩余的部分就 穿透过去，这两部分的比率取决于两种介质的声阻抗。当钢中的超声波传播 到底面遇到空气介质界面时，由于空气和钢中声波传播速度和密度相差很大， 接近100%的超声波被反射回来，而当交接界面为钢和水时，有88%的声能 被反射。 声压反射率：R=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)， Z1、Z2为两种介质的声阻抗 声压透射率：D=2Z2/(Z2+Z1)， Z1、Z2为两种介质的声阻抗
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
近 场 区
远 场 区
幅
值
因干涉 Y0
波动
指数 规律 衰减
近场区
远场区
距离
9、小物体上的超声波反射
在超声波探伤中，缺陷尺寸的检出极限为超声波波长的一
半。缺陷尺寸越大，越容易反射。
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
6.2.2 超声波检测原理及方法 超声波检测利用超声波通过两种介质的界面时发生反射和
对称型 上下表面：椭圆运动, 中心：
板 (S型) 纵向振动 波 非对称型 上下表面；椭圆运动，中
固体介质(厚 度与波长相当 的薄板)
薄板、薄壁钢管等 (δ<6mm)
(A型) 心：横向振动
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
3、声速 声波在不同介质中的传播速度： 空气：340m/s； 水：1500m/s； 钢：5900m/s（纵波）、3230m/s（横波）、 表面波：3007m/s 声速取决于传播介质的弹性系数、密度和声波的种类，与频
寸，则有助于选择合适的检测频率。
例1：计算频率为5MHz的纵波在钢铁中传播的波长，设低
碳钢中的波速为5960m/s。
例2：计算频率为5MHz的纵波在铝中传播的波长，设铝中的
波速为6400m/s。
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
5、超声场及其特征量 充满超声波的空间叫做超声场，描述超声场的特征量有声压、声强、声
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
6.2.3 超声波检测仪器 1、A型显示探伤仪：波形显示：横坐标代表声波的传播时
间(或距离)，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以 确定缺陷位置，由反射波的幅度可估算缺陷大小。
2、B型显示探伤仪：图象显示：横坐标靠机械扫描代表探 头扫查轨迹，纵坐标靠电子扫描代表声波的传播时间(距离)， 可直观地显示出被探工件任一纵截面上缺陷分布及深度。
波传播方向）； 表面波：在固体介质表面传播的波（质点运动为椭圆形，且
椭圆的主轴垂直于波的传播方向）；是一种仅沿固体表面传播 的剪切波；
板波（Lamb）：在薄板中传播的波，平行于测试表面，质点 运动轨迹也是椭圆形，仅当被测材料厚度为检测频率下的几个 波长时，在厚度均匀的地方才会产生。
超声波检测中，直探头产生纵波，斜探头产生横波。
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
波的类型
质点振动特点
传播介质
应用
纵波
质点振动方向平行于波传 播方向
固、液、气体 介质
钢板、锻件探伤等
横波
质点振动方向垂直于波传 播方向
固体介质
焊缝、钢管探伤等
表面波
质点作椭圆运动，椭圆长 轴垂直波传播方向，短轴 固体介质 平行于波传播方向
钢管探伤等
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.1 结构完整性问题
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.1 结构完整性问题
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.1 结构完整性问题
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.1 结构完整性问题
结构完整性检测与评价的主要工作内容： 1、系统工况分析，确定被测对象的检测条件要求； 2、依据条件要求，选择合适的检测方法； 3、确定检测实施方案； 4、检测方案实施，采集数据； 5、检测数据处理； 6、检测结果分析、解释； 7、结构完整性评价：剩余工作能力、建议措施、预测
6.2 超声波检测技术 4、接触测量与液浸测量 接触测量利用探头与工件表面之间的一层耦合剂直接接触 进行探伤。耦合剂要求有较高声阻抗且透声性好。 操作方便，但对工件表面粗糙度要求高。 液浸测量将探头与工件全部浸入液体，或将探头与工件局 部充入液体进行探伤。液浸法当用水作耦合介质时，称作水浸 法。水浸法探伤时，探头常采用聚焦探头以保证灵敏度。 探头与工件不直接接触，检测速度高，易实现自动化检测。
率和晶片无关。 横波的声速大约是纵波声速的一半，表面波声速约为横波的
0.9倍。
安全检测与监控
六、结构完整性检测
6.2 超声波检测技术
4、波长
波在一个周期内或者说质点完成一次振动所经过的路程称