水浸超声检测技术

3)灵敏度余量 同信噪比一样，水浸 法的灵敏度余量要小于 接触法，但使用聚焦水 浸探头时，系统灵敏度 余量明显提高，与同频 率探头接触法的灵敏度 基本相同。
水浸超声与接触式超声对比
四、结论 １)相同探伤灵敏度下，非聚焦探头水浸法的仪器增益数 高于接触法的仪器增益数，主要原因是非聚焦探头水浸法探 伤时声能在水和钢中存在更大的扩散衰减。 2)相同探伤灵敏度下，非聚焦探头水浸法的系统信噪比 和灵敏度余量均低于接触法，但二者的差异小于相同探伤 灵敏度下仪器增益数的差异，这是因为水浸法噪声水平高 于接触法的缘故。 3)当采用聚焦水浸探头时，水浸法的系统信噪比和灵 敏度余量可以提高到同频率探头接触法的水平。
水浸超声检测系统
用超声水浸自动化检测代替传统 的手动扫描方式时，首先应该考虑满 足三个原则：
一、保证被检测件的整个检查区有足够的 声束覆盖以避免漏检； 二、扫查过程中声束入射方向始终符合预 定的要求。一般情况下进给速度v应满足下频率 D——探头直径 N——扫描重复次数（一般N>3）
水浸探伤回波关系图
水浸超声与接触式超声对比
•案例——火车车轮超声检测水浸法与接触法的对比试验 对比参数为仪器增益数、信噪比、灵敏度余量
一、试验条件： (1)实验仪器：BUT301型超声波C扫描探伤仪，参数如表1所示 (2)探头：3种纵波直探头，参数如表2所示
(3)参考试块：截取某规格车轮的一段轮辋，加工成带 的平底孔试块，参数如表3所示
近场长度：波源轴线上最后一个声压极大值至波源 的距离
D D f N s s 4 4c
2 2
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：
dP P0 ds sin(t kr ' ) r '
整个圆盘波源在M点处 的总声压值为：
P P0 FS 2 J1 (kRs sin ) [ ] r kRs sin
水浸超声与接触式超声对比
二、试验方法： 接触法时，试块与探头之间耦合一层油膜；而水浸法超声波检测时， 探头与试块之间的水层厚度Ｈ为45mm。 采用焦距F为200mm的水浸聚焦探头时，根据公式
L (F H ) C水 / C钢
得到焦点到工件表面的距离为39mm。
水浸超声与接触式超声对比
仪器的统一设置：声速设为5850m/s，抑制设为0%， 重复频率设为100HZ。
指向性系数
Dc
Dc ：
M (r , ) 2 J1 (kRs sin ) M (r ,0) kRs sin
当指向性系数为0时：
kRs sin 3.83,7.02,10.17... kRs sin 3.83 0 arcsin1.22 / Ds 70 / Ds ()
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。
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。 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。
水浸超声检测系统
三、最佳距离——指探头底端到工件表面的距离，用h表示：
h F 'L [r (r 2 D2 / 4)1/ 2 ]
确定最佳距离的原则是使一 次表面回波和缺陷回波清晰可辨 , 缺陷回波和二次表面回波不重叠 , 二次表面回波位于工件底面回波 之后 。
水浸聚焦探头示意图
T S1 B1 S2 F1
1.线聚焦水浸探头 2.被检工件 3.内部缺陷 4.（主动）工作滚轮 5.（被动）滚轮 6.水槽
这种方法的优点是：工件内声能量大,有利于提高探伤灵敏度和分 辨力。探伤波形稳定、清晰、再现性好；缺点是在工件表面存在左 右的盲区。
水浸超声检测方法
周向横波反射法
根据工件半径，调整工件轴心线与探头中心的距离（偏心距）如图 （左）所示，使超声波进入工件表面时纵波入射角大于第一临界角，这 样进入工件的超声波转换为单一的横波。由于声束是斜入射到工件中， 所以折射横波是在工件表面附近的一个环状区域内传播，从而实现对工 件表面及近表面的扫查。当遇到一定当量大小的缺陷时，在屏幕上相应 位置出现缺陷回波，报警时发生警报，波形如图（右）。
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 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。
（3）提供不需操作员控制的系统；
（4）在必须操作员控制的情况下提供操作人员控制 系统； （5）自动识别车轮尺寸的系统。
水浸超声检测方法
径向纵波反射法 工件在滚轮上以一定的速度匀速旋转,同时其上面的聚焦水浸探头沿 工件轴心线匀速移动。从而实现对工件内部除近表面以外的部分进行扫 查。当遇到一定当量的缺 陷时，在屏幕上相应位置就会出现一定幅度缺 陷回波,探伤仪上的警报器可发生警报。
F L 2l-6分贝 4 D
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。
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。 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）
(1) 仪器增益数测试方法。调节增益大小，使声程为30mm的 1m m 平底孔反射波高达到满屏的50%，记录此时的仪器增益数。 (2) 信噪比测量方法。调节增益大小，使声程为30ｍｍ的 1m m 平底孔反射波高达到满屏的50%,然后按照 2o lg( H信 / H噪 ) 式计算噪声 波与信号波的dB差，得到信噪比。 (3)灵敏度余量测试方法。调节增益大小，使声程为30mm的 1m m 平 底孔反射波高达到50%，记录此时增益数 n1 dB，如果不到20%，记录最 大值。然后增大增益直到噪声波高达到20%，记录此时增益数 n 2 dB. dB 差 n n1 n2 ，即为灵敏度余量。
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
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： （1）仅提供电子单元以融入到现有机械控制系统中； （2）提供电子单元和机械装置；
水浸超声探头
（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：
F
式中：
c1r nr c1 c2 n 1
n c1 / c2 n—透镜与耦合介质波速比，
在实际检测过程中，实际焦距 F'为：
F ' F L(c3 / c2 1)
式中： L—工件中焦点至工件表面的距离
水浸超声与接触式超声对比
三、试验结果 １）仪器增益数
采用聚焦水浸探头时，系统灵敏度有所提高.
水浸超声与接触式超声对比
２）信噪比
水浸超声与接触式超声对比
采用非聚焦探头时，虽然水浸法的信噪比低于接触法的 原因是水浸法系统灵敏度相对较低，但二者的差异要小于相 同探伤灵敏度下仪器增益数的差异，因为水浸法的噪声水平 要比接触法低17dB左右。