4第四章超声波检测技术教程

机械工程学院 机械装备及控制系
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超声波换能器
超声波换能器又称为超声波探头，是完成超声波发射 和接收的关键器件。
所谓换能器就是能进行能量转换的器件。超声波换能 器可以将其他形式的能量转换成高频声能(发射换能 器)，并且也能够把超声能量转换成其他易于检测的能 量(接收换能器)：在超声检测中往往用一个超声换能 器，既作发射换能器，又作接收换能器。
斜楔
压电晶片 阻尼块
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探头的种类和结构
3) 双晶探头（分割探头）
双晶探头有两块压电晶片，一块用于 发射声波，一块用于接收声波。根据 入射角不同分为纵波双晶探头和横波 双晶探头。 优点： （1）灵敏度高 （2）杂波少盲区小 （3）工件中近场区小 （4）探测范围可调
双晶探头主要用于检测近表面缺陷。 根椐工件因选择合适的工作频率、晶 片尺寸和探测深度。
对称型(S波，扩展波)兰姆波的特点是 薄板中心质点作纵向振动，上下表面 质点作椭圆运动、振动相位相反并对 称于中心。 非对称型(A型，弯曲波)兰姆波特点是 薄板中心质点作横向振动，上下表面 质点作椭圆运动、相位相同，不对 称。
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超声波的性质
超声波百度文库反射、折射及波型转换
阻尼块
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探头的种类和结构
４) 可变角探头
可变角探头入射角可变，转动压电晶片可使入射角连续变化， 从而实现纵波、横波、表面波和板波探伤。
角度标尺
外壳
接口
旋转杆 保护膜
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压电晶片 耦合剂
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标准试块
1.确定检测灵敏度 2.测试仪器和探头的性能 3.调整扫描速度 4.评判缺陷的大小 此外，还可利用试块来测 量材料的声速、衰减性能 等。
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脉冲超声波产生
当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时，由于逆压电效应， 晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。振荡频率与晶片的厚度 和声速有关，适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹 性波，即超声波。此种方式发射出的是一个超声波波包，通常 称为脉冲波。 目前常用超声波检测技术多数常用脉冲超声波检测。
铜
5900 1400 2720 6260 4700
3230 ----1460 3080 2260
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超声波的波型与适用性
超声波的波型有：纵波、横波、 表面波和兰姆波
纵波（L） 质点的振动方向与波的传播方向相 平行 。纵波在固、液、气三种介质 中均能传播。
横波（S） 质点的振动方向与传播方向相垂
a) 入射纵波反射、折射波型转换：
纵波倾斜入射到不同介质的表面时，会产 生反射纵波、反射横波，折射纵波、折射 横波，反射、折射角度符合一般的反射折 射定律。
b) 第一临界角
当在第二介质中的折射纵波角等于90度 时，称这时的纵波入射角为第一临界角。 在第二介质中已没有纵波，只有横波。
c) 第二临界角
当纵波入射角继续增大时，在第二介质 中的横波折射角也增大，当达到90度时， 第二介质中没有超声波，超声波都在表 面，为表面波。
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超声检测工作原理
超声波入射到被检物中，如遇到缺陷（界面）则一部分入射 超声波被反射，并利用探头接收反射信号检出缺陷大小（尺 寸）和位置。
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探头的种类和结构
1) 直探头（纵波探头）
直探头用于发射和接收纵波 故又称纵波探头。主要用于探 测与探测面平行的缺陷。如板 材锻件探伤等。
常应用于：
工业：探伤、距离和厚度测量、流量和密度测量、超声清洗、 超声焊接等；
医疗：超声诊断；
海洋：鱼群探测、深度探测、水中摄影等
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超声波的特点
a) 有良好的指向性 b) 能量高 c) 具有光的特性 d) 穿透能力强、衰减小
纵波声速 横波声速 材料 米每秒 米每秒
钢 水 有机 玻璃 铝
IIW2试块也是国际焊接学会标 准试块，由于外形像牛角，故 俗称牛角试块。与IIW试块相比 IIW2试块体积小重量轻，形状 简单，易加工，便携带，但功 能较IIW试块要少。
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接口 外壳 隔声层 电缆线 阻尼块 压电晶 片延时块 探伤区
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探头的种类和结构
4）聚焦探头
聚焦探头分为点聚焦和线聚焦。点聚焦理想焦点为一点，其 声透镜为球面；线聚焦理想焦点为一条线，其声透镜为柱面。
吸声材料 斜楔
外壳
电缆线 接口
压电晶片
聚焦区
探伤区 声透镜
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超声检测技术
超声波是频率高于20千赫的机械波。有声速、频率、波长、 声压、声强等参数。在界面也会发生反射 、折射。
在超声探伤中常用的频率为0.5～20兆赫。其中金属探伤最常 用的频率是：1～5MHz；探水泥构建用的频率是：< 0.5MHz,如 100KHz,200KHz; 探测玻璃陶瓷中μm级小缺陷用的频率是 100MHz～200MHz,甚至更高。
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接口 外壳 电缆线 阻尼块 压电晶片 保护膜
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探头的种类和结构
2) 斜探头
吸声材料 外壳 电缆线 接口
斜探头可分为纵波斜探头（aL<a1）, 横波斜探头（aL=a1~aII）和表面波 探头(aL≧aII) 横波斜探头是利用横波探伤，主要 是用于检测与探测面垂直或成一定 角度的缺陷，如焊接汽轮机叶轮 等。 表面波探头当入射角大于第二临界 角在工件中产生表面波，主要检测 工件表面缺陷
常用：压电换能器和磁致伸缩换能器
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压电换能器——压电效应
（1）逆压电效应：将具有逆压电效应的介质置于电场内，由 于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置受化，这种位 置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正 比，这一现象称为逆压电效应。
（2）正压电效应：当对某电介质施加应力时，产生的变形将 引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质 两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成 正比，这种效应称为正压电效应。
直 ，质点受到的是交变剪切应力的作 用，故亦称切变波。液体和气体不能够 承受剪切应力，故无横波传播。
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超声波的波型与适用性
表面波：在物体表面传播的如海浪
兰姆波：因物体两平行表面所限而 形成的纵波与横波组合的波，它在 整个物体内传播，质点作椭圆轨迹 运动 。板材中传播。