超声波检测的基本方法 a

超声波检测的基本方法利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以应用于无损地测知物体的几何尺寸、表面与内部缺陷、显微组织的变化等多种应用。在工业超声波检测中，主要利用纵波、横波、瑞利波、兰姆波、爬波以及新型的导波等各种不同波型的超声波，例如利用纵波检测锻铸件及型材、复合板材的内部缺陷，利用横波检测焊缝、管材以及在工件内倾斜取向的缺陷，利用瑞利波检测工件的表面缺陷，利用兰姆波检测薄金属板材、细棒和薄壁管，利用爬波检测工件表面下的近表层缺陷，利用导波进行长距离管线检测等等。因此，超声波检测的适用范围非常广泛，包括了金属、非金属，锻件、铸件、焊接件、型材、胶接结构与复合材料、紧固件等等。超声波检测的优点是穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，能即时知道检测结果（实时检测），能实现自动化检测和实现永久性记录，在缺陷检测中对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感等等。超声波检测的缺点是通常需要耦合介质使声能透入被检物，需要有参考评定标准，特别是显示的检测结果不够直观，因而对操作人员的技术水平有较高要求等等，此外，对于小而薄或者形状较复杂，以及粗晶材料等的工件检测还存在一定困难。此外，根据超声检测的结果判断缺陷的性质（定性）问题尚未很好解决，目前还主要是依靠检测人员的实践经验、技术水平以及对被检工件的材料特性、加工工艺特点、使用状况等的了解来进行综合的主观判断。工业超声波检测方法的一般原理与分类一.根据采用超声波的种类分类（一）脉冲波法：超声波探头激发的是脉冲超声波，这是具有一定持续时间、按一定重复频率间歇发射的超声波，通常具有较大的频带宽度。（1）脉冲波反射法：在超声波检测时，向被检对象发射脉冲超声波，利用超声波的反射特性，根据有无缺陷回波或工件底面反射回波、回波幅度的大小、回波信号数量、回波在示波屏时基线上的位置以及回波包络形状变化等对被检对象的质量情况进行评价。超声波脉冲反射法是目前应用最广泛的超声波检测方法，包括一次脉冲反射法和多次脉冲反射法，前者利用一次回波脉冲，后者则利用超声波脉冲波在工件中多次反射形成的多次回波脉冲来进行评价。（2）脉冲波穿透法：在超声波检测时，由一个探头向被检对象发射脉冲超声波，用另一个探头在适当位置接收穿越材料的超声波，根据接收的超声信号强弱来评价被检对象有无缺陷及缺陷严重程度等情况。在利用脉冲波穿透法时，甚至可以将仪器简化成电表指示（或者更简单的是声音-声调变化指示）而省掉示波管显示系统。（二）连续波法：超声波探头激发的是连续地、不停歇振动的超声波，通常具有单一的频率。（1）谐振法：利用超声波的谐振特性以及在工件中形成驻波的条件，可以用来测定被检工件的厚度，检查胶接结构与复合材料以及薄板电阻点焊或滚焊等的接合质量情况。在超声波检测时，可以通过连续改变超声波的振荡频率来寻找共振点，以示波器、电流计或甚至是蜂鸣器的最大响应来显示。必须注意：对于不均匀腐蚀、表面严重凹凸不平，以及形状复杂的工件是不适宜采用谐振法检测的。（2）穿透法：连续波穿透法与脉冲波穿透法相似，通过观察穿越工件材料后的超声波能量（波幅）的变化来进行检测评价。二.根据所利用的超声波波型分类目前工业超声波检测常用的超声波波型有：纵波、横波、瑞利波（表面波）、兰姆波（板波）以及爬波（表面下纵波），还有最新发展的导波以及相控阵所激发出来的复合波型。应用不同超声波波型进行检测时，各自有不同的适用范围与检测工艺。三.根据超声波进入被检工件的方式分类（一）接触法：超声波探头通过薄层的液体或流体耦合介质直接与被检工件的探测面接触。（二）液浸法：主要是指采用水作为耦合介质，俗称为水浸法，超声波探头发出的超声波经过一定厚度的水层再进入被检工件，超声波探头不与被检工件接触。在水浸法中，按照作为耦合介质的水的施加方式，还分为全浸没法（被检工件与超声波探头都完全浸没在水中）、局部水浸法（仅是被检工件上需要检测的部位局部浸没在水中，通常超声波探头是全浸没或半浸入水中）、溢水法（被检工件上的检测面与超声探头之间通过溢水耦合）、喷水柱法（被检工件上的检测面与超声波探头之间通过喷流水柱耦合）、水层或水间隙法（超声波探头与被检工件的检测面之间通过薄层水耦合）等等。接触法和水浸法是超声波检测中最主要应用的两种耦合方式，此外还有地毯法、滚轮法等多种特殊的耦合方式。（三）空气耦合法：目前主要应用于飞机复合材料的低频超声检测。四.根据所用超声探头的形式种类分类主要分为：单直平探头法（含接触法与液浸法）、单斜探头法（接触法用，包括横波、瑞利波、兰姆波、爬波探头）、单直聚焦探头法（含接触法与液浸法，点聚焦与线聚焦）、单斜聚焦探头法（接触法用）、组合双晶探头法（含组合双晶直探头与组合双晶斜探头）、双斜探头法、小角度单斜探头法以及众多的专用探头检测方法（例如铁轨专用探头、小径管焊缝探伤专用探头，以及导波探头、相控阵探头）等等。五.根据超声波进入被检工件时声束轴线与入射面的角度关系分类：垂直入射（声束轴线与探测面垂直）和倾斜入射（声束轴线与探测面法线有一定交角，可以对被检工件进行倾斜入射纵波检测、横波检测、瑞利波检测、兰姆波检测、爬波检测…等等）。六.根据超声波检测系统发射与接收信号的通道数量分类最常见的是单通道法，还有用于自动化与半自动化检测的多通道法（可达到2通道、4通道、8通道、10通道甚至上百通道）。纵波检测的基本问题纵波（Longgitudinal Wave）是超声波检测技术中应用最广泛的波型，其特点是利用压电换能器的厚度振动模式直接激发，根据纵波传播方向与工件入射界面法线夹角的关系，可以分为垂直入射纵波法（简称垂直法）和小角度入射纵波法以及特殊检测中应用的纵波斜入射法（例如用于奥氏体不锈钢焊缝的检测）。纵波法检测中涉及的许多具体工艺操作方面的问题也是其他超声波波型检测方法的基础。垂直入射纵波法：纵波的传播方向与工件入射界面垂直（与工件入射界面法线夹角为零）时，超声波穿越界面后将仍与界面垂直地向前传播，没有折射现象发生，这是最简单也是最广泛应用的方法。当超声波在被检工件内遇到异质界面时，由于声阻抗不同，将有超声波的反射，亦即有反射回波产生，超声波的反射状态与垂直入射条件下的声压反射率、声压透过率或往复透过率等相关。垂直入射纵波法检测条件的确定因素主要有以下几个方面：（一）工作频率的选择在选择检测工作频率时，主要考虑以下几个方面：1.缺陷检出能力（检测灵敏度）的要求按照连续波理论，一般认为能对超声波产生有效反射的缺陷面线度（垂直于声束方向的延伸长度）应大于等于超声波长的二分之一（此时衍射现象对反射能量的干扰尚不致对检测产生明显影响），而沿声束方向的缺陷厚度应大于等于缺陷（内含物）中超声波长的四分之一（根据多层介质透射特性规律）。在实际应用中采用的是脉冲波，具有一定的频带宽度，因此实际上能检出更小更薄的缺陷。不过，在一定的频带宽度范围内，各频率分量的能量不同，因此在确定工作频率时，通常以能量最大的中心频率来考虑，但要注意由于制造工艺上的因素，超声探头的名义中心频率往往存在一定的误差，应以实际中心频率来考虑（如通过对超声波探头的回波频率测定来确定，探头制造厂的探头出厂指标中也应该给出其中心频率误差）。此外，超声波仪器与探头的组合性能（如分辨率、电噪声等）、缺陷与基体（工件）材料的声阻抗差异、缺陷自身的形状与取向，以及缺陷本身的表面粗糙度等等多种因素也会对实际反射回波的频率（频谱）存在影响，应当予以综合考虑。就一般而言，频率高时检测灵敏度高，容易检出较小的缺陷。例1：已知某钢制工件中的纵波声速为4000m/s，采用纵波垂直入射法检测，要求检出直径2mm平底孔面积（孔底面与声束轴线垂直）大小的缺陷（不考虑缺陷厚度），此时应考虑采用何种工作频率为宜？解：根据已知条件有：缺陷面线度d=2mm，d≥λ/2；CL=4000m/s，根据选

择原则可求出λ≤4mm的频率应能满足要求，亦即f=CL/λ=(4000x103mm/s)/4mm=1MHz，这只是意味着最低频率要求。目前商品化超声探头的名义中心频率常见系列为0.5、1、1.25*、2、2.5*、4、5*、6、10*、15和25MHz（带*号的是国产超声波探头名义中心频率系列），因此可以选择1.25或2.5MHz，为了考虑留有一定的灵敏度余地，确定选用2.5MHz。例2：铝合金锻件中有一种重要的常见缺陷是氧化膜夹杂，其成分为三氧化二铝，特点是面积较大而厚度很薄，现若要求发现厚度在0.2mm左右的氧化膜夹杂，并已知三氧化二铝中的纵波声速约为10000m/s，应考虑采用何种工作频率为宜？解：根据缺陷沿声束轴线方向的厚度t=0.2mm和t≥λ/4,CL=10000m/s，根

据选择原则可求出λ≤0.8mm时的频率应能满足要求，亦即：f≥CL/λ=(10000x103mm/s)/0.8mm=12.5MHz，则应选用15MHz的中心频率为宜。在实际的工业超声波检测中，一般使用5~15MHz的中心频率，这是考虑到了脉冲超声波的频带宽度与超声波探头的可应用性。在实际应用中，如果不知道缺陷中的声速时，也可以近似地按工件中的声速来考虑。2.衰减因素的考虑在检测大型工件时，要考虑到超声波的传播距离长，以及材料晶粒粗大、工件表面粗糙等因素都会对超声波能量有较大的衰减并降低信噪比。频率越高，衰减越大（后面将要述及关于材质衰减问题），信噪比越低。在这种情况下，宜考虑选用较低的检测频率。相反，如果工件厚度不大、材料晶粒较细、工件表面光洁度较好，对超声波能量衰减不大，则可以选择较高的检测频率，以保证有较高的缺陷检出能力，亦即有较高的检测灵敏度。3.指向性方面的考虑超声波探头激发的超声场，其指向性（集束性）角度与材料中的超声波长成正比，与压电晶片直径成反比，指向角（扩散角）越大，指向性越差，对缺陷的准确定位是不利的。在一般情况下，波长λ，圆形晶片（直径D）的0dB半扩散角θ0=arcsin(1.22λ/D)

或近似为θ0=70(λ/D)，其负3dB半扩散角θ-3dB=29(λ/D)，负6dB半扩散角

θ-3dB=arcsin(0.51λ/D)；对于边长a的方形晶片，则有θ0=57(λ/a)，负3dB半扩散角θ-3dB=25(λ/D)。

在晶片尺寸一定时，选用较高的检测频率可因波长较短而获得较好的指向性（半扩散角小），从而提高检测时对缺陷的定位准确性。不过，在某些特殊情况下，有时也考虑选用小晶片、低频率的探头，利用其声束扩散特性探测倾斜取向的缺陷。4.分辨率方面的考虑低频脉冲波的频带范围较小，而且受阻尼衰减影响小，故其脉冲宽度（脉冲持续时间）较宽，会影响检测分辨率。相反，高频脉冲波的频带范围大，受阻尼衰减影响大，其脉冲宽度较窄，因而有较高的检测分辨率。5.近场长度的考虑根据连续波理论，近场长度N=(D2-λ2)/4λ，λ为传声介质中的超声波长，D为