第三章 超声波检测技术

第三章超声波检测技术

1. 超声波检测原理简介

1.1原理：

利用超声波在缺陷界面的反射来进行对缺陷的定位、定量和定性。

1.2 超声波的产生和接受

产生：

逆压电效应：使用高频电压作用于压电晶片，使之产生高频的机械振动。

接受：

压电效应：将机械振动作用于压电晶片产生电荷，以电能的形式进入仪器。

探头（换能器）：

直探头

斜探头

双晶探头

聚焦探头

1.3 超声波的特征

1.3.1 频率高

f＞20KHz,检测使用范围为0.3MHz～10MHz,常用1～5MHz，可作为直线传播，可使用几何光学的理论，讨论反射、透射等实际问题。

1.3.2 波长短

如c=5900m/s，2.5MHz，λ=2.36mm。

属于毫米波，超声波传播距离长，探测厚度大，大大超过X-ray，穿透能力强。

1.3.3 具有波形转换的能力

可以使用纵波检测还可以使用于横波检测, 讨论波形的传播路径。

主要波形：

纵波（Longitudinal waves）

横波(Transverse waves or Shear waves)

1.3.4 检测灵敏度高

可检测的最小缺陷为波长的一半。

1.3.5 超声波声场的近场和指向性

近场：

声源轴线上的声压有若干极大值与极小值，最后一个声压极大值至声源的距离称为近场长度N，

N=R s2/λ=D s2/(4λ)=F s/(πλ)

指向性：

声束集中向一个方向辐射的性质，叫做声场的指向性。

定量描述：用θ0称，为半扩散角（或指向角），2θ0范围内的声束叫做主声束。

θ0=arcsin (1.22λ/R s)。

1.4 超声波检测方法

1.4.1 穿透法

一收一发探头，两平行面检测，会漏检（缺陷距底面距离大于声影长度）。

1.4.2 共振法

连续波，用于测厚。δ=nλ/2,n共振次数。c=fλ, δ=c(f n-f n-1)/2

探头晶片厚度的计算

压电晶片的振动频率f即探头的工作频率，它主要取决于晶片的厚度T和超声波在晶片材料中的声速。晶片的共振频率（即基频）是其厚度的函数；可以证明，晶片厚度T为其传播波长一半时即产生共振，此时，在晶片厚度方向的两个面得到最大振幅，晶片中心为共振的驻点。

通常把晶片材料的频率f和厚度T的乘积称为频率常数Nt，若:

T= λ/ 2 ,则：

Nt＝f ·T ＝C/2

式中：C为晶片材料中的纵波声速。

由式可知，频率越高, 晶片越薄，制作越困难，且Nt小的晶片材料不宜用于制作高频探头。

1.4.3 脉冲反射法（A型为主）

向工件中发射脉冲，脉冲遇到界面产生反射，根据反射信号来确定缺陷的存在，完成定位、定量和定性。

2 超声波检测通用技术

2.1 检测前的准备工作

标准的选择

仪器的选择

耦合剂的选择

探头的选择

探头种类，大小和频率

斜探头入射角、折射角和K值

探头的类型

常用的探头型式有纵波直探头、横波斜探头、表面波探头、双晶探头、聚焦探头等。一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件来选择探头的型式，使声束轴线尽量与缺陷垂直。

晶片尺寸

探头圆晶片尺寸一般为φ10～φ30mm，晶片大小对探伤也有一定的影响，选择晶片尺寸时要考虑以下因素。

（1）由θ0=arcsin(l.22λ/D)可知，晶片尺寸增加，半扩散角减少，波束指向性变好，超声波能量集中，对探伤有利。

（2）由N＝D2/(4λ)可知，晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利。

（3）晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头未扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。

探伤面积范围大的工件时，为了提高探伤效率宜选用大晶片探头。探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。探伤小型工件时，为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头。探伤表面不太平整，曲率较大的工件时，为了减少耦合损失宜选用小晶片探头。

频率大小

超声波探伤频率在0.5～1OMHz之间，选择范围大。一般选择频率时应考虑以下因素：

（1）由于波的绕射，使超声波探伤灵敏度约为λ/2，因此提高频率，有利于发现更小的缺陷。

（2）频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。

（3）由θ0=arcsin(l.22λ/D)可知，频率高，波长短，则半扩散角小，声束指问性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。

（4）由N=D2/(4λ)可知，频率高，波长短，近场区长度大，对探伤不利。

（5) 由αs= C2Fd2f4可知，频率增加，衰减急剧增加。

对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件等，一般选用较高的频率，常用2.5～5.0MHz，对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用0.5～2.5MHz。

如果频率过高，就会引起严重衰减，示波屏上出现林状回波，信噪比下降，甚至无法探伤。一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率。

探头K值

探头的K 值对探伤灵敏度、声束轴线的方向，一次波的声程（入射点至底面反射点的距离）有较大的影响。对于用有机玻璃斜探头探伤钢制工件，βs＝40°（K＝O.84）左右时，即探伤灵敏度最高。

K值大，β大，一次波的声程大，当工件厚度较小时，应选用较大的K值，以便增加一次波的声程，避免近场区探伤。当工件厚度较大时，应选用较小的K值，以减少声程过大引起的衰减。便于发现深度较大处的缺陷。

在焊缝探伤中，还要保证主声束能扫查整个焊缝截面。对于单面焊根部未焊透，还要考虑端角反射问题，应使K=O.7～1.5，因为K＜0.7或K＞1.5，端角反射率很低，容易引起漏检。

2.2 线性调节（扫描线调节）

2.2.1 概念

仪器示波屏上时基扫描线的水平刻度值τ与实际声程x（单程）的比例关系,即τ:x=1:n 称为扫描速度或时基扫描线比例。

如扫描速度1:2 表示仪器示波屏上水平刻度1小格表示实际声程

2mm。

如扫描速度2:1 表示仪器示波屏上水平刻度2小格表示实际声程

1mm。

2.2.2 纵波扫描速度的调节

纵波探伤一般按纵波声程来调节扫描速度。具体调节方法是：将纵波探头对准厚度适当的平底面或曲底面，使两次不同的底波分别对准相应的水平刻度值。

如探测厚度为100mm工件，扫描速度为1:4，现利用IIW试块调节。