第二部分、超声基础知识

第二部分、超声基础知识

一、基础物理

1、振动的描述

X=Acos(ωt+Ф)

A——接受声压的大小（垂直方向）

t——时间概念（水平方向）

2、超声波的本质

机械振动（高频振动）

次声波、声波、超声波的差异

3、超声波的产生

条件：振源、弹性介质

压电效应（晶片的作用）

脉冲波与连续波的差异

4、波的类型

纵波——振动与传播方向一致

常用材料C L: 钢-5900m/s、铝-6100m/s、有机玻璃-2700m/s-1485m/s 横波——振动方向与传播方向垂直

常用材料C s: 钢-3230m/s、铝-3080m/s、有机玻璃-1460m/s

表面波——走在固体表面的横波C R（C R/Cs=0.9板波——对称型、非对称型）5、波速、波长、频率

波速——由介质、波形决定（决定于材料的弹性系数）

波长——两个临近同相位之间的距离

频率——晶体振动的频率即超声波的频率（并非仪器扫描频率）

6、超声波的特性

束射——方向性（缺陷的尺寸、取向、性质会影响探伤的结果、无法探到缺陷的实际尺寸）传播——厚大工件的探伤（与射线比较）（传播受耦合层厚度影响、受被探件晶粒尺寸的影响——选择不同的频率、受异质界面声阻抗差异的影响——与大小无关）反射——A型脉冲反射法探伤的基础（A、B、C扫描的差异；反射法要使用脉冲波、在异质界面上反射的必然性）

波型转换——（折射、反射、第一临界角、第二临界角、第三临界角、实现不同的探伤方

法）

7超声共振现象

超声波在半波长整数倍工件中传播时，由于反射波的干扰，使超声波在某些波节点始终减弱，某些波幅点始终加强（实现共振测厚的基本原理）

8、声压、声阻抗

声阻抗——Z=ρC（声阻抗的大小与超声波的传播无关）

利用声阻抗计算声压反射系数、透射系数、往复透过率

声压——P=ρCV（决定超声检测的定量因素）

9、超声场

近场——干涉所致、N=D2/4λ

不扩散区——L=1.67N

盲区——探头振动恢复时间（盲区≠近场）

超声声压公式：P=2P0sin{?/λ(D2/4)1/2+X2-X}

可实现探伤计算的要求——X≥3N（P=P。?D2/4λX）

根据波高进行声压计算ΔdB=20logP1/P2=20Logh1/h2

材料衰减系数计算：a=[(B1/B2)-6]/T

大平底换算公式：

XB=Xf ΔdB=20log(?Φ2)/2λX

XB ≠Xf ΔdB=20log[(?Φ2)/2λX f ]X b /X f

已知一缺陷求另一缺陷之间的波高（缺陷当量）差异：

ΔdB=20log[(Φ12)/( Φ22)]/[(X f12)/( X f22)]

=40Log[Ф1/Ф2]/[X1/X2]

根据两缺陷之间的波高差异求得另一缺陷当量尺寸：

Φf=[Φ基Xf/X b ]10?dB/40

扩散角：?=sin -1K1.22λ/D

零扩散角?0：

圆形晶片?0=70λ/D

正方形晶片?0=57λ/D

长方形晶片?01=57λ/a

?02=57λ/b

10、 超声波的入射行为

直射——反射、穿透（入射），要求耦合Z 2=（Z 1·Z 3）r p =0达到全入射（d =n λ/2） 对钢板分层类缺陷易漏检（要改变探头频率）

侧壁干扰反射——窄长工件

ΔX=2nd [2)(Cs

Cl -1]1/2

斜入射——折射、反射（临界角）

C1/sinθ1=C2/sinθ2

凹凸面入射——聚焦、散射（焦距F=R【C1/(C1-C2)】

11、超声波探伤仪

基本功能——发射、接收电信号

脉冲重复频率——扫描频率（影响波型显示亮度）

基本参数：仪器垂直线性指标——定量

仪器水平线性指标——定位

动态范围——100%~1%波高调节时反射回波的容纳量

灵敏度余量——在参考反射体得到回波后所剩增益量

灵敏度——发现小缺陷的能力

分辨力——直探头、斜探头

波型识别：

干扰波——外来、内部

迟到波——窄长工件（纵——横）

变形波——焊缝根部（横——纵）

缺陷波——根据仪器上出现的位置判别（中间、后面、无）

探头杂波——固定出现（吸收效果不好）

耦合剂层反射波——探头角度、涂刷厚度

草状波——晶粒、频率

12、探头

探头功能：接收、发射机械振动

探头的基本组成：晶片、吸收块、匹配线圈、外壳、连接线

探头形式：单、双、水浸

双晶直探头的参数：直径、频率、焦距

水浸探头的参数：曲率半径、焦距、频率（较高）

选择探头的原则：依据工件厚度与检测灵敏度要求

合理运用保护层、斜锲

13、试块

试块的功能：调节探头及仪器、调整探伤基准

试块的类型：标准试块（校准）、参考试块（比对）

要求了解：IIW 试块的作用、IIW2试块的调节方法、半圆试块的调节方法

二、超声探伤中的一些基本计算

1、波长、波速、频率 λ=C/f

2、声压反射、透射 、往复透射

Rp=Z 2-Z 1/Z 1+Z 2

Tp=2Z 2/Z 1+Z 2 T=4Z 1Z 2/（Z 1+Z 2）2

3、折射公式：C 1/sin θ1=C 2/sin θ2

用于计算入射角、折射角、波型的存在与否

4、迟到波的计算ΔX=2nd [2)(Cs

Cl -1]1/2

ΔX 钢=0.76nd

ΔX 铝=0.88nd

5、焦距的计算 F=R[C1/(C1-C2)]

6、钢板检测水层距离的计算L ≥nT/4

7、管子水浸探伤计算：偏心距?X=(0.251R+0.458r)/2

水层距离l=F-(R2-X2)1/2

8、焊缝探伤缺陷定位计算：深度H=Wcosθ=2T-h

水平L=Wsinθ

9、铸、锻件的衰减系数计算：a=[(B1/B2)-6]/T

10、锻件（铸件）的灵敏度计算：

同声程大平底：ΔdB=20log(3.14Φ2)/2λX

不同声程大平底：ΔdB=20log[(3.14Φ2)/2λX f]X b/X f

曲面状大平底：ΔdB=20log[(3.14Φ2)/2λX](r/R)1/2

ΔdB=20log[(3.14Φ2)/2λX](R/r)1/2

11、锻件（铸件）缺陷当量计算：Φf=[Φ基Xf/X b]10?dB/40

三、根据探伤波型对缺陷进行分析

1、焊接缺陷

a)、气孔——波型单峰、较稳定、各方探测波高大致相同，一般当量小于同声

程Φ2

b)、夹渣——波峰毛粗、主峰边有小峰、探头移动波幅变化明显、一般当量小

于同声程Φ2

c)、未焊透——有一定长度，一般产生于起弧息弧处，从焊缝两侧探大致当量

相当，一般当量大于同声程Φ2

d)、裂纹——当探测方向好时，反射率极高，探头摆动时多波峰交替出现，缺

陷当量大于同声程Φ2

2、钢板缺陷

以面积性缺陷为主、主要有氧化皮、渣类在轧制过程中产生，如是分散性细小

的缺陷往往缺陷波和底波能同时看见，缺陷波当量较小。如是较大缺陷往往只

有缺陷波反射，无底波。特别是如大面积分层发生在底部往往容易与底波混淆

造成缺陷漏检

3、铸造缺陷

a)、气孔——有大、有小。对单个大气孔反射波较高当量较大、对密集气孔

群往往反射波较低且有密集多峰现象，这类缺陷出现在近表面较多。

b)、夹渣——波峰毛粗、波幅有高有低，取决于加渣的大小，大多出现在浇冒

口附近，对于浇注工艺不合理的铸件也有可能随机出现。

c)、疏松——疏松取决于其严重的程度，轻微的可能看不到缺陷波，有底波但

该处底波比完好部位底、中度的看不到缺陷波也看不到底波、严重的看不到

底波但有明显的缺陷波反射。

d)、裂纹——当探测方向与裂纹表面垂直时有尖锐的较高反射波，但与表面垂

直的裂纹往往要借助于斜探头才能检测到。

内冷铁未融合——有很高的反射波，波峰光滑，且探头移动时波幅基本不变，

缺陷反射在同一深度，要仔细查看铸造工艺，不要与裂纹混淆。

4、锻造缺陷

缩孔——出现在轴类锻件的端头部位，反射当量较大，有极高的反射波，且在

中心处。

裂纹——反射波极高，可在锻件任何部位出现，从不同方向探测波高不一致。

夹渣——根据不同的性质可以有较大的当量也有较小的当量，取决于其形状和检

测方向。

粗晶——底波衰减或有当量较大的缺陷回波，分布在轴类中心较多。

5、管子缺陷

裂纹——较容易发现，反射波远高于基准反射体，波峰尖锐。

原材料夹杂或表面折叠——由于加工及缺陷取向问题，不一定都能检测出来

（GB/T5777标准中已作了叙述）。

划伤——深度较大时能发现且波幅较高但比较光滑。

四、探伤仪器、探头、试块

1、仪器：

（1）、基本功能——发射、接收电信号

（2）、基本构成——同步电路（指挥中心）、发射电路（振动晶片）、时基电路

（调整比例、距离）、接收放大电路（对数放大）（3）、仪器的显示方式：对数线性（尽量使用上端观察波形变化情况）

（4）、主要技术指标

垂直线性——5%（定量—方向、尺寸、性质）

测试方法：理论与实际比较、找出正负最大误差相加。

水平线性——1%（定位——声速）

测试方法：用工件多次底波对准第一和第五波看中间最大误差除以测试距

离。

噪声——（80%以上增益看噪声波高）

动态范围——100%波高降到1%时的反射回波的容纳量

灵敏度余量——仪器达到某一灵敏度波高后的增益余量

分辨率——声程分辨率

测试方法：直探头——85、91、100

斜探头——Ф40、Ф44、Ф50

2、探头：

（1）、基本功能——发射、接收机械波

（2）、基本构造——晶片、吸收块、匹配线圈、外壳、连接线

晶片参数（Nt=ft=C/2）、吸收块（性能与盲区）（3）、基本类型

直探头（单、双）

斜探头（单、双）——入射角、折射角、临界角

水浸探头（点、线）——曲率半径、焦距、聚焦的条件（C1>C2）（4）、探头的选用

灵敏度——频率（厚度）

距离——晶片尺寸（大小、频率高低）

工件形状——探头形式（直、斜、聚焦、角度）

耦合状态——表面粗燥度、形状、检测方式

试块：

（1）、试块的类型——标准（校准）、参考（比对）

（2）、试块的作用——校准仪器、测试探头；提供探伤参照（比对）基准（3）、常用试块的类型、尺寸、调试方法

CSK-IA、IIW2、半圆；

试快尺寸

使用方法

各部位功能

CSK-IIA、CSK-IIIA、CSK-ⅣA系列（压力容器）NB/T47013、

RB系列（国标钢结构）GB/T11345标准、

CS1、CS2（锻件探伤）GB/T6402

RBJ-1（球节点）JG/T203-2007

STB-1（日本）建筑钢结构标准和JISZ3060标准

第二部分思考题

1、什么是超声波，它是如何产生的？

2、为什么要用超声波来替代声波探伤，其意义何在？

3、超声波有哪些特性请举例说明？

4、当探伤时我们改变了超声仪的扫描频率，会否引起探伤灵敏度的改变，为什么？

5、什么是盲区、什么是近场，它们之间的区别在哪里？

6、超声零扩散角的公式如何表达？

7、在什么条件下超声波声压会单调衰减，声压可以实现计算法计算？

8、请举例说明超声波在怎样的物质中容易传播？

9、超声波的传播需要哪些必备的条件？

10、超声共振产生的条件是什么，我们可以利用共振原理做什么工作？

11、超声在斜入射时会产生什么现象？

12、什么叫临界角，请分别说明第1、第2、第3临界角？

13、超声波探伤用探头的工作原理是什么？

14、探头的压电常数如何表达、从压电常数你能理解出什么技术指标的含义？

15、当超声波从第一介质（声阻抗Z1=3.25X106Kg/m2）传播到第二介质（声阻抗

Z2=4.25X106Kg/m2）时，其在两种物质角接面上的声压反射系数为多少？

声压透过系数为多少、声压往复透射率为多少？

16、超声探伤仪在探伤中起什么作用？

17、超声波探伤仪对探伤起主要作用的两项重要指标是什么？

18、当采用纵波检测时，工件中如存在缺陷仪器上应有什么显示？

19、超声波探伤用试块有什么作用，试块分为哪几种类型？

20、一般焊缝探伤用的试块上的人工反射题有哪几种类型、请分别说明对应的检测对象？

21、直探头的分辨率在什么地方测试、斜探头的分辨率在何处测试？

22、当用牛角试块（IIW2）调节仪器线性比例时，如按声程1:1调整，当斜探头对准R25圆弧

面

第一个波调到25mm处，那么在仪器上出现的第二个回波应显示在何处？

23、为什么我们要用CSK-IA试块的两个圆弧面（R50\R100）来调节斜探头的声程？

24、焊缝中可能存在哪些缺陷请举例说明？

25、锻件中可能存在哪些缺陷请举例说明？

26、铸件中可能存在哪些缺陷请举例说明？

27、管件中可能存在哪些缺陷请举例说明？

28、为什么在焊缝探伤中把气孔、夹渣定义为非危害性缺陷，请举例说明原因？

29、什么是仪器和探头组合后的探伤灵敏度？它与哪些指标息息相关？

30、迟到波产生的原因是什么？