1、超聲波檢測技術第1頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2. 超聲波的特點超聲波波長很短，這決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應用于無損檢測。1) 方向性好 超聲波具有像光波一樣定向束射的特性。 2）穿透能力強 對于大多數介質而言，它具有較強的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達數米。 3）能量高 超聲檢測的工作頻率遠高于聲波的頻率，超聲波的能量遠大于聲波的能量。 4）遇有界面時，將產生反射、折射和波型的轉換。利用超聲波在介質中傳播時這些物理現象，經過巧妙的設計，使超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。 第2頁，共95頁，2022年，5月20日，10點

2、15分，星期三3. 超聲波的分類超聲波的分類方法很多，如圖6.1所示。主要有：按介質質點的振動方向與波的傳播方向之間的關系分類，即按波型分類；按波振面的形狀分類，即按波形分；按振動的持續時間分類等。其中，按波型是研究超聲波在介質中傳播規律的重要理論依據，將著重討論。 第3頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖 6-1 超聲波的分類第4頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三1） 超聲波的波型超聲波的波型指的是介質質點的振動方向與波的傳播方向的關系。按波型可分為縱波、橫波、表面波和板波等。 （1） 縱波。介質中質點的振動方向與波的傳播方向相同的波叫縱波，用

3、L表示(見圖6-2)。介質質點在交變拉壓應力的作用下，質點之間產生相應的伸縮變形，從而形成了縱波?？v波傳播時，介質的質點疏密相間，所以縱波有時又稱為壓縮波或疏密波。 第5頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-2 縱波 第6頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三（2） 橫波。介質中質點的振動方向垂直于波的傳播方向的波叫橫波，用S或T表示(見圖6-3)。橫波的形成是由于介質質點受到交變切應力作用時， 產生了切變形變，所以橫波又叫做切變波。液體和氣體介質不能承受切應力，只有固體介質能夠承受切應力，因而橫波只能在固體介質中傳播，不能在液體和氣體介質中傳播。

4、 （3） 表面波（瑞利波）。當超聲波在固體介質中傳播時， 對于有限介質而言，有一種沿介質表面傳播的波即表面波(見圖6-4)。瑞利首先對這種波給予了理論上的說明，因此表面波又稱為瑞利波， 常用R表示。 第7頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-3 橫波 第8頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-4 表面波 第9頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三（4） 板波（蘭姆波）。在板厚和波長相當的彈性薄板中傳播的超聲波叫板波(或蘭姆波)。板波傳播時聲場遍及整個板的厚度。 薄板兩表面質點的振動為縱波和橫波的組合， 質點振動的軌跡為一橢

5、圓，在薄板的中間也有超聲波傳播(見圖6-5)。板波按其傳播方式又可分為對稱型（S型）和非對稱型（A型）兩種，這是由質點相對于板的中間層作對稱型還是非對稱型運動來決定的。 第10頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-5 板波(a) 對稱型； (b) 非對稱型 第11頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2) 超聲波的波形超聲波由聲源向周圍傳播的過程可用波陣面進行描述。 如圖6-6所示，在無限大且各向同性的介質中，振動向各方向傳播， 用波線表示傳播的方向；將同一時刻介質中振動相位相同的所有質點所連成的面稱為波陣面；某一時刻振動傳播到達的距聲源最遠的各點

6、所連成的面稱為波前。在各向同性介質中波線垂直于波陣面。在任何時刻，波前總是距聲源最遠的一個波陣面。 波前只有一個，而波陣面可以有任意多個。 第12頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-6 波線、 波前與波陣面(a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波 第13頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三根據波陣面的形狀(波形)，可將超聲波分為平面波、柱面波和球面波等。 平面波即波陣面為平面的波，而柱面波的波陣面為同軸圓柱面，球面波的波陣面為同心球面，如圖6-6所示。當聲源是一個點時，在各向同性介質中的波陣面為以聲源為中心的球面。 可以證明，球面波中

7、質點的振動幅度與距聲源的距離成反比。 當聲源的尺寸遠小于測量點距聲源的距離時，可以把超聲波看成是球面波。 球面波的波動方程為 （6-2） 第14頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三3）連續波與脈沖波 連續波是介質中各質點振動時間為無窮時的波。脈沖波是質點振動時間很短的波，超聲檢測中最常用的是脈沖波。對脈沖波進行頻譜分析，可知它并非單一頻率，而是包括多種頻率成分。其中人們關心的頻譜特征量主要有峰值頻率、頻帶寬度和中心頻率。 第15頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三6.1.2 超聲場及介質的聲參量簡介1.超聲場的物理量1) 聲壓當介質中有超聲波傳播時，

8、由于介質質點振動，使介質中壓強交替變化。超聲場中某一點在某一瞬時所具有的壓強P1與沒有超聲波存在時同一點的靜態壓強P0之差稱為該點的聲壓，用P表示,即 (6-3) 第16頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三對于平面余弦波， 可以證明： （6-4） 式中：為介質的密度;c為介質中的聲速；為介質質點的振幅；V為介質質點振動的角頻率； 為質點振動速度的幅值；t為時間；x為質點距聲源的距離； 為聲壓幅值。由上式可知：超聲場中某一點的聲壓幅值Pm與角頻率成正比，也就與頻率成正比。由于超聲波的頻率很高，遠大于聲波的頻率，故超聲波的聲壓一般也遠大于聲波的聲壓。 第17頁，共95頁，20

9、22年，5月20日，10點15分，星期三 2） 聲阻抗 介質中某一點的聲壓幅值Pm與該處質點振動速度幅值Vm之比，稱為聲阻抗，常用Z表示。在同一聲壓下，聲阻抗Z愈大，質點的振動速度就愈小。聲阻抗表示超聲場中介質對質點振動的阻礙作用。 由式(6-4)得 （6-5） 第18頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三3） 聲強單位時間內垂直通過單位面積的聲能，稱為聲強，用I表示。 對于平面縱波，其聲強I為 （6-6） 由式(6-6)可知，超聲場中，聲強與角頻率平方成正比。由于超聲波的頻率很高，故超聲波的聲強很大，這是超聲波能用于探傷的重要依據。 第19頁，共95頁，2022年，5月2

10、0日，10點15分，星期三4） 分貝的概念實際探傷中，將聲強I1與I2之比取對數的10倍得到二者相差的數量級，這時單位為分貝，用dB表示，即 （6-7） 根據式（6-6），有 （6-8） 式中： Pm1、 Pm2分別為聲強I1、 I2對應的聲壓幅值。 第20頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三對于線性良好的超聲波探傷儀，示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩波高H1、H2之比等于相應的聲壓Pm1、Pm2之比， 即 （6-9） 第21頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2. 介質的聲參量1） 聲速聲速表示聲波在介質中傳播的速度，它與超聲波的波型有關，但更依

11、賴于傳聲介質自身的特性。因此，聲速又是一個表征介質聲學特性的參量。了解受檢材料的聲速，對于缺陷的定位和定量分析都有重要的意義。 聲速又可分為相速度和群速度。相速度是指聲波傳播到介質的某一選定相位點時在傳播方向上的聲速。群速度是指傳播聲波的包絡上具有某種特征（如幅值最大）的點上沿傳播方向上的聲速。 群速度是波群的能量傳播速度。 第22頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三（1）縱波、橫波和表面波的聲速?？v波、橫波和表面波的聲速主要是由介質的彈性性質、密度和泊松比決定的，而與頻率無關，即它們各自的相速度和群速度相同，因此一般說到它們的聲速都是指相速度。不同材料聲速值有較大的差異

12、。 在給定的材料中，頻率越高，波長越短。 同一固體介質中，縱波聲速cL大于橫波聲速cs，橫波聲速cs又大于瑞利波聲速cr。對于鋼材，cL 1.8cs，cs1.1cr。（2） 板波的聲速。板波的聲速與其他波型不同，其相速度隨頻率變化而變化。相速度隨頻率變化而變化的現象被稱為頻散。 第23頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三 2） 聲衰減系數超聲波的衰減指的是超聲波在材料中傳播時，聲壓或聲能隨距離的增大逐漸減小的現象。引起衰減的原因主要有三個方面：一是聲束的擴散；二是由于材料中的晶?；蚱渌⑿☆w粒引起聲波的散射；三是介質的吸收。 在超聲檢測中，談到超聲波在材料中的衰減時，通常

13、關心的是散射衰減和吸收衰減，而不包括擴散衰減。 對于平面波來說， 聲壓幅值衰減規律可用下式表示： （6-10） 第24頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三介質中超聲波的衰減系數與超聲波的頻率關系密切， 通常情況下，衰減系數隨頻率的增高而增大。 將式(6-10)兩邊取對數可轉換為以下關系式： （6-11） 此時，的單位為dBmm(分貝毫米)。在超聲檢測中，直接可測量的量是兩個聲壓比值的分貝數。 因此衰減系數可通過超聲波穿過一定厚度（x）材料后聲壓衰減的分貝（dB）數進行測量，將衰減量(dB)除以厚度即為衰減系數。 第25頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星

14、期三6.1.3 超聲波在介質中的傳播特性1. 超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射如圖6-7所示，當超聲波垂直入射到兩種介質的界面時， 一部分能量透過界面進入第二種介質，成為透射波(聲強為It)， 波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波(聲強為Ir)。聲波的這一性質是超聲波檢測缺陷的物理基礎。 第26頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-7 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 第27頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三通常將反射波聲壓Pr與入射波聲壓P0的比值稱為聲壓反射率r，將透射波聲壓Pt和P0的

15、比值稱為聲壓透射率t?？梢宰C明， r和t的數學表達式為： （6-12） （6-13） 式中： Z1為第一種介質的聲阻抗； Z2為第二種介質的聲阻抗。 第28頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三為了研究反射波和透射波的能量關系，引入聲強反射率R和聲強透射率T兩個量。R為反射波聲強(Ir)和入射波聲強(I0)之比；T為透射波聲強(It)和入射波聲強(I0)之比。 （6-14） （6-15） 第29頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三對于脈沖反射技術來說，還有一個有意義的量是聲壓往返透過率，如圖6-8所示。通常入射聲壓經過兩種介質的界面透射到試件中后，均需

16、經過相反的路徑（假設在工件底面的反射為全反射）再次穿過界面到第一介質中才被探頭所接收。 兩次穿透界面時透射率的大小，決定著接收信號的強弱。因此， 將聲壓沿相反方向兩次穿過界面時總的透射率稱為聲壓往返透過率(tp)，其數值等于兩次穿透界面的透射率的乘積， 由式（6-13）可得 （6-16） 第30頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-8 聲壓往返透過率 第31頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2. 超聲波垂直入射到多層界面上時的反射和透射在超聲檢測中經常遇到超聲波進入第二種介質后，穿過第二種介質再進入第三種介質的情況。如圖6-9所示，當超聲波從介

17、質1（聲阻抗為Z1）中垂直入射到介質1和介質2（聲阻抗為Z2）的界面上時， 一部分聲能被反射，另一部分透射到介質2中；當透射的聲波到達介質2和介質3（聲阻抗為Z3）的界面時，再次發生反射與透射，其反射波部分在介質2中傳播至介質2與介質1的界面，則又會發生同樣的過程。如此不斷地繼續下去，則在兩個界面的兩側，產生一系列的反射波與透射波。 第32頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-9 在兩個界面上的反射和透射第33頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三3. 超聲波傾斜入射到平界面上的反射、 折射和波型變換當超聲波相對于界面入射點法線以一定的角度傾斜入射

18、到兩種不同介質的界面上時，在界面上會產生反射、折射和波型轉換現象，見圖6-10。入射聲波與入射點法線之間的夾角稱為入射角。 第34頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-10 超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射和波型變換(a) 縱波入射； (b) 橫波入射 第35頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三1) 反射 如圖6-10（a）所示，當縱波以入射角L傾斜入射到異質界面上時，將會在介質1中于入射點法線的另一側產生與法線成一定夾角L的反射縱波。 反射波與入射點法線之間的夾角稱為反射角。入射縱波與反射縱波之間的關系符合幾何光學的反射定律，即L=L。與光

19、的反射不同的是，當介質1為固體時，界面上既產生反射縱波，同時又發生波型轉換并產生反射橫波，即反射后同時產生縱波與橫波兩種波型。這時，橫波反射角S與縱波入射角之間的關系與光學中的斯奈爾定律相同，為 （6-17） 第36頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三若入射聲波為橫波，也會產生同樣的現象，見圖6-10（b)， 這時橫波入射角S與橫波反射角S相等。介質1為固體時縱波反射角與橫波入射角之間的關系為 （6-18） 由于固體中縱波聲速總是大于橫波聲速，因此，無論是縱波入射還是橫波入射，均有。當介質1為液體或氣體時，則入射波和反射波只能為縱波。 第37頁，共95頁，2022年，5月

20、20日，10點15分，星期三2） 折射當兩種介質聲速不同時，透射部分的聲波會發生傳播方向的改變，稱為折射。不論是縱波入射還是橫波入射，只要介質2為固體， 則介質2中除有與入射波相同波型的折射波外，均可因在界面發生波型轉換而產生與入射波不同波型的折射波。 這時，介質2中可能同時存在縱波與橫波(見圖6-10)。折射角與入射角之間的關系符合斯奈爾定律。 折射角相對于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關。同時，由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角L要大于橫波折射角S。 第38頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三3） 臨界角當第二種介質中的折射波型的聲速比第一種介

21、質中入射波型的聲速大時，折射角大于入射角。此時，存在一個臨界入射角，在這個角度下，折射角等于90。大于這一角度時， 第二種介質中不再有相應波型的折射波。 (1) 第一臨界角。當入射波為縱波，且cL2cL1時，使縱波折射角達到90的縱波入射角稱為第一臨界角，用符號表示。當縱波入射角大于第一臨界角時，第二介質中不再有折射縱波。 第39頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三(2) 第二臨界角。當入射波為縱波，第二介質為固體， 且cS2cL1時，使橫波折射角達到90的縱波入射角為第二臨界角，用符號表示。 通常在超聲檢測中，臨界角主要應用于第二介質為固體， 而第一介質為固體或液體的情

22、況。這種情況下，可利用入射角在第一臨界角和第二臨界角之間的范圍，在固體中產生一定角度范圍內的純橫波， 對試件進行檢測。 第40頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三 (3) 第三臨界角。第三臨界角是在固體介質與另一種介質的界面上，用橫波作為入射波時產生的。使縱波反射角達到90時的橫波入射角稱為第三臨界角，用表示。 4） 斜入射時的聲壓反射率和透射率斜入射時反射波和透射波的聲壓關系較為復雜。但在超聲檢測中，關心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。 對脈沖反射法， 更關心的是聲壓往返透過率隨入射角度的變化。 第41頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期

23、三3. 超聲波入射到曲界面上的反射和透射1） 平面波入射到曲界面上的反射平面波入射到曲界面上時的情況如圖6-11所示。平面波束與曲面上各入射點的法線成不同的夾角：入射角為0的聲線沿原方向返回，稱為聲軸；其余聲線的反射角則隨著距聲軸距離的增大而增大。當曲面是球面時，反射線或其延長線匯聚于一個焦點上；反射面為圓柱面時，反射線或其延長線匯聚于一條焦線上。此時，焦距F與曲面曲率半徑r的關系為 （6-19） 第42頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6.11 平面波入射至曲面時的反射 第43頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2） 平面波在曲面上的折射 平面

24、波入射到曲面上時，其折射波也將發生聚焦或發散， 如圖6-12所示。這時折射波的聚焦或發散不僅與曲面的凹凸有關，而且與界面兩側介質的聲速有關。對于凹面，c1c2時發散；對于凸面， c1c2時聚焦，c1時，/4可以忽略，從而得到近場長度的簡化計算公式如下，可用于實際工作中近場長度的估算： （6-23） 再看圖6-13中遠場區部分的特點，圖中標有“P球”的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線，可以看出，距離大于3N 以后，圓盤聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近。這一結論也可通過式(6-21)導出。 第49頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三當4x/D23，也就是x3N時

25、，式（6-21）可簡化為 （6-24） 式中：S=D2/4為圓盤聲源的面積。聲壓幅值與距聲源的距離成反比，正是球面波的聲壓幅值的變化規律。 第50頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三 2） 指向性與擴散角 指向性與擴散角研究的是聲束在空間擴散的規律。同樣根據疊加原理，可將在空間中距聲源有一定距離的任一點的聲壓，看做是聲源上各點的輻射聲壓的疊加(見圖6-14)，從而得到聲場內聲壓幅值的分布情況， 如圖6-15所示。 第51頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-14 圓盤聲源遠場中任一點的聲壓推導 第52頁，共95頁，2022年，5月20日，10點1

26、5分，星期三圖6-15 圓盤聲源聲場指向性示意圖 第53頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三超聲場中超聲波的能量主要集中于以聲軸為中心的某一角度范圍內，這一范圍稱為主聲束。這種聲束集中向一個方向輻射的性質叫做聲場的指向性。在主聲束角度范圍以外還存在一些能量很低的、只分布于聲源附近的副瓣聲束。主聲束所包含的角度范圍可由距聲源充分遠處的聲壓分布得到。設Rs為圓形聲源的半徑，r為空間任一點M到聲源中心的距離，為M點與聲源中心的連線與聲源軸線的夾角。當滿足條件r3R2s/，也就是r3N時，聲壓幅值的表達式為 （6-25） 式中： J1為第一類第一階貝塞爾函數； S為聲源面積。 第

27、54頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三根據上式可知，距聲源充分遠處的任一橫截面上，以聲源軸線上的聲壓為最高。這是超聲檢測中對缺陷定位的依據。 同時，存在偏離軸線的若干個角度上的聲壓的幅值為零。 將遠場中第一個聲壓為零的角度，稱為指向角或半擴散角， 以0表示為 （6-26） 指向角是代表主聲束范圍的角度，反映了聲束的定向集中程度，也反映了聲束隨距離擴散的快慢。指向角越大，則聲束指向性越差，聲束擴散越快。由式(6-26)可看出，聲源的直徑越大， 波長越短，則聲束指向角越小， 指向性越好。 第55頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-16 圓盤聲源非

28、擴散區示意圖 第56頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三當D時，式(6-26)可簡化為 （6-27） 由于超聲能量主要集中于主聲束，對于圓形晶片，可以認為在距聲源一定距離內，超聲能量未逸出以晶片直徑所約束的范圍， 聲束直徑小于晶片直徑。這一距離之內就稱為非擴散區， 如圖6-16所示。非擴散區之外，則稱為擴散區。按幾何關系， 可得到非擴散區的長度b為 (6-28) 第57頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三3) 實際聲源的聲場簡化計算時假定聲源是均勻、連續激發的，而實際探頭多是非均勻激發的脈沖波源；簡化計算時假定介質是液體介質， 實際檢測對象多為固體介

29、質。對實際聲場的研究結果表明，實際聲場與簡化計算結果的差別主要在于近場區的聲壓分布。簡化計算結果中近場區聲壓變化劇烈，可有多處極大值和極小值。 而實際聲場近場區聲壓分布比較均勻，幅度變化小，極值點的數量也明顯減少。 盡管實際聲場與簡化分析結果有所差異，但在遠場區是基本符合的。因此，可以應用簡化推導得出的結果，進行實際檢測中的近似計算。 第58頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2. 規則反射體回波聲壓與AVG曲線1） 規則反射體回波聲壓超聲檢測用于發現材料中缺陷的最常用的技術是脈沖反射法， 是根據接收到的反射波的位置、幅度等信息判斷材料內部存在缺陷的情況。因此，研究聲場中

30、存在反射界面時反射波的聲壓對于缺陷的檢出和缺陷的評價是十分重要的。實際中總是結合圓盤聲源聲場規律，討論在圓盤聲場遠場中，介質衰減可以忽略且界面聲壓反射率為1時，不同形狀反射體反射聲壓的變化規律。 第59頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三由于實際缺陷形狀是各種各樣的，甚至可能是不規則的， 在進行理論分析時，采用幾種簡化的規則形狀模型來進行計算。 有些形狀可在試樣上人工制作，從而可作為人工模擬反射體， 用于儀器的調整和缺陷的評價。規則形狀反射體主要包括大平面、圓形或方形平面、球形反射體和圓柱形反射體。具體的規則反射體回波聲壓公式可查閱有關資料。當對實際缺陷大小進行計算時，往

31、往得到的是該缺陷相當于多大的規則反射體， 把這個大小稱為缺陷的當量尺寸。 第60頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2) AVG曲線所謂AVG曲線，是描述規則反射體距聲源的距離(A)、回波高度(V)、當量尺寸(G)三者之間關系的曲線。A、V、G是德文距離、增益和大小三詞的字頭。利用AVG曲線，可以進行缺陷當量的評定。 AVG曲線有多種類型，有縱波AVG曲線和橫波AVG曲線、 平底孔AVG曲線和橫孔AVG曲線、通用AVG曲線和實用AVG曲線等。通用AVG曲線和實用AVG曲線都可以用于調整檢測靈敏度和對缺陷進行定量。 第61頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，

32、星期三6.1.5 超聲波檢測方法1. 超聲檢測設備和器材超聲檢測設備和器材包括超聲波檢測儀、探頭、試塊、 耦合劑和機械掃查裝置等。超聲檢測儀和探頭對超聲檢測系統的性能起著關鍵性的作用，是產生超聲波并對經材料中傳播后的超聲波信號進行接收、處理、顯示的部分。由這些設備組成一個綜合的超聲檢測系統，系統的總體性能不僅受到各個分設備的影響，還在很大程度上取決于它們之間的配合。隨著工業生產自動化程度的提高，對檢測的可靠性、速度提出了更高的要求，以往的手工檢測越來越多地被自動檢測系統取代。 第62頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三1) 超聲波檢測儀超聲波檢測儀是超聲檢測的主體設備，

33、是專門用于超聲檢測的一種電子儀器。 (1) 超聲波檢測儀的作用。它的作用是產生電振蕩并加于換能器探頭，激勵探頭發射超聲波，同時將探頭送回的電信號進行放大處理后以一定方式顯示出來，從而得到被探測工件內部有無缺陷及缺陷的位置和大小等信息。 第63頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-17 A型顯示原理圖 第64頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三 按缺陷顯示方式分類：脈沖式檢測儀按回波信號的顯示方式又可分為A型顯示、B型顯示和C型顯示三種類型。 A型顯示是一種波形顯示，屏幕的橫坐標代表聲波的傳播時間（或距離），縱坐標代表反射波的聲壓幅度。 可以認為該

34、方式顯示的是沿探頭發射聲束方向上一條線上的不同點的回波信息。圖6-17為A型顯示原理圖。圖中，T表示發射脈沖，F表示來自缺陷的回波，B表示底面回波。B型顯示顯示的是試件的一個二維截面圖，屏幕縱坐標代表探頭在探測面上沿一直線移動掃查的位置坐標，橫坐標是聲傳播的時間（或距離）。該方式可以直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。第65頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-18 B型顯示原理圖 第66頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三C型顯示顯示的是試件的一個平面投影圖，探頭在試件表面做二維掃查，屏幕的二維坐標對應探頭的掃查位置。

35、探頭在每一位置接收的信號幅度以光點輝度表示。該方式可形象地顯示工件內部缺陷的平面投影圖像，但不能顯示缺陷的深度。圖6-19為C型顯示原理圖。 第67頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-19 C型顯示原理圖 第68頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三 按超聲波的通道分類：可分為單通道和多通道檢測儀。 按是否數字化分類：可分為數字式超聲波檢測儀和模擬式超聲波檢測儀所謂數字式主要指發射、接收電路的參數控制和接收信號的處理、顯示均采用數字方式的儀器。 數字式超聲檢測儀是計算機技術和傳統超聲檢測技術相結合的產物。 它具有傳統模擬式檢測儀的基本功能，同時又

36、增加了數字化帶來的先進功能，即實現了儀器功能的精確、自動控制，信號獲取和處理的數字化和自動化，檢測結果的可記錄性和可再現性。 以上分類中，模擬式和數字式A型脈沖反射式超聲波檢測儀在工程實際中應用最為廣泛，其型號有CTS-22、CTS-21、 JTS-5、CST-3等。圖6-20為一組超聲波檢測儀的圖片。 第69頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-20 超聲波檢測儀(a)、 (b)、 (c) 數字式超聲檢測儀； (d) 探傷小車 第70頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2) 超聲波探頭（1） 超聲波探頭的作用。 超聲波探頭用于實現聲能和電能的互

37、相轉換。它是利用壓電晶體的正、逆壓電效應進行換能的。探頭是組成檢測系統的最重要的組件，其性能的好壞直接影響超聲檢測的效果。 （2） 常用超聲波探頭的類型。超聲波檢測中由于被探測工件的形狀和材質、探測的目的、探測的條件不同， 因而要使用各種不同形式的探頭。其中最常用的是接觸式縱波直探頭、接觸式橫波斜探頭、雙晶探頭、水浸探頭與聚焦探頭等。一般橫波斜探頭的晶片為方形，縱波直探頭的晶片為圓形，而聚焦聲源的圓形晶片為聲透鏡。 所以聲場就有圓盤源聲場、聚焦聲源聲場和斜探頭發射的橫波聲場。 圖6-21為一組探頭的圖片。 第71頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-21 各種探頭 (

38、a) 縱波直探頭； (b) 橫波斜探頭； (c) 雙晶探頭 第72頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三3） 試塊與耦合劑與一般的測量過程一樣，為了保證檢測結果的準確性與重復性、可比性，必須用一個具有已知固定特性的試樣(試塊)對檢測系統進行校準。這種按一定的用途設計制作的具有簡單形狀人工反射體的試件即稱為試塊。超聲檢測用試塊通常分為兩種類型，即標準試塊(校準試塊)和對比試塊(參考試塊)。 第73頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三當探頭和試件之間有一層空氣時，超聲波的反射率幾乎為100，即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入試件。 因此，排除探頭和試件

39、之間的空氣非常重要。耦合劑就是為了改善探頭和試件間聲能的傳遞而加在探頭和檢測面之間的液體薄層。耦合劑可以填充探頭與試件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入試件，這是使用耦合劑的主要目的。除此之外， 耦合劑有潤滑作用，可以減少探頭和試件之間的摩擦， 防止試件表面磨損探頭，并使探頭便于移動。在液浸法檢測中， 通過液體實現耦合，此時液體也是耦合劑。常用的耦合劑有水、甘油、 變壓器油、化學漿糊等。 第74頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2. 超聲檢測方法超聲檢測的方法很多，可按原理、波型和使用探頭的數目及探頭接觸方式來分類。按原理分類，有脈沖反射法、穿透法和共振法；按顯示方式分類，

40、有A型顯示、B型顯示和C型顯示；按波型分類，有縱波法、橫波法、表面波法和板波法；按探頭數目分類，有單探頭法、雙探頭法和多探頭法；按耦合方式分類，有接觸法和液浸法；按入射角度分類，有直射聲束法和斜射聲束法。 第75頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三1） 穿透法穿透法通常采用兩個探頭，分別放置在試件兩側，一個將脈沖波發射到試件中，另一個接收穿透試件后的脈沖信號， 依據脈沖波穿透試件后幅值的變化來判斷內部缺陷的情況(見圖6-22)。 第76頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-22 直射聲束穿透法 (a) 無缺陷； (b) 有缺陷 第77頁，共95頁

41、，2022年，5月20日，10點15分，星期三2） 脈沖反射法脈沖反射法是由超聲波探頭發射脈沖波到試件內部，通過觀察來自內部缺陷或試件底面的反射波的情況來對試件進行檢測的方法。圖6-23 顯示了接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法的基本原理。 第78頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三圖6-23 接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法(a) 無缺陷； (b) 有缺陷 第79頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三3） 液浸法 液浸法是在探頭與試件之間填充一定厚度的液體介質作耦合劑，使聲波首先經過液體耦合劑，而后再入射到試件中， 探頭與試件并不直接接觸。液浸法中，探頭角

42、度可任意調整， 聲波的發射、接收也比較穩定，便于實現檢測自動化，大大提高了檢測速度。液浸法的缺點是當耦合層較厚時，聲能損失較大。另外，自動化檢測還需要相應的輔助設備，有時是復雜的機械設備和電子設備，它們對單一產品(或幾種產品)往往具有很高的檢測能力，但缺乏靈活性?？傊?，液浸法與直接接觸法各有利弊，應根據被檢對象的具體情況(幾何形狀的復雜程度和產品的產量等)， 選用不同的方法。 第80頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三3. 超聲檢測通用技術超聲檢測方法可采用多種檢測技術，每種檢測技術在實施過程中，都有其需要考慮的特殊問題，其檢測過程也各有特點。 但各種超聲檢測技術又都存在

43、著通用的技術問題。例如，檢測的過程都可歸納為以下幾個步驟： 試件的準備。 檢測條件的確定，包括超聲波檢測儀、探頭、試塊等的選擇。 檢測儀器的調整。 掃查。 缺陷的評定。 結果記錄與報告的編寫。 第81頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三1） 超聲波檢測儀的選擇一般市場上出售的A型脈沖反射式超聲波檢測儀已具備一些基本功能，其基本性能參數(垂直線性、水平線性等)也能滿足通常超聲檢測的要求。對于給定的任務，在選擇超聲波檢測儀時，主要考慮的是該任務的特殊要求，可從以下幾方面進行考慮：（1） 所需采用的超聲頻率特別高或特別低時， 應注意頻帶寬度。 （2） 對薄試件檢測和近表面缺陷檢

44、測時，應注意發射脈沖是否可調為窄脈沖。 （3） 檢測大厚度試件或高衰減材料時，選擇發射功率大、 增益范圍大、電噪聲低的超聲波檢測儀，有助于提高穿透能力和小缺陷顯示能力。 第82頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三（4） 對衰減小或厚度大的試件，選用重復頻率可調為較低數值的超聲波檢測儀，可避免幻象波的干擾。 （5） 室外現場檢測時，應選擇重量輕，熒光屏亮度好， 抗干擾能力強的便攜式超聲波檢測儀。 （6） 自動快速掃查時應選擇最高重復頻率高的超聲波檢測儀。 第83頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三2） 探頭的選擇 （1） 頻率。超聲波的頻率在很大程度上

45、決定了其對缺陷的探測能力。頻率的選擇可以這樣考慮：對于小缺陷、 近表面缺陷或薄件的檢測，可以選擇較高頻率；對于大厚度試件、高衰減材料，應選擇較低頻率。在靈敏度滿足要求的情況下， 選擇寬帶探頭可提高分辨力和信噪比。針對具體對象，適用的頻率需在上述考慮當中取得一個最佳的平衡，既要保證所需尺寸缺陷的檢出，并滿足分辨力的要求，也要保證在整個檢測范圍內具有足夠的靈敏度與信噪比。 第84頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三（2） 晶片尺寸。探頭晶片尺寸對檢測的影響主要是通過其對聲場特性的影響體現出來的。多數情況下，檢測大厚度的試件時，采用大直徑探頭較為有利；檢測厚度較小的試件時， 則采用小直徑探頭較為合理。 應根據具體情況， 選擇滿足檢測要求的探頭。 第85頁，共95頁，2022年，5月20日，10點15分，星期三3） 耦合劑的選擇選擇耦合劑主要考慮以下幾方面的要求：（1） 透聲性能好。 聲阻抗盡量和被探測材料的聲阻抗相近。 （2） 有足夠的潤濕性、 適當的附著力和粘度。 （3） 對試件無腐蝕，對人體無損害，對環境無污染。 （4） 容易清除，不