1、第一章 超 聲 波 檢 測第一章 超 聲 波 檢 測 1. 1 超聲檢測的基礎知識描述超聲波的基本物理量 超聲波的產生依賴于做高頻機械振動的“聲源”和傳播機械振動的彈性介質，所以機械振動和波動是超聲檢測的物理基礎。 描述超聲波波動特性的基本物理量有： 聲速c、頻率f、波長、周期T 、角頻率。其中頻率和周期是由波源決定的，聲速與傳聲介質的特性和波型有關。 這些量之間的關系如下： 1. 1 超聲檢測的基礎知識描述超聲波的基本物理量超聲檢測的基礎知識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

2、 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。 超聲檢測的基礎知識超聲波的特點超聲檢測的基礎知識超聲波的分類 超聲波的分類方法很多，如圖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

3、論。超聲檢測的基礎知識超聲波的分類超聲檢測的基礎知識圖 1-1 超聲波的分類超聲檢測的基礎知識圖 1-1 超聲波的分類超聲檢測的基礎知識 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L表示(見圖1-2)。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。縱波傳播時，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。 超聲檢測的基礎知識 1） 超聲波的波型超聲檢測的基礎知識圖1-2 縱波超聲檢測的基礎知識圖1-2 縱波超聲檢測

4、的基礎知識（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。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。 （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。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。 超聲檢測的基礎知識（2） 橫波。介質中質點的振動方向垂直于波超聲檢測的基礎知識圖1-3 橫波超聲檢測的基礎知識圖1-3 橫波

5、超聲檢測的基礎知識表面波超聲檢測的基礎知識表面波超聲檢測的基礎知識（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圓，在薄板的中間也有超聲波傳播(見圖1-5)。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。超聲檢測的基礎知識（4） 板波（蘭姆波）。在板厚和波長相當的超聲檢測的基礎知識圖1-5 板波(a) 對稱型； (b) 非對稱型超聲檢測的基礎知識圖1-5 板波超聲檢測的基礎知識 2) 超

6、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1-6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。超聲檢測的基礎知識 2) 超聲波的波形超聲檢測的基礎知識圖6-6 波線、 波前與波陣面(a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波 超聲檢測的基礎知識圖6-6 波線、 波前與波陣面超聲檢測的基礎知識 3）連續波

7、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。 超聲檢測的基礎知識 3）連續波與脈沖波超聲場及介質的聲參量簡介 2.1 超聲場的物理量 1) 聲壓 當介質中有超聲波傳播時，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 超聲場及介質的聲參量簡介 2.1 超聲場的物理量超聲場及介質的聲參量簡介 2） 聲阻抗

8、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。超聲場及介質的聲參量簡介 2） 聲阻抗超聲場及介質的聲參量簡介 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為超聲場及介質的聲參量簡介 3） 聲強超聲場及介質的聲參量簡介 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 超聲場及介質的聲參量簡介 4） 分貝的概念超聲場及介質的聲參量簡介 2.2 介質的聲參量

9、 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。 超聲場及介質的聲參量簡介 2.2 介質的聲參量超聲場及介質的聲參量簡介（1）縱波、橫波和表面波的聲速。 縱波、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

10、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。 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c1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，c1 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。 超聲場及介質的聲參量簡介（1）縱波、橫波和表面波的聲速。超聲波在介質中的傳播特性 3.1 超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射 如圖1-7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

11、)， 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。超聲波在介質中的傳播特性 3.1 超聲波垂直入射到平界面超聲波在介質中的傳播特性圖6-7 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射 超聲波在介質中的傳播特性圖6-7 超聲波垂直入射于平界面的反超聲波在介質中的傳播特性 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的比值稱為聲壓透射率t。可以證明， r和t的數學表達式為：式中： Z1為第一種介質的聲阻抗； Z2為第二種介質的聲阻抗。超聲波在介質中的傳播特性 通常將反射波

12、聲壓超聲波在介質中的傳播特性 3.2 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1-8所示，當超聲波從介質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。 超聲波在介質中的傳播特性 3.2 超聲波垂直入射到多層界超聲波在介質中的傳

13、播特性圖1-8 在兩個界面上的反射和透射超聲波在介質中的傳播特性圖1-8 在兩個界面上的反射和透射超聲波在介質中的傳播特性 3.3 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1-9。入射聲波與入射點法線之間的夾角稱為入射角。超聲波在介質中的傳播特性 3.3 超聲波傾斜入射到平界面超聲波在介質中的傳播特性圖1-9 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) 橫波入射超聲波在介質中的傳播特性圖1-9 超聲波傾斜入射到平界面上的超聲波在介質中的傳

14、播特性 1) 反射 如圖1-9（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 超聲波在介質中的傳播特性 1) 反射 超聲波在介質中的傳播特性若入射聲波為橫波，也會產生同樣的現象，見圖1-9（b)， 這時橫波入射角S與橫波反射

15、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 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。 超聲波在介質中的傳播特性若入射聲波為橫波，也會產生同樣的超聲波在介質中的傳播特性 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1-9)。折射角與入射角之間的關系符合斯奈爾定律。 折射角

16、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。 超聲波在介質中的傳播特性 2） 折射超聲波在介質中的傳播特性 3） 臨界角 當第二種介質中的折射波型的聲速比第一種介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。 超聲波在介質中的傳播特性 3）

17、 臨界角超聲波在介質中的傳播特性 (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。 超聲波在介質中的傳播特性 (2) 第二臨界角。當入射波由圓形壓電晶片產生的聲場簡介圖1-10 圓盤聲源聲場指向性示意圖由圓形壓電晶片產生的聲場簡介圖1-10 圓盤聲源聲場指向性示由圓形壓電晶片產生的聲場簡介圖1-11 圓盤聲源非擴散區示

18、意圖由圓形壓電晶片產生的聲場簡介圖1-11 圓盤聲源非擴散區示意超聲波檢測當量定量 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。 超聲波檢測當量定量 規則反射體回波聲壓超聲波檢測當量定量 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

19、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。超聲波檢測當量定量 由于實際缺陷形狀是各種超聲波檢測方法 2.1 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

20、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。超聲波檢測方法 2.1 超聲檢測設備和器材超聲波檢測方法 1) 超聲波檢測儀 超聲波檢測儀是超聲檢測的主體設備， 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。 超聲波檢測方法 1) 超聲波檢測

21、儀超聲波檢測方法圖2-1A型顯示原理圖超聲波檢測方法圖2-1A型顯示原理圖超聲波檢測方法圖2-2 B型顯示原理圖超聲波檢測方法圖2-2 B型顯示原理圖超聲波檢測方法圖2-3 C型顯示原理圖超聲波檢測方法圖2-3 C型顯示原理圖超聲波檢測方法 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

22、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2-4為一組探頭的圖片。超聲波檢測方法 2) 超聲波探頭超聲波檢測方法圖2-4各種探頭 (a) 縱波直探頭； (b) 橫波斜探頭； (c) 雙晶探頭超聲波檢測方法圖2-4各種探頭 超聲波檢測方法 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

23、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)。 超聲波檢測方法 3） 試塊與耦合劑超聲波檢測方法 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

24、。常用的耦合劑有水、甘油、 變壓器油、化學漿糊等。 超聲波檢測方法 當探頭和試件超聲波檢測方法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，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。 超聲波檢測方法2. 超聲檢測方法超聲波檢測方法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

25、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2-5)。 圖2-5 直射聲束穿透法超聲波檢測方法1） 穿透法圖2-5 直射聲束穿透法超聲波檢測方法 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2-6 顯示了接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法的基本原理。 圖2-6 接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法超聲波檢測方法 2） 脈沖反射法圖2-6 接觸法單探頭超聲檢測技術的應用 1） 鍛件檢測 鍛件的種類和規格很多，常見的類型有：餅盤件、環形件、軸類件和筒形件等。鍛件中的缺陷多呈現面積形或長條形的特征。由于超聲檢測技術對面積型缺陷檢測最為有利，因此鍛件是超聲檢測實際應用的主要對象。 鍛件中的常見缺陷。鍛件中的缺陷主要來源于兩個方面：材料鍛造過程中形成的縮孔、縮松、夾雜及偏析等； 熱處理中產生的白點