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1、 绪论绪论 超声波检测概述超声波检测概述 第一章第一章 绪论绪论 河南省锅炉压力容器安全检测研究院河南省锅炉压力容器安全检测研究院 20092009年年1111月月 超声波检测概述 超声波检测是应用最广泛的无损检测方法之一。 超声波检测是利用进入被检材料的超声波对材料表 面或内部缺陷进行检测。利用超声波进行材料厚度 的测量也是常规超声波检测的一个重要方面。此外 ，作为超声波检测技术的特殊应用，超声波还可用 于材料内部组织和特性的表征以及应力的测量；超 声波还可以用来测量介质流量，流速等。 1、超声波检测定义和作用 一般指超声波与工件作用，就反射、透 射和衍射的波进行研究，对工件进行宏观 缺陷检
2、测、几何特性测量、组织结构和力 学性能变化的检测和表征，并进而对其特 定应用进行评价的技术。 工业检测中，超声检测通常指宏观缺陷 检测和材料厚度测量。 作用： 通过超声检测发现工件或设备中存在的缺陷， 从而实现产品质量控制、节约原材料、改进工艺 、提高劳动生产率、消除安全隐患。 四大常规检测技术 新兴无损检测技术 RT 射线检测 ET 涡流检测 UT 超声波检测 AE 声发射检测 MT 磁粉检测 TOFD 衍射超声检测 PT 渗透检测 超声波相控阵检测 UGW超声导波检测 EMAT电磁超声检测 红外热像 2、超声波检测发展简史 利用超声波来进行无损检测始于20世纪 30年代。1929年，前苏联
3、人首先提出了用 超声波检测金属物体内部缺陷的建议。并 于第二次世界大战后研制成第一种穿透式 检测仪器对材料进行检测。 这种方法检测灵敏度低，应用范围小， 所以，不久这种仪器就被淘汰了。 20世纪40年代，美国的Firestone首次介绍了脉冲回波式超 声检测仪，利用该技术，超声波可从物体的一面发射并接收，且 能够检测小缺陷，较准确的确定其位置及深度，评定其尺寸。随 后，由美国和英国开发出了A型脉冲回波式超声检测仪，并逐步 用于锻钢和厚钢板的检测。 20世纪60年代，超声检测仪在灵敏度、分辨率和放大器线性 等主要性能上取得了突破性进展，焊缝检测问题得到了很好的解 决。脉冲回波技术至今仍是通用性最
4、好、使用最广泛的一种超声 检测技术。在此基础上，超声检测发展为一个有效而可靠的无损 检测手段，并得到了广泛的工业应用。 随着工业生产对检测效率和检测可靠性要求 的不断提高，人们要求超声检测更加快速，缺陷 的显示更加直观，对缺陷的描述更加准确。因此 ，原有的以A型显示手工操作为主的检测方式不 再能够满足要求。 20世纪70年代，英国人M.G.Silk提出衍 射时差法超声检测（TOFD）。 TOFD是一 种利用超声波衍射现象、利用缺陷端点的 衍射波信号检测或测定缺陷尺寸的超声检 测技术，近几年来在欧美等西方发达国家 开始广泛应用。 20世纪80年代以来，超声波检测设备得到快 速发展，对于规则的板、
5、棒类等大批量生产的产 品，逐渐发展了自动检测系统，配备了自动报警 、记录等装置，发展了B型显示和C型显示。与 此同时，对缺陷的定性定量评价的研究得到了较 大的进展，利用超声波技术进行材料特性评价也 成为了重要的研究方向。 随着电子技术和计算机技术的发展，超声 检测设备不断向小型化、智能化方向改进，并 于20世纪80年代末出现了数字式超声仪器。 目前，数字式仪器已日益成熟，正逐渐取代模 拟式仪器成为主流产品。检测技术也得到飞速 发展，如超生三维成像，导波技术，电磁超生 技术等。 我国超声检测的发展历史 19501982年 起步 仪器：汕头生产8A、8B、8C 1982年1990 发展 仪器：汕头
6、生产CTS-22、CTS-23、CTS-26、 CTS-33、CTS-36 1990至今 数字超声时代 代表：武汉中科（1988）HS-系列 南通友联 PXUT-系列 汕头超声CTS-系列 北京七星 2、超声波检测的基础知识 2.1次声波、声波、超声波 次声波、声波、超声波都是在弹性介质中传播的机械 波，同一波型在同一介质中传播的速度相同，它们的区 别在于频率不同。 次声波：f CSCR 对于钢材: CL:CS:CR=1.8 : 1 : 0.9 3-2 细长棒中的纵波声速 CLb 细长棒中(棒径d)纵波的声速与无限大 介质中的纵波声速不同. 固体介质中的声速与介质温度、应力、均匀 性有关。 一
7、般固体中的声速随介质温度升高而降低。 一般应力增加，声速增加。 3-3 3-3 液体、气体介质中纵波声速液体、气体介质中纵波声速 B :液体、气体介质的容变弹性模量，表示产生单位 容积相对变化量所需的压强； ：液体、气体介质的密度 几乎除水以外的所有液体当温度升高时，容变弹 性模量减小，声速降低。 水是温度在74摄氏度左右时声速达最大值。 3-4 3-4 声速测量声速测量 探伤仪测量法 测厚仪测量法 示波器测量法 4 4 波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理波的叠加、干涉、衍射和惠更斯原理 4-1 波的叠加原理 几列波相遇后仍保持自已原有的频率、波长、振动方 向等特性并按原来的传播方向继续前进，好
8、象在各自 的途中没有遇到其他波一样，这就是波的叠加原理。 又称波的独立性原理。 波的迭加现象可以从许多事实观察到，如两石子落水 ，可以看到两个以石子入水处为中心的圆形水波的迭 加情况和相遇后两波仍按原来的方向进行传播的情况 。 4-2 波的干涉 两列频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差 恒定的波相遇时，介质中某些地方的振动互相加强 ，而另一些地方的振动互相减弱或完全抵消的现象 叫做波的干涉现象。 产生干涉现象的波较相干波。 波的干涉是一种特殊状态下的波的叠加。 驻波 两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传 播时互相叠加而成的波，称为驻波 驻波是波的干涉的特例。 4-3惠更斯原理 波动
9、是振动状态的传播，如果介质是连续的，那 么介质中任何质点的振动都将引起邻近质点的振 动，邻近质点的振动又会引起较远质点的振动， 因此波动中任何质点都可以看作是新的波源。据 此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理： 介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波 的波源，在其后任意时刻这些子波的包迹就决定 新的波阵面。 利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的 传播方向。可以解释波的反射、折射及衍射等现 象。 惠更斯原理图 4-4 波的衍射 波在传播过程中遇到与波长相当的障碍物时， 能绕过障碍物边缘改变方向继续前进的现象， 称为波的衍射或波的绕射。 波的衍射现象是衍射时差法超声检测（TOFD）
10、 的物理基础。 波的衍射 波的衍射和障碍物的尺寸Df及波长的相对大小有关. 当Df 时,反射强,绕射弱,几乎全反射;当Df 0,反射声压Pr 和入射 声压 P0同相位，界面上入射波和反射波叠加形 成驻波，合成声压最大Pr P0 水/钢界面：r =0.935 R=0.875 t =1.935 T=0.125 平面波垂直到水平面波垂直到水/ /钢界面钢界面 (Z2(Z2Z1)Z1) （2）当Z1 Z2 如钢/水 r = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)Z2 如钢/空气 钢/空气界面：r -1 t 0 t r =1 R 1 T 0 R+T=1 表明：当入射波声阻抗远大于透射波介质声阻抗时，声 压反
11、射率趋于1，透射率趋于0，声压几乎全反射，无透 射。 探伤中，探头与工件间如不施加耦合剂，则形成固/气 界面，超声波无法进入工件。 （4）当Z1Z2 如钢板和焊缝 r 0 t 1 R 0 T 1 超声波垂直入射的声阻抗相差很近的界面时，几乎全 透射，无反射。 在焊缝探伤中，母材和填充焊缝金属，声阻抗非常接近 ，若没有任何缺陷，是不会产生界面回波的。 以上讨论的超声波纵波垂直入射到第一平 界面上的声压、声强反射率和透射率公式 同样适用于横波入射的情况，但必须注意 的是在横波入射到固体/液体或固体/气体界 面上，横波全反射。因为横波不能在液体 和气体中传播。 例：超声波垂直入射至水/钢界面， 已知
12、水的声速CL1=1500m/s,密度为 1000kg/m3，钢中声速 CL2=5900m/s, Cs2=3230m/s,密度 为7800kg/m3，试计算界面声压反 射率r、声压投射率t、声强反射率R 和声强透射率T？ 解： 根据声阻抗定义：Z=c 水的声阻抗：Z1= 1cL1 = 1000kg/m31500m/s 钢的声阻抗：Z2= 2cL2 = 7800kg/m35900m/s 72 薄层界面的反射率与透射率 薄层：耦合层、缺陷薄层 Z3 Z2 Z1 d2 d2 超声波脉冲宽度d2 超声波脉冲宽度 1、均匀介质中的异质薄层(Z1=Z3Z2) 声压反射率和声压透射率不仅与介质声阻抗和薄层声
13、阻抗有关，而且还与 有关。 （1）当 r0,t 1 即薄层厚度为其半波长的整数倍时,超声波全 透射,几乎无反射,好象不存在异质薄层一样.这 种透声层叫半波透声层。 （2）当 r1,t 0 即当异质薄层厚度等于其四分之一波长的奇 数倍时,声压透射率最低,声压反射率最高. 钢和铝中气隙、水隙声压透射率钢和铝中气隙、水隙声压透射率 钢和铝中气隙、水隙声压反射率钢和铝中气隙、水隙声压反射率 （1）当f1MHZ时，钢中厚度为d= mm的气隙 几乎100反射。两块紧贴在一起的十分精密的钢 块之间的间隙也有 mm。可见超声波对检测含 有气体介质的裂纹等面积型缺陷的灵敏度是很高的 。 （2）当材料中的气隙或水
14、隙厚度一定时，频率增加 ，声压反射率随着增加。 例：对钢中气隙d= mm时，f=1MHz,r=20%； f=5MHz,r=60% 提高超声波探伤频率对于提供探伤灵敏度是有利的 。 2、薄层两侧介质不同的双界面(Z1 Z3Z2) 例如：晶片保护膜工件； 有机玻璃耦合层工件 薄层的声强透射率T为： （1）当 时， 当薄层厚度等于半波长的整数倍时,通过薄 层的声强透射率与薄层的性质无关; （2）当 时，且 当薄层厚度等于四分之一波长的奇数倍时, 声强透射率等于1，超声波全透射。这对于直探 头保护膜设计具有重要的理论指导意义。 773 3声压往复透射率声压往复透射率 在超声波单探头检测中，探头兼作发射
15、和接收超 声波。探头发出的超声波透过界面进入工件，在 固/气界面产生全反射后再次通过同一界面被探头 接收。这时探头接收到的回波声压Pa与入射波声 压P0之比，称为声压往复透射率T往 P0 Pt Pt Pa Z1 Z2 Z空气=0 1、往复透射率高，探伤灵敏度高，反之，探伤灵 敏度低。 2、声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关 ，与从何种介质入射到界面无关。 3、界面两侧的介质声阻抗相差愈小，声压往复透 射率就愈高，反之就愈低。 8 8 超声波斜入射到界面超声波斜入射到界面时时的的反射与折射反射与折射 81 波型转换与反射、折射定律 波型转换：当超声波斜入射的界面时，除产生同种类型的 反射和折射外，还会产生不同类型的反射和折射。 几何光学三定律： 1、在均匀介质中光线沿直线传播； 2、入射角反射角；入射线、反射线、折射线在同一平 面内； 3、入射角和折射角满足： n: 折射率 纵波入射 Z1 Z2 L L 根据反射、折射定律： 同一介质中纵波的声速不变,因此 = 同一介质中纵波的声速大于横波的声速， 因此 ,
