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1、超声检测,中油集团石油管工程技术研究院 黄 磊 高级工程师 注册设备监理师 UT、 R、 MT和PT资质 （特种设备和中国无损检测学会）,超声检测是五大常规无损检测技术之一，是目前应用最广泛，使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。超声检测是产品制造中实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率的重要手段，也是设备维护中可不或缺的手段之一。,超声检测一般是指使超声波与工件相互作用，就反射、衍射、透射和散射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、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性进行评估的技术。在特种设备行业中，超声检测通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。
2、,超声波检测基础,利用声响来检测物体的的好坏，这种方法早已被人们采用。如，用手拍西瓜，听是否熟了；敲瓷碗，听是否裂了。声音反映物体内部某些性质，这早已为人所知。人类也很早就意识到，可能存在着人耳听不到的“声音”。1817年克拉尼就指出了人的听觉所能听到的声音的最高频率为每秒二万二千次（22000赫兹）。1830年，法国物理学家萨伐尔(Felix Savart 1791-1841)制作了一个高转速齿轮，用以拨动一片金属片而产生了高达24000赫兹的超声波。 而真正促使人类研究利用超声波进行探测的事件是泰坦尼克号沉没事件。1912年4月10日，被称为“世界工业史上奇迹”的“永不沉没”的“泰坦尼克号
3、”从英国南安普顿出发驶往美国纽约开始其处女航。15日23时40分，载着1316名乘客和891名船员的豪华巨轮在与冰山相撞继而沉没，1500人葬生海底，造成了在和平时期最严重的一次航海事故。此后不久，一个叫瑞查得森的人就向英国专利局申请了用在空气和水下传播的声音回声定位的专利。利用上述方案进行探测的设备于1914年由美国的瑞格纳德泰森德（Reginald A. Tessenden）完成并在美国获得的专利。,在第一次世界大战中，法国著名科学家郎之万（Langevin）经过反复试验改进发明了现今在科研军事民用范围内仍广泛应用的水底探测技术声纳。1929年，前苏联科学家索科夫（S.Y.Sokolov
4、1897?）提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷，工业无损检测的新纪元由此开始。根据索科夫提出的原理制成的穿透法检测仪器，于第二次世界大战后研制并出现在市场上。但由于这种仪器利用穿过物体的透射声能进行检测，发射和接收探头需至于工件相对两侧并保持其相对位置，同时对缺陷检测灵敏度也较低，所以其应用范围受到很大制约，不久后就被淘汰。 1940年，密歇根大学的法尔斯通教授（Floyd Firestone）提交了一种采用超声波脉冲反射法的检测装置的专利申请，使超声波无损检测成为一种实用技术。1946年，英国的D.O.Spronle研制成第一台A型脉冲反射式超声波探伤仪。利用该仪器，超声波可以从
5、物体的一面发射和接收，能够检出小缺陷，并能够确定缺陷的位置和尺寸。二十世纪六十年代以来计算机技术的飞速发展，几乎给每一个行业都带来了革命性的影响，超声检测也不例外。以前制约仪器电子性能的很多指标，如放大器线性等主要性能指标都获得了显著提高，焊缝检测问题得到了很好的解决。从此，脉冲反射法检测开始获得大量的工业应用。,20世纪70年代，英国原子能管理局无损检测研究中心哈维尔（Harwell）实验室的M.G.silk提出了衍射时差法超声检测（TOFD）。TOFD技术是一种利用缺陷端点的衍射信号检测和测定缺陷尺寸的超声检测技术，近年来在西方工业发达国家已开始广泛应用。近年来，超声检测技术一直是无损检测
6、技术的研究热点，随着电子技术的不断发展，新的超声检测技术应用层出不穷，如超声成像技术、导波技术、电磁超声技术、超声相控阵技术、激光超声技术、量子声学技术等等。 我国开始超声检测的研究和应用时间较短。1950年铁道部引进若干台瑞士制造的以声响穿透式超声波探伤仪，并用于路轨检验，这是国内应用这一技术的开端。经过60年的发展，我国的超声检测技术取得了巨大的进步。超声检测技术几乎渗透到所有工业部门。建立了一只数量庞大专业技术人员队伍，理论及应用研究逐步深入，标准体系日渐完备，仪器设备制造行业蓬勃发展，管理水平逐步提高。但是，与发达国家相比，我国的超声检测总体水平还有很大差距，在人员、设备、投入、管理、
7、标准等方面还有待进一步提高。,超声在国防和国民经济中的用途可分为两大类，一类是利用它的能量来改变材料的某些状态为此，需要产生相当大或比较大能量的超声，实际上是大功率超声或简称功率超声，包括超声清洗、超声焊接、超声切割等。超声用途的第二类是利用它来采集信息，特别是材料内部的信息，也就是超声检测。超声波能够用于检测是由于它具有以下特性。 1.超声波穿透能力强 它几乎能穿透任何材料对某些其它辐射能量不能穿透的材料，超声便显示出这方面的可用性，例如，第一次世界大战中科学家考虑用超声来侦察潜艇，便是因为熟知的光波、电磁波都不能渗透海洋后来又兴起超声探伤、超声诊断等，也都是因为金属、人体等都是不透光介质。
8、 2.超声波波长短，方向性好 3.超声波波长短，能够像光波一样在界面产生反射、折射、衍射等现象 。,超声波检测有多种分类方法： 按超声波检测原理划分：包括脉冲反射法、穿透法和共振法三种。目前用得最多的是脉冲反射法。 按超声波探伤图形的显示方式划分：有A型显示、B型显示、C型显示等。 按探伤波型分类，大致可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法、板波探伤法、爬波法等 按接触方法分类：有直接接触法和液浸法、电磁耦合法。直接接触法就是在探头和试件表面之间涂有很薄的耦合剂，可以认为试件与探头直接接触。液浸法是在探头和试件之间有液体，超声波通过液体传播进入试件，液浸法受试件表面状态影响不大，可以进行稳
9、定的检测。电磁耦合法是利用电磁探头产生的洛伦兹力或磁致伸缩效应在试件中激发和接收超声波进行检测，探头和试件之间可以不接触，对工件表面状态要求低。 由于A型显示脉冲反射式超声波探伤法应用最多，所以下面主要叙述该方法。,1 超声波的发生及其性质,一、机械波 常见的波有两大类: (1) 机械波 (机械振动的传播) (2) 电磁波（交变电场、磁场的传播） 在微观领域中还有物质波。 各种波的本质不同, 但其基本传播规律有许多相同之处。由于我们研究的对象超声波属于机械波，所以下面重点讨论机械波。,产生机械波的必要条件： （1）振源 （2）弹性介质 机械振动与机械波既有联系，又有区别。机械振动是产生机械波的
10、根源，机械波是振动状态在弹性介质中的传播。机械振动研究的是单个质点的振动状态，机械波研究是传播机械振动的一系列质点的振动状态。 描述机械波的主要物理量 （1）波长:波传播时,在同一波线两个相邻的相位差为零 的质点之间的距离。用表示。 （2）周期T和频率f：波前进一个波长距离所需的时间叫周期；它的倒数称为频率。机械波的周期与频率只与产生机械波的振源有关，与传播介质无关。（3）波速:单位时间内，波动所传播的距离称为波速。用 c表示,大小决定于介质的性质。 由波速与波长的定义可得c= f或=c/f。,二、超声波的发生和接收超声波一种高频机械波。产生超声波主要有两种方式，一是利用磁致伸缩效应（电磁换能
11、器），二是利用压电效应（压电换能器）。目前，工业检测中大部分采用压电材料制成的压电换能器产生超声波。,为什么压电材料能够产生超声波呢？主要是因为他们具有压电效应。 压电效应定义： 正压电效应： 晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应。探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转为电能。 逆压电效应： 当晶体材料在交变电场的作用下，产生伸缩变形的效应。探头发射超声波，高频电脉冲激励探头压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能。 能够产生压电效应的压电材料主要有石英、硫酸锂、铌酸锂等单晶材料、钛酸钡、锆钛酸铅（PZT)、钛酸铅等多晶材料。另外，目前在TOFD检测等需要高灵敏度探头的场合
12、，压电复合材料得到了广泛的应用。,要使压电材料产生超声波，可将它切成一定厚度的片子，称为晶片，如图所示。不同厚度片子对应的共振频率不同。将晶片两面镀上银，作为电极（极化）。当频率等于晶片共振频率的高频电压施加到电极上时，晶片由于逆压电效应将电振动转化成为机械振动，机械振动在工件中传播形成超声波。反之，高频机械振动（超声波）传播到晶片上时，晶片产生受迫振动，在晶片两电极间就会产生频率等于超声波频率，强度与超声波声压成正比的高频电信号。这个高频电信号经过放大、检波显示在示波屏上，这就是超声波的接收。,图1 超声波的发生,三、超声波的分类： 根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同，
13、可将波动划分为纵波（压缩波或疏密波）、横波（剪切波）、表面波和板波等。 1 纵波（L）概念及产生机理 纵波是指介质中的质点的振动方向与波的传播方向相互平行或一致的波，用L表示。 当介质质点受到交变拉压应力作用时，质点之间产生相应的伸缩变形，从而形成纵波。这时介质质点疏密相间，故纵波又成为压缩波或疏密波。凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波。固体介质既可承受拉力又可承受压缩力，因此固体介质可以传播纵播。液体和气体介质虽不能承受拉力，但能承受压应力产生体积或容积的变化，因此液体和气体也可传播纵波。,图2 纵波与横波,2 横波（S或T）概念及产生机理 横波是指介质中质点的振动方向与波的传播方向互
14、相垂直的波，用S或T表示。 由于横波的产生是在剪切应力的作用下产生的，因此需要介质能够有剪切模量，才能承受剪切应力，而只有固体介质能够承受剪切应力，液体和气体介质中无剪切模量，因而不能产生横波。所以只有固体介质才能够传播横波。3 表面波（SAW或R）的概念及产生机理 当介质表面受到交变应力作用时，产生的沿介质表面传播的波，称为表面波，常用R表示，是英国的物理学家瑞利于1887年首先提出来的，因此又称表面波为瑞利波。 表面波在介质表面传播时，介质表面质点做椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波与横波的合成。因此表面波与横波一样
15、只能在固体介质中传播，不能在液体或气体中传播。,表面波只能在固体介质中传播，表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱。当传播深度超过两倍波长时，指点的振幅就已经很小了，因此，一般认为，表面波只能检测距表面两倍波长深度内的缺陷。,图3 表面波示意图,4.板波（PW）的概念及产生机理 是指在板中激励的与板厚相当波长的波，称为板波。 根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波。 （1）SH波，是水平偏振的横波在波板中传播的波。波板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向，相当于固体介质表面中的横波。 （2）兰姆波，（lamb wave）可分为对称型（S型）和非对称型(A型) 。对称型兰姆波
16、的特点是薄板中心质点作纵向振动，上下表面质点作椭圆运动、振动相位相反并对称于中心。非对称型兰姆波的特点是薄板中心质点作横向振动，上下表面质点作椭圆运动、相位相同，不对称。,在超声波检测中，通常采用直探头产生纵波，纵波是向探头接触面垂直的方向传播的，如下图所示。斜探头是将晶片贴在有机玻璃等透声材料制成的斜锲上，晶片激发的纵波，在被检工件表面产生波形转换，从而在工件中产生横波。当纵波入射角在第一、二临界角之间时，工件中只有折射横波，实现纯横波检测。如下图所示。,图4 直探头 1-阻尼块 2-接地环 3-晶片,图5 斜探头 1-吸声材料 2-检测面 3-斜锲 4-晶片,四、 超声波的传播速度 超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数。固体中的超声波传播速度与下列因素有关：1）介质：弹性模量、密度、弹性变形形式、尺寸大小、均匀性等。2）超声波的波型：如纵波、横波与表面波等3）温度: 一般固体中的声速随介质温度升高而降低。,固体介质中纵波声速：,固体介质中横波声速：,固体介质中表面波声速：,
