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1、超声波在检测技术中的应用分析作 者 陶海涛 指导教师 张仲义 摘要：本文通过对已有超声波检测知识的学习，论述超声波的产生原理、阐述超声波的应用 范围、讨论其检测原理和方法、展望超声波检测发展前景、把握超声波检测技术今后的应用 方向。其中简要介绍了使用超声波技术对金刚石复合片(PDC)进行检测的一些初步体会，对 应用超声波A扫描、C扫描方法在检测过程中应注意的问题进行了描述；讨论了将滚焊机滚 轮进行改装而进行超声波检查的方法、原理。关键词：超声波检测 PDC 缝焊Abstract: This article has been through ultrasonic testing knowledg
2、e of the study, ultrasound on the formation of principle, on the application of ultrasonic and discuss its principles and methods of detecting and looking forward to the development prospects of ultrasonic testing, and ultrasonic detection technology grasp the future direction of the application. Wh
3、ich gave a briefing on the use of ultrasound technology to PDC (PDC) to detect some of the initial experience, the use of ultrasound scanning A, C scanning method in the process of testing should pay attention to the problem were described; discussed the scroll wheel for the roll welder Ultrasonic i
4、nspection and modification to the method, principleKey words: ultrasonic testing PDC seam welding目录引言31 超声波应用范围42 超声波检测原理和方法52.1 超声波检测的原理52.1.1纵波（L波）52.1.2 横波（TV, TH 波或 SV, SH 波）52.1.3表面波（R波）62.1.4板波（Lamb波和Love波）62.2 超声波检测的方法62.2.1 超声传播检测法62.2.2 超声振动检测法73 举例说明超声波检测的原理和方法73.1金刚石复合片（PDC）的内部烧结质量问题3.1.1
5、 超声波检测原理773.1.2 试验与讨论83.2 缝焊的超声波检测3.2.1 滚焊机滚轮和超声波探头993.2.2 超声波检测原理93.2.3 超声波检测缝焊的讨论3.3 微控制器与超声波技术在汽车倒车检测系统中的应用3.3.1 倒车障碍检测系统对盲区内障碍物的探测1010103.3.2超声波传感器系统构成与工作程式（见图1所示）3.3.3 基于超声波微控制器技术的倒车障碍检测系统设计方案11123.3.4用微控制器作为检测系统的主控器133.3.5 超声波传感器的选择与参数3.3.6 有关提高倒车检测系统性能与精度的解决14154 超声检测的发展趋势4.1 超声检测在地下管道方面的发展趋势
6、4.2 激光超声检测技术在材料评价上的发展趋势161616结束语17引言物体的机械振动产生波，波的频率取决于物体的振动频率。频率范围在2X 1043X 108Hz 的波称为超声波。超声波是指频率在人耳听闻以上的在连续介质中传播的弹性波。人们最早 就从大自然中得到启示，利用超声波可以探测目标，如蝙蝠在黄昏时飞行自如而不撞击墙壁 和树木，海豚在水肿可以准确地跟踪捕捉目标，都是因为他们具有发射和接受超声波的功能。 后来，在航海中人们就用超声波探测冰山。早在1983年，FSavrt曾用齿轮，第一次产生2.4X104 Hz的超声。1876年FGalton用 气哨产生3X104 Hz的超声。1916年PL
7、angevin（朗芝凡）首次致力于研究水下超声作为侦察 手段。1927年RWWood和AELoomis首次发表对超声能量作用的实验报告，为今天称为 功率超声学奠定了基础。利用超声波探测物体内部的缺陷和结构醉枣是原苏联的Sokolov与1929年提出的。1931 年德国人在专利中提出了工业应用方案。在第二次世界大战中，由于雷达技术和脉冲技术的 发展以及战争的需要，大大促进了超声脉检测技术的发展。1944年美国的F.A.Firestone发表 采用超声脉冲法的探伤仪的报告，1946年英国D.O.Sproule制成A型脉冲反射式超声波探伤 仪，并用于钢材的探伤。到了本世纪50年代，A型脉冲反射式超声
8、探伤仪已广泛应用与世界 先进工业国家的钢铁、机械制造和造船工业领域。我国解放前超声学研究是个空白。超声学 研究始于1956年的12年科学规划。 1959年超声应用（探伤、加工、种子处理、显示、医疗 粉碎、乳化及染料等）取得了进展。在基础研究方面也有相当深度，如棒的声振动、超声乳 化和水中气泡的超声吸收问题；建立了分子声学实验设备，对驰豫吸收、悬浮体的声吸收进 行了系列研究；建立了固体中超声衰减的测量设备；对粘弹性和可压缩流体的声速进行了深 入研究。1965年开始了表面波换能器。进入80年代，我国超声学面向实际应用。B超医疗 开始投入生产；超声加工、超声研磨、超声焊接、超声清洗、超声催化与滤矿及
9、超声技术育 种等逐步开始形成一定规模的产业。压电复合换能器研制成功，窄脉冲短余振探头问世;PVDF 新颖压电薄膜换能器及超声显微镜获得实用；高频压电材料LiNbO3研制成功和走向实用。九 十年代以来，在中国科学院研究所与南京大学声学研究所相继批准建立了国家级重点实验室。 总之，我国的超声学研究获得了巨大的发展，有些方面已达到或接近国际先进水平。1 超声波应用范围超声检测技术是一种重要的无损检测技术，由于它的穿透能力，对材料和人体无损害， 使用方便等特点，广泛地应用于现代工业领域和高技术产业之中，注入材料工业、机械工业、 石油化工、水文地质和宇航、能源等领域。超声技术是学术界、工程界公认的高新技
10、术与未 来产业之一。超声技术研究和应用的范围，已从船舶、冶金、机械等扩大到二十多个工业部 门，并取得了很好的社会效益和经济效益。研究方向也是百家齐放，现在主要研究方向有： 超声波清洗、超声波焊接、超声加工、超声波分散、功率超声在治疗疾病中的应用等。在超 声波检测研究中，主要的研究内容为：检测超声参数测量技术、检测超声典型电路与微机信 号处理技术、超声波流量计、超声波测厚仪、超声波测漏仪、空气耦合超声换能器及其检测 应用、超声波探伤、超声波对浓度与声速的检测、超声对力和风速以及交通流量等的检测、 电力变压器（电抗器）局部放电超声检测与定位技术、水下超声定位与探测等等。2 超声波检测原理和方法超声
11、检测是指用超声波来检测材料和工件、并以超声检测仪作为显示方式的一种无损检 测方法,是现代工业中应用最为广泛的方法之一。2.1 超声波检测的原理超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律， 与可听声波的规律并没有本质 上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超 声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波 的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波 的波长越短，这一特性就 越显著.超声波在介质中产拨的波型取决与介质本身的固有特性和边界条件，对于流体介质（空 气、水等），当超声波传播时
12、，在介质中只有体积形变（即拉伸形变）而没有切变变形发生， 所以只存在超声纵波；在固态介质中，由于切变产生，故还存在超声横波（切变波）。2.11纵波（L波）当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相同时，此种超声波为纵波波型，以 L 表 示。任何介质当其体积产生交替变化时均产生纵波。由于纵波的产生和接受都较容易，在超 声无损检测中得到广泛应用。2.1.2 横波（TV, TH 波或 SV, SH 波）当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相会垂直时，此种超声波为横波波型，以 超声波入射的固体材料的界面为基准,横波又可分为垂直偏振和水平偏振两类,即 TV 波和 TH 波（或 SV 波和 SH 波）
13、。2.1.3表面波（R波）表面波是瑞利与 1887 年首先证实的，因此也称之为瑞利波。表面波是沿介质表面传播的一种波， 1）在表面波的传播中，介质边面内受扰动的质点 振动轨迹为一椭圆；2）距表面四分之一波长深处的振幅最强，随着深度的增加其振幅衰减很 快，实际上在表面一个波长以上的地方，振动已近消失。因此应用表面笔进行检测时，一般 只能发现介质表面下一个波长深度内的缺陷。对于近表面内的缺陷（如表面裂纹）则十分敏 感；3）超声波表面波在固态介质表面的传播速度小与介质体内超声横波的传播速度。2.1.4板波（Lamb波和Love波）板波也叫拉姆波，是板材特有的一种波型，它在板材厚度小于入射波波长时产生
14、。当一 块薄板粘贴在另一块不同固体材料上时，例如厚板表面上有一均匀薄层的情形，这时产生一 种纯横波，这种波叫做拉甫波。2.2 超声波检测的方法超声检测是利用超声波的众多特性（如反射和衍射），通过观察显示在超声检测仪上的有 关超声波在被检材料或工件中发生的传播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面是否存 在缺陷，从而在不破坏或不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。超声工业测量，则是利用代表待测介质的特性或状态的诸非声学量（如液体的密度、浓 度、粘度、流量、液位和固体的致密度、晶粒度或球化率、弹性、硬度、粘接强度、厚度、 应力及温度等）与描述介质声学特性的声学量（如声速、衰减、声阻抗
15、等）之间存在的关系 通过这些关系来测定分析介质的特性，评价介质质量和测出某些与工程有关的参量。研究超声检测技术中的声学问题，构成超声学的重要分支学科检测超声。超声检测 学科可分两大类：一类是利用超声波在介质中的传播特性而发展起来的超声传播检测法；另 一类是利用超声作用被检物体的振动特性而发展起来的振动检测法。在传播检测法中又可分 为主动式和被动式两类。超声检测是指用超声波来检测材料和工件、并以超声检测仪作为显示方式的一种无损检 测方法。超声检测是利用超声波的众多特性（如反射和衍射），通过观察显示在超声检测仪 上的有关超声波在被检材料或工件中发生的传播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面 是否存在缺陷，从而在不破坏或不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。超声波是频率大于20 kHz的一种机械波（相对于频率范围在20 Hz20 kHz的声波 而言）。超声检测用的超声波，其频率范围一般在0.25 MHz15 MHz之间。用于金属材 料超声检测的超声波，其频率范围通常在0.5 MHz10 MHz之间；而用于普通钢铁材料超 声检测的超声波，其频率范围通常为1 MHz5 MHz。超声波具有众多与众不同的特性，如：声束指向性好（能量集中）；声压声强大（能量 高），传播距离远；穿透能力强；在界面处会产生反射、透射（或折射）和波型转换，以及 产生衍射等。通常，超声检测采用了不同
