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1、2.1利用声学特性的无损检测技术2.1.1超声波检测技术什么是超声波？超声波有什么特性？声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz2KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波， 高于2KHz则称为超声波。一般把频率在2KHz到25MHz范围的声波叫做超声波。它是由机械振动源在弹性 介质中激发的一种机械振动波，其实质是以应力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传 递机械振动的弹性介质（实际上包括了几乎所有的气体、液体和固体），它能透入物体内部并可以在物体 中传播。利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的 变化，可以测知许多物体
2、的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等，因此是应用最广泛的一种重要的无损 检测技术一超声检测技术。例如用于医疗上的超声诊断（如B超）、海洋学中的声纳、鱼群探测、海底形 貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混 凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定等等。超声波具有如下特性：1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2）超声波可传递很强的能量。3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。4）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击（基 于“空化现象”）一从而引出了“功
3、率超声应用“技术一例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声 波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。5）利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。工业无损检测技术中应用的超声波检测（Ultrasonic Testing,简称UT）是无损检测技术中发展最快、应 用最广泛的无损检测技术，占有非常重要的地位。在超声波检测技术中用以产生和接收超声波的方法最主要利用的是某些晶体的压电效应，即压电晶体（例 如石英晶体、钛酸钡及锆钛酸铅等压电陶瓷）在外力作用下发生变形时，将有电极化现象产生，即其电荷 分布将发生变化（正压电效应），反之，当向压电晶体施加电荷时，压电晶体将会发生应变，亦
4、即弹性变 形（逆压电效应）。因此，利用压电晶体制成超声波换能器（探头），对其输入高频电脉冲，则探头将以 相同频率产生超声波发射到被检物体中去，在接收超声波时，探头则产生相同频率的高频电信号用于检测 显示。除了利用压电效应以外，在某些情况下也利用磁致伸缩效应（强磁材料在磁化时会发生变形的现象，可用 作振源或用于应变测量），也有利用电动力学方法（例如本章后面叙述的电磁-声或涡流-声方法）。 超声波在弹性介质中传播时，视介质支点的振动型式与超声波传播方向的关系，可以把超声波分为以下几 种波型：（1）纵波（Longitudional Wave，简称L波，又称作压缩波、疏密波）-纵波的特点是传声介质的质
5、点振 动方向与超声波的传播方向相同（见右图所示）（2）横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简称T波，也称为切变波或剪切波）-横 波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直，并且视质点振动平面与超声波传播方向的 关系又分为垂直偏振横波（SV波，这是工业超声检测中最常应用的横波）和水平偏振横波（SH波，也称 为Love Wave-乐甫波，实际上就是地震波的震动模式）（见下左图所示）纵波测头中的传感器杆一端和一个大质量刚体固定在一起，另一端镶有金刚石压头，当压头与试件不接触 时（左图a），压头处于自由状态。在形成纵向振动后，传感器杆的固定端是振动的
6、波节点，压头端由于 振幅最大而成为振动的波腹点，因此杆的长度等于振动波长的1/4,此时的频率是传感器处于自由状态下 的谐振频率。当传感器的压头端完全被试件与大质量刚体紧固地夹住时（左图c）,这是理想情况下，传感器杆的两端 都将成为振动的波节点，则杆的长度等于振动波长的1/2,这时的谐振频率等于压头端处于自由状态时起 始频率的两倍。当压头被压到试件上，一般是介于上述两者之间（左图1）,在固定负荷作用下，对于弹性模量相同的试 件来说，若试件的硬度越低，则压头与其表面的接触面积愈大，使传感器杆的压头端被夹紧的程度也愈大， 于是此端振动幅度也愈小，相应的振动波腹点愈向杆的固定端方向移动，因此振动波长就
7、愈小，即杆的谐 振频率也就愈高。通过测量传感器杆谐振频率的变化，就可确定试件的硬度。试件的弹性模量不同，也会影响接触面积的大小，即影响传感器杆谐振频率的变化。因此，超声硬度试验 法是一种比较测量的方法，需要以弹性模量和被测试件相同的试块作为校准试块来消除这种影响。在测头中有一个具有磁致伸缩效应的传感器杆，一端焊到一个钢圆柱体上，此圆柱体质量要比传感器大得 多，另一端镶有136金刚石角锥压头，激励线圈绕在传感器杆上，在靠近传感器杆与圆柱体的连接处固定 上压电晶体片。传感器杆作为一个机械谐振子，插入到激励放大器的反馈电路中，在激励线圈的 作用下，使传感器杆 产生纵向超声振动，由压电晶片检出这个信号
8、，正反馈到激励放大器的输入端，构成一个自激振荡器，其 振荡频率就是传感器杆的谐振频率，反映了试件的硬度。从激励放大器输出一个信号，馈送到脉冲电路中，形成一个重复频率，是上述振荡频率1/2的方波脉冲， 经脉冲功率放大器放大，启动鉴频器。在鉴频器中，把反映不同硬度的频率变化转换成直流电流的变化， 然后用一个直接用硬度单位标度的直流微安表指示出来。在硬度刻度事先用标准试块校准后，就可从指示 表上直接读出试件的硬度值。作为该型超声硬度计还采用充电装置来直接由220V交流电对电池组充电，用稳压器消除工作过程中电池 组电压下降对示值稳定性的影响。按照目前的电子技术发展而言，以上的超声硬度计应该可以实现数字
9、化，从而进一步提高测量的精度、稳 定性与可靠性。超声检测技术应用的方法是多种多样的，并且还在不断探索和发展新的应用方法和开拓新的应用领域，如 现在已经发展的超声频谱分析法，这是根据超声反射回波的频谱特性分析，用以检查评估材料的显微组织 形态，评估缺陷的形状、种类和性质，以及评定胶接结构的胶接质量等等。此外还有超声波计算机层析扫 描技术、超声全息技术等等。特别应该指出，随着计算机技术的飞跃发展，超声检测信号的数字化处理、 分析与显示，更为超声检测技术的应用与拓展提供了更大的空间，具有很大的发展潜力。横波乐甫波瑞利波（3）表面波（Surface Wave）-在工业超声检测中应用的表面波主要是指超声
10、波沿介质表面传递，而传 声介质的质点沿椭圆形轨迹振动的瑞利波（Rayleigh Wave，简称R波，如左图所示），瑞利波在介质上 的有效透入深度只有一个波长的范围，因此只能用于检查介质表面的缺陷，不能像纵波与横波那样深入介质内部传播，从而可以检查介质内部的缺陷。此外，水平偏振横波（SH波，也称为Love Wave-乐 甫波）也是一种沿表面层传播的表面波，实际上就是地震波的振动模式，不过目前在工业超声检测中尚未 获得实际应用。（4）兰姆波（Lamb Wave）-这是一种由纵波与横波叠加合成，以特定频率被封闭在特定有限空间时产生 的制导波（guide Wave）。在工业超声检测中，主要利用兰姆波来
11、检测厚度与波长相当的薄金属板材，因 此也称为板波（Plate Wave，简称P波）。兰姆波在薄板中传递时，薄板上下表面层质点沿椭圆形轨迹振 动，而薄板中层的质点将以纵波分量或横波分量形式振动，从而构成全板振动，这是兰姆波检测的显著特 征。根据薄板中层的质点是以纵波分量或横波分量形式振动，可以分为S模式（对称型）和A模式（非对 称型）两种模式的兰姆波（如右图所示）。在细棒和薄壁管中也能激发出兰姆波，此时称为扭曲波、膨胀波等。除了上述四种主要的应用波型外，现在已经发展应用的还有头波（Head Wave）和爬波（Creeping Long it udional Wave，又称作爬行纵波），特别是后者
12、能够以纵波的速度在介质表面下传递，适合用于检测表 面特别粗糙，或者表面存在不锈钢堆焊层等情况下的近表层缺陷检测。超声波在介质中的传播速度C （与介质、波型等有关）、振动频率f （单位时间内完成全振动的次数，以 每秒一次为1个赫兹-Hz）和超声波的波长入（超声波完成一次全振动时所传递的距离）三者有如下关系： C=Nf应当注意在不同介质中以及不同的超声波波型具有不同的传播速度。超声波具有波长短、沿直线 传播（在许多场合可应用几何声学关系进行分析研究）、指向性好，能在固体中传播，并能进行波型转换 等特点，其传播特性包括反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振、声速等多种变化，因此其适用范围非常 广泛，包括
13、了金属、非金属，锻件、铸件、焊接件、型材、胶接结构与复合材料、紧固件等等。超声波检 测的优点是穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，能即时知道检测结果（实时检测），能实现 自动化检测和实现永久性记录，在缺陷检测中对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感等等。超声波检测的缺 点是通常需要耦合介质使声能透入被检物，需要有参考评定标准，特别是显示的检测结果不直观，因而对 操作人员的技术水平有较高要求等等，此外，对于小而薄或者形状较复杂，以及粗晶材料等的工件检测还 存在一定困难。下面以超声波的传播特性为线索来分别叙述其应用。2.1.1.1超声波的反射与折射特性 在弹性介质中传播的超声波遇到异质界面时会发
14、生反射与折射，并有波型转换发生。在超声波检测中利用超声波在界面上的折射特性主要用于达到波型转换的目的，例如把一般压电晶体产生 的纵波转换成横波、瑞利波、兰姆波等，以适应不同工件及不同情况下的检测，其转换条件与界面两侧解 职的声速比（折射率）和入射、折射角度（正弦函数）相关：sina/C1=sinB/C2（见右图所示：a为入 射角，C1为第一介质中入射超声波的速度；B为反射或折射角，C2为在第一介质中反射或者在第二介质 中折射超声波的速度。在相同介质中相同波型有相同的波速，因此对于L反的反射角B与L的入射角a 相同，在同一介质中横波的速度小于纵波速度，因此对于反射横波S反的反射角B小于L的入射角
15、a； 从折射情况来看，也同样是由于在同一介质中横波的速度小于纵波速度，因此折射横波S折的折射角小于 折射纵波L折的折射角，上面所述的数学式也称为斯涅尔定律-折射定律）。在超声波检测中利用超声波的反射特性主要用于探测材料中的缺陷。下面以最常用的A型显示（波形显示） 的超声脉冲反射法探测为例： 超声波反射与折射时的波型转换超声脉冲反射法检测原理示意图超声波探伤仪的咼频脉冲电路产生咼频脉冲振荡电流施加到超声换能器（探头）中的压电晶体上，激发 出超声波并传入被检工件，超声波在被检工件中传播时，若在声路（超声波的传播路径）上遇到缺陷（异 质）时，将会在界面上产生反射，反射回波被探头接收转换成高频脉冲电信
16、号输入探伤仪的接收放大电路， 经过处理后在探伤仪的显示屏上显示出与回波声压大小成正比的回波波形（图形），根据显示的回波幅度 大小可以评估缺陷大小，显示屏上的水平扫描线（时基线）可以调整为与超声波在该介质中传播时间（距 离）成正比（俗称“定标”），然后就可以根据回波在显示屏水平扫描线上的位置判定缺陷在工件中的位 置。利用工件底面回波在水平扫描线上的位置，还可用于测定工件的厚度（如左图所示）。超声波所占的空间称为超声场，其结构如下右图所示，它包括近场（N为近场长度）和远场两个部分。在 近场区中的声压分布是不均匀的，而在远场区中的声压则随着距离的增大呈单调下降变化。近场区的长度 与换能器的晶片直径和超声波的波长有关，在近场区的超声波束呈收敛状态，在近场区末端，亦即从近场区进入远场区的过渡点上声束直径最小（故也将此点称作自然焦点） 进入远场区后声束将以一定角度发散，声束边缘的斜度以半扩散角&th et a;
