1、探讨超声波探伤原理及方法摘要：随着科学技术的飞速发展，一些先进的技术逐渐相互交融，相互借鉴。超声波是一种比较常见的机械波，科学界对其研究已经比较透彻，正将该项技术应用到各行各业中，在金属探伤中，将机械振动与波动联合在一起，作为物理的基础。在超声波探伤中，其使用的方法比较多，常见的就有脉冲反射法、衍射时差法，超声成像的方法从起步阶段至发展到现代，应用技术已经发展的比较成熟。本文立足专业理论知识，详细的探讨超声波探伤相关的原理，并在其基础上，对其各种的探伤方法实施分析。 关键词：机械波 超声波 金属探伤 原理基础 探伤方法 超声波是一种比较有强的穿透能，由于超声波能够在绝大多数的介质中进行有效地传
2、播，并且其传播过程中的能量的损失也比较少，而且距离也比较远，穿透性能力高强，在常见的金属材料中，它的穿透能力可达数米。 一、超声波探伤的原理 机械波主要参数有波长、频率和波速。同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长，波源或介质中任意一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离，常用单位为米（m） ；频率 f：波动过程中，任一给定点在 1 秒钟内所通过的完整波的个数称为频率，常用单位为赫兹（Hz） ；波速 C：波动中，波在单位时间内所传播的距离称为波速，常用单位为米，秒（m/s） 。次声波、声波和超声波都是在弹性介质中传播的机械波，在同一介质中的传播速度相同。它们的区别在主要在于频
3、率不同。频率在 20-20000Hz 之间的能引起人们听觉的机械波称为声波，频率低于 20Hz 的机械波称为次声波，频率高于 20000Hz 的机械波称为超声波。方向性好：超声波是频率很高、波长很短的机械波，在无损探伤中使用的波长为毫米级；超声波象光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，易于在被检材料中发现缺陷。能量高：由于能量（声强）与频率平方成正比，因此超声波的能量远大于一般声波的能量。能在界面上产生反射、折射和波型转换：超声波具有几何声学的上一些特点，如在介质中直线传播，遇界面产生反射、折射和波型转换等。 二、超声波探伤方法 超声检测方法分类的方式有多种，较常用的有如下几种：一是按原理分
4、类：脉冲反射法、衍射时差法（TOFD） 、穿透法、共振法。按照按显示方式分类：A 型显示和超声成像显示（可细分为 B、C、D、S、P 型显示等） 。三是按波型分类：纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。四是按探头数目分类：单探头法、双探头法、多探头法。五是按探头与试件的接触方式分类：接触法、液浸法、电磁耦合法。六是按人工干预的程度分类：手工检测、自动检测。 （一）按原理分类的超声检测方法 超声检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、衍射时差法。 1.脉冲反射法。超声波探头发射脉冲波到被检工件内，通过观察来自内部缺陷或工件底面反射波的情况来对试件进行检测的方法，称为脉冲反射法。脉冲反射法包括
5、缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。一是缺陷回波法。根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法，称为缺陷回波法。该方法以回波传播时间对缺陷定位，以回波幅度对缺陷定量，是脉冲反射法的基本方法。二是底波高度法。当工件的材质和厚度不变时，底面回波高度应是基本不变的。如果工件内存在缺陷，底面回波会下降甚至消失。这种依据底面回波的高度变化判断工件缺陷情况的检测方法，称为底波高度法。底波高度法的特点在于同样投影大小的缺陷可以得到同样的指示，而且不出现盲区，但是要求被检工件的检测面与底面平行，耦合条件一致。该方法检出缺陷定位定量不便，灵敏度较低，因此，实用中很少作为一种独立的检测方法，而是经常作为一种辅助
6、手段，配合缺陷回波法发现某些倾斜的、小而密集的缺陷，对于锻件采用直探头纵波检测法时常使用，如由缺陷引起的底波降低量。三是多次底波法。当透入工件的超声波能量较大，而工件厚度较小时，超声波可在检测面与底面之间往复传播多次，示波屏上出现多次底波B1、B2、B3、。如果工件存在缺陷，则由于缺陷的反射以及散射而增加了声能的损耗，底波回波次数减少，同时也打乱了各次底面回波高度依次衰减的规律，并显示出缺陷回波。这种依据多次底面回波的变化，判断工件有无缺陷的方法，称为多次底波法。 多次底波法主要用于厚度不大、形状简单、检测面与底面平行的工件检测，缺陷检出的灵敏度低于缺陷回波法。 2.衍射时差法。衍射时差法，是
7、利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式，该方法最早于 20 世纪 70 年代由英国原子能管理局国家无损检测研究中心的哈威尔实验室的 M.G，Silk 根据超声波衍射现象首先提出来的。缺陷处的衍射现象如图所示。 衍射现象是 TOFD 技术采用的基本物理原理。衍射现象的解释：波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，根据惠更斯原理，媒质上波阵面上的各点，都可以看成是发射子波的波源，其后任意时刻这些子波的包迹，就是该时刻新的波阵面。 TOFD 工作原理。TOFD 技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。
8、发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。 TOFD 方法一般将探头对称分布于焊缝两侧。在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，因为声速小于纵波，因而一般会迟与底面反射波到达接收探头。 （二）超声成像方法 超声成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。由于声波可以穿透很多不透光
9、的物 故利用声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息，超声成像技术将这些信息变成人眼可见的图像，即可以获得不透光物体内部声学特性分布的图像。物体的超声图像可提供直观和大量的信息，直接显示物体内部情况，且可靠性、复现性高，可以对缺陷进行定量动态监控。一般而言，超声成像方法是基于 A 型显示形成的工件不同截面的图像显示，大都具有自动数据采集、自动数据处理和自动作出评价的功能。 超声成像方法发展到现代，主要采用扫描接收信号、再进行图像重构的方式，因此又称为超声扫描成像技术，起初主要为 B、C 扫描成像，随后为检测焊缝而开发出 D、P 扫描（投影扫描成像） ；因为相控阵技术的出现，又出现 S 扫描（扇形扫描成像）等。 进入 21 世纪，科学技术发展越来越朝向服务人类生活，为降低生产成本，提高生产效率，超声波探伤技术在材料工业中正发挥着重大作用。在材料工业中，超声波探伤技术在实践过程具有较高精确性。材料工业中的超声波探伤技术是一种高效工艺，在应用中比较广泛。
