1、1超声波探伤的基本原理无 损 探 伤 是 在 不 损 坏 工 件 或 原 材 料 工 作 状 态 的 前 提 下 ， 对 被 检 验 部 件 的 表 面 和 内 部 质 量 进 行 检查 的 一 种 测 试 手 段 。 无 损 检 测 ： Nondestructive Testing（ 缩 写 NDT）常 用 的 探 伤 方 法 有 哪 些 ？无 损 检 测 方 法 很 多 据 美 国 国 家 宇 航 局 调 研 分 析 ， 认 为 可 分 为 六 大 类 约 70 余 种 。 但 在 实 际 应用 中 比 较 常 见 的 有 以 下 几 种 ： 常 规 无 损 检 测 方 法 有 ： 超 声
2、 检 测 Ultrasonic Testing（ 缩 写 UT） 射 线 检 测 Radiographic Testing（ 缩 写 RT） ； 磁 粉 检 测 Magnetic particle Testing（ 缩 写 MT） ； 渗 透 检 验 Penetrant Testing （ 缩 写 PT） ； 涡 流 检 测 Eddy current Testing（ 缩 写 ET） ； 非 常 规 无 损 检 测 技 术 有 ： 声 发 射 Acoustic Emission（ 缩 写 AE） ； 泄 漏 检 测 Leak Testing（ 缩 写 UT） ； 光 全 息 照 相 Optic
3、al Holography； 红 外 热 成 象 Infrared Thermography； 微 波 检 测 Microwave Testing超 声 波 探 伤 的 基 本 原 理 是 什 么 ？超 声 波 探 伤 仪 的 种 类繁 多 ， 但 在 实 际 的 探 伤 过 程 ， 脉 冲 反 射 式 超 声 波 探 伤 仪 应 用 的 最 为 广 泛 。 一 般 在 均 匀 的 材 料 中 ，缺 陷 的 存 在 将 造 成 材 料 的 不 连 续 ， 这 种 不 连 续 往 往 又 造 成 声 阻 抗 的 不 一 致 ， 由 反 射 定 理 我 们 知 道 ，超 声 波 在 两 种 不 同
4、 声 阻 抗 的 介 质 的 交 界 面 上 将 会 发 生 反 射 ， 反 射 回 来 的 能 量 的 大 小 与 交 界 面 两 边 介质 声 阻 抗 的 差 异 和 交 界 面 的 取 向 、 大 小 有 关 。 脉 冲 反 射 式 超 声 波 探 伤 仪 就 是 根 据 这 个 原 理 设 计 的 。A 扫 描 方 式所 谓 A 扫 描 显 示 方 式 即 显 示 器 的 横 坐 标 是 超 声 波 在 被 检 测 材 料 中 的 传 播 时 间 或 者 传 播 距 离 ， 纵坐 标 是 超 声 波 反 射 波 的 幅 值 。 2在 一 个 钢 工 件 中 存 在 一 个 缺 陷 ，
5、由 于 这 个 缺 陷 的 存 在 ， 造 成 了 缺 陷 和 钢 材 料 之 间 形 成 了 一 个 不同 介 质 之 间 的 交 界 面 ， 交 界 面 之 间 的 声 阻 抗 不 同 ， 当 发 射 的 超 声 波 遇 到 这 个 界 面 之 后 ， 就 会 发 生 反射 ,反 射 回 来 的 能 量 又 被 探 头 接 受 到 ， 在 显 示 屏 幕 中 横 坐 标 的 一 定 的 位 置 就 会 显 示 出 来 一 个 反 射 波的 波 形 ， 横 坐 标 的 这 个 位 置 就 是 缺 陷 在 被 检 测 材 料 中 的 深 度 。 这 个 反 射 波 的 高 度 和 形 状 因
6、不 同 的 缺陷 而 不 同 ， 反 映 了 缺 陷 的 性 质 。 具 体 技 术 指 标 见 （ 表 1） 。 B 扫 描 方 式在 扫 描 图 像 以 二 维 图 像 显 示 ， 如 北 京 德 润 丰 科 技 有 限 责 任 公 司 研 制 的 TDM 系 列 智 能 全 数 字 超 声 波 探 伤 仪超 声 波 探 伤 与 X 射 线 探 伤 相 比 较 有 何 优 缺 点超 声 波 探 伤 比 X 射 线 探 伤 具 有 较 高 的 探 伤 灵 敏 度 、 周 期 短 、 成 本 低 、 灵 活 方 便 、 效 率 高 ， 对 人 体 无 害 等 优点 ； 缺 点 是 对 工 作
7、表 面 要 求 平 滑 、 要 求 富 有 经 验 的 检 验 人 员 才 能 辨 别 缺 陷 种 类 、 对 缺 陷 没 有 直 观 性 ； 超 声 波 探 伤 适 合 于 厚 度 较 大 的 零 件 检 验超 声 波 探 伤 的 主 要 特 性 有 哪 些 ？（ 1） 超 声 波 在 介 质 中 传 播 时 ， 在 不 同 质 界 面 上 具 有 反 射 的 特 性 ， 如 遇 到 缺 陷 ， 缺 陷 的 尺 寸 等于 或 大 于 超 声 波 波 长 时 ， 则 超 声 波 在 缺 陷 上 反 射 回 来 ， 探 伤 仪 可 将 反 射 波 显 示 出 来 ； 如 缺 陷 的 尺 寸甚 至
8、 小 于 波 长 时 ， 声 波 将 绕 过 射 线 而 不 能 反 射 ； （ 2） 波 声 的 方 向 性 好 ， 频 率 越 高 ， 方 向 性 越 好 ， 以 很 窄 的 波 束 向 介 质 中 辐 射 ， 易 于 确 定 缺 陷的 位 置 . （ 3） 超 声 波 的 传 播 能 量 大 ， 如 频 率 为 1MHZ（ 1 兆 赫 兹 ） 的 超 生 波 所 传 播 的 能 量 ， 相 当 于 振 幅相 同 而 频 率 为 1000HZ（ 赫 兹 ） 的 声 波 的 100 万 倍 .超 探 仪 的 作 用 及 主 要 应 用 行 业超 探 仪 是 一 种 便 携 式 工 业 无 损
9、 探 伤 仪 器 ， 它 能 够 快 速 便 捷 、 无 损 伤 、 精 确 地 进 行 工 件 内 部 多 种 缺 陷 （ 焊 缝 、裂 纹 、 夹 杂 、 折 叠 、 气 孔 、 砂 眼 等 ） 的 检 测 、 定 位 、 评 估 和 诊 断 。 既 可 以 用 于 实 验 室 ， 也 可 以 用 于 工 程 现 场 。 本仪 器 能 够 广 泛 地 应 用 在 制 造 业 、 钢 铁 冶 金 业 、 金 属 加 工 业 、 化 工 业 等 需 要 缺 陷 检 测 和 质 量 控 制 的 领 域 ， 也 广 泛 应用 于 航 空 航 天 、 铁 路 交 通 、 锅 炉 压 力 容 器 等
10、领 域 的 在 役 安 全 检 查 与 寿 命 评 估 。 它 是 无 损 检 测 行 业 的 必 备钢中横波声场半扩散角 上和 下的计算二十年来呼吁的一个问题锅炉压力容器 UT 教材对钢中横波声场半扩散角 上和 下的计算，一直采用了下列方法，即 上= 上- 下=- 下而 上=a+b ； 下=a-b 。而 a 和 b 各有一个复杂、我至今也弄不明白的公式。二十多年来，我一直呼吁使用通俗易懂的方法来计算这类问题，但因人微言轻，始终未得到有关专家重视，现将对资料1第 56 页(资料2第 68 页)一个例题，用我使用方法的求解过程发表出来，希望得到专家重视。如有错误，请指正。1 例题 3用 2.5M
11、Hz、12mm、K2 横波斜探头检测钢制工件，已知有机玻璃纵波声速Cl1=2730m/s，钢中横波声速 Cs2=3230m/s，求钢中横波声场的半扩散角。2 我的解法K2 探头的折射角 =tg-12=63.4 度，它的入射角 =sin-1(2.73/3.23)Xsin63.40=49.1 度有机玻璃中的纵波波长 =2.73mm/2.5=1.09mm纵波在有机玻璃中的第一零值半扩散角：o=70X/D=70X1.09/12=6.36 度纵波前沿波线(前零值半扩散角边缘波线)入射角 前=+o=49.1 度+6.36 度=55.46 度它对应的折射角 上=sin-1(3.23/2.73)Xsin55.
12、46 度=77 度纵波后沿波线(后零值半扩散角边缘波线)入射角 后=-o=49.1-6.36=42.74 度它对应的折射角 下=sin-1(3.23/2.73)Xsin42.74 度=53.4 度因此： 上= 上-=77 度-63.4 度=13.6 度 下=- 下=63.4 度-53.4 度=10 度而资料1和2的答案均是： 上=13.8 度； 下=10 度3 结论1)上述解题方法，使用了简单的折射定律，推理逻辑准确，易懂好记。计算结果与流行公式相比，从理论严密性上讲，应该更准确。2)退一步说，既使是流行公式较准确，如此小的误差也应该是允许的。3)TOFD 法中，因取值-6dB、-12dB 不
13、同，而 F 因子不同，可算出的不同半扩散角，从而确定出不同的 前和 后，利用折射定律，计算对应的 上和 下，也是很方便的。4超声波检测中常规探头和 TOFD 探的区超声波检测中常规探头和 TOFD 探的区TOFD 技术所用的探头于常规脉冲反射技术使用的超声波检测探头不同，TOFD 不要求小的扩散角和好的声束指向性，恰恰相反，为了使检测速度的提高并且有利于衍射的发生，经常采用小尺寸晶片的大扩散角探头，由于反射信号不衍射信号强很多。因此要求 TOFD 探头有很好的接受和发射性能。为了提供深度方向的分辨力，TOFD 探头应该具有在脉冲特性和宽频带特性，并且需要选择合适的脉冲来激励探头上图是 TOFD
14、 技术使用的典型的超声探头，一个压电传感器安装在有机玻璃或其他类似材料的楔块上组成探头。压电传感器大多采用复合材料。晶片尺寸从 3mm 至 20mm。应用频率一般在 1MHz 以上，最高可达到 15MHz。楔块设计保证在金属中产生一定角度的纵波。典型的角度是 45 度，60 度和 70 度。探头设计有螺纹结构以便与不同的楔块连接。为了使超声波能够在探头和楔块中进行传播，需要在二者间添加耦合剂。这种设计的缺点是经历一段时间后耦合剂会变干，这时需要重新添加耦合剂。一般使用的 TOFD 探头的频率范围是 1MHz-15MHz，晶片尺寸范围是 3mm -20mm，通过楔块在钢铁中形成45至 70的不同
15、角度的折射纵波。5上图所示为频率 5MHz，晶片直径 6mm，纵波折射角 60的 TOFD 探头在钢中的模拟声场分布。由图可以看出该纵波探头声场特点:1、纵波与横波同时存在。由于 TOFD 技术采用纵波检测，探头折射角小于第一临界角。这样在探头声场中，同时存在纵波与横波。设钢中纵波声速为 5950m/s，横波声速为 3230m/s，根据 SNELL 公式可以算出，该探头的横波折射角为 28。2、大扩散角和宽波束。由图可见，该探头纵波具有很宽的波束。通过计算可以求出，该探头在钢中声压下降 12dB 的波束上边界角为 90，下边界角为 45.7。3、图中用灰度表示声场强度，可以看出，横波声场的强度
16、比纵波大的多。声波是横波还是纵波，为什么有一个判断横波纵波的简单办法:如果横波只能通过固体传播 ,纵波可以通过固体液体气体传播.声音明显可以通过空气传播,所以应该是纵波. “声源”在空气中振动时，一会儿压缩空气，使其变得“稠密”；一会儿空气膨胀，变得“稀疏”，形成一系列疏、密变化的波，将振动能量传送出去。这种媒介质点的振动方向与波的传播方向一致的波，称为“ 纵波 ”。不过要注意，声波虽然一般是纵波，但在固体中传播时，也可以同时有纵波及横波，横波速度约为纵波速度的 50 60。在空气中的声波是纵波，原因是气体或液体（合称流体）不能承受切力，因此声波在流体中传播时不可能为横波；但固体不仅可承受压（张）应力，也可以承受切应力，因此在固体中可以同时有纵波及横波。地震波其实就是在地壳中传播的声波（确切讲是次声波），只是它的频率通常不在我们可听闻的范围内（某些动物则听闻得到）。
