1、目录摘要1ABSTRACT2引言31、超声波411超声波检测的原理412超声波检测的应用62超声波探伤721超声波探伤仪工作原理722超声波探伤可靠性的实现723超声波探伤稳定性的实现824AVG线图的应用1025超声波探伤仪的发展简史123空气耦合式超声波检测1531空气耦合式超声波检测技术的主要困难1532空气耦合式超声波检测技术的发展概况1533存在的主要问题1734展望17结束语18参考文献19致谢201摘要超声波检测浙江海洋学院数理与信息学院浙江舟山316000摘要超声波检测是指用超声波来检测材料和工件，并以超声波检测仪作为显示方式的一种无损检测方法。选用超声波作为检测的原因是因为超
2、声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。其次，超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射，且在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断
3、缺陷在工件重的深度、位置和形状。本文主要介绍超声波探伤技术原理、方法及其性能，并介绍超声波探伤仪的发展。了解一种超声波检测技术空气耦合式超声波检测技术，了解它发展存在的问题困难以及发展概况。关键词超声波；超生波检测；超声波检测设备；超声波检测技术2UITRASONICTESTINGWENLIANGKESCHOOLOFMATHEMATICS,PHYSICSULTRASONICTESTINGEQUIPMENTULTRASONICWAVEULTRASONICINSPECTIONTECHNIQUE3引言超声波检测是指用超声波来检测材料和工件，并以超声波检测仪作为显示方式的一种无损检测方法。工业上无损检
4、测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。超声波是频率大于20KHZ的一种机械波（相对于频率范围在20HZ20KHZ的声波而言）。超声波检测用的超声波，其频率范围一般在025MHZ15MHZ之间。用于金属材料超声波检测的超声波，其频率范围通常在05MHZ10MHZ之间；而用于普通钢铁材料超声波检测的超声波，其频率范围通常为1MHZ5MHZ。超声波是频率高于20千赫的机械波。在超声探伤中常用的频率为055兆赫。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质
5、界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等
6、特性。本文主要介绍超声波检测的原理、应用以及发展。简单介绍超声波探伤技术原理、方法及其性能，并介绍超声波探伤仪的发展。了解一种超声波检测技术空气耦合式超声波检测技术，了解它发展存在的问题困难以及发展概况。4正文1超声波我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。人类耳朵能听到的声波频率为2020，000赫兹。因此，当物体的振动超过一定的频率，即高于人耳听阈上限时，人们便听不出来了，这样的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为15兆赫。超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距，测速，清洗，
7、焊接，碎石等虽然说人类听不出超声波，但不少动物却有此本领。它们可以利用超声波“导航”、追捕食物，或避开危险物。大家可能看到过夏天的夜晚有许多蝙蝠在庭院里来回飞翔，它们为什么在没有光亮的情况下飞翔而不会迷失方向呢原因就是蝙蝠能发出210万赫兹的超声波，这好比是一座活动的“雷达站”。蝙蝠正是利用这种“雷达”判断飞行前方是昆虫，或是障碍物的。人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年，
8、奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。11超声波检测的原理超声波检测是指用超声波来检测材料和工件、并以超声波检测仪作为显示方式的一种无损检测方法。工业上无损检测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。超声波是频率大于20KHZ的一种机械波（相对于频率范围在20HZ20KHZ的声波而言）。超声波检测用的超声波，其频率范围一般在025MHZ15MHZ之间。用于金属
9、材料超声波检测的超声波，其频率范围通常在05MHZ10MHZ之间；而用于普通钢铁材料超声波检测的超声波，其频率范围通常为1MHZ5MHZ。超声波是频率高于20千赫的机械波。在超声探伤中常用的频率为055兆赫。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器
10、放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。利用超声法检测材料的物5理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。通常，超声波检测采用了不同的技术按波源不同可分为连续波、脉冲波；按波型不同可分为纵波、横波、表面波、板波、爬波；按接收方式不同可分为回波（反射）、穿透；按耦合方式不同可分为接触式、液浸式；按探头数不同可分为单探头、双探头、多探头。脉冲回波探伤法通常用于锻件、焊缝及铸件等的检测。可发现工件内部较小的裂纹、夹渣、缩孔、未焊
11、透等缺陷。被探测物要求形状较简单，并有一定的表面光洁度。为了成批地快速检查管材、棒材、钢板等型材，可采用配备有机械传送、自动报警、标记和分选装置的超声探伤系统。除探伤外，超声波还可用于测定材料的厚度,使用较广泛的是数字式超声测厚仪,其原理与脉冲回波探伤法相同，可用来测定化工管道、船体钢板等易腐蚀物件的厚度。利用测定超声波在材料中的声速、衰减或共振频率可测定金属材料的晶粒度、弹性模量见拉伸试验、硬度、内应力、钢的淬硬层深度、球墨铸铁的球化程度等。此外，穿透式超声法在检验纤维增强塑料和蜂窝结构材料方面的应用也已日益广泛。超声全息成象技术也在某些方面得到应用。超声波检测法的优点是穿透能力较大，例如在
12、钢中的有效探测深度可达1米以上对平面型缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小；设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验。缺点是不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因易产生杂乱反射波而较难应用。此外，超声波检测还要求有一定经验的检验人员来进行操作和判断检测结果。超声波检测主要用于探侧试件的内部缺陷，它的应用十分广泛。超声波检测属于反射波检测法，即根据反射波的强弱和传播时间来判断缺陷的大小和位置。超声波检测的频率范围为0425MHZ，其中用得最多的是15MHZ。按
13、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。目前用得最多的是A型显示探伤法。按探伤波型分类，脉冲反射法大致可分为直射探伤法（纵波探伤法）、斜射探伤法（横波探伤法）、表面波探伤法和板波探伤法4种。用的较多的是纵波和横波探伤法。按探伤时使用的探头数目分有单探头法，双探头法，多探头法3种。用得最多的是单探头法。按接触方法分类有直接接触法和水浸法两种。直接接触法的操作要领是，在探头和试件表面之间涂上耦合剂，以消除空隙，让超声波能顺利地进入被检工件。耦合剂可6以用机油、水、甘油或水玻璃等。用水浸法时，探
14、头和试件之间有水层，超声波通过水层传播，受表面状态影响不大，可以进行稳定的探伤。12超声波检测的应用超声波检测可应用于对接焊缝、角焊、板材、管材、棒材、锻件，以及复合材料等；对面积型缺陷的检出率较高，对体积型缺陷的检出率较低；适宜检测厚度较大的工件，检测成本较低、速度快、检测仪器携带方便。其局限性在于无法得到缺陷直观图象、定性困难，定量精度不高；检测结果无直接见证记录；且对材质、晶粒度有一定要求。无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。当今世界各发达国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用,日本最近制定的21世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术
15、中,把无损检测放在十分重要的位置。超声检测是一种重要的无损检测技术,由于它的穿透能力强、对人体无害,已较广泛应用于工业及高技术产业中。近期召开的国际与全国性无损检测学术会议上,超声检测方面含声发射的论文数量都几乎占到总数的一半,成为学术研究的活跃分支。十余年来推动超声检测发展的主要因素是工业生产中的质量意识不断提高以及在役设备寿命预测技术的要求。诸如复合材料和精细陶瓷等新材料的应用,使传统的超声检测方法遇到障碍,促使人们探索采用若干特殊的超声检测途径。微机技术的3国家自然科学基金批准号19574039及19604010与国家教委跨世纪优秀人才培养计划项目突飞进带动了传统超声检测技术水平的提高,
16、使其获得的结果更直观可靠,还能方便地以二维或三维形式成象。现代信息科学为超声检测的发展注入了新的活力,由此可对一些复杂的检测信号与过程作出迅速有效的提取与解读。特殊的构件对超声检测提出了非接触的要求,促使超声检测从换能方法上有了新的突破。超声波检测在医学上也有应用。人耳的听觉范围有限度，只能对1620000赫兹的声音有感觉，20000赫兹以上的声音就无法听到，这种声音称为超声。和普通的声音一样，超声能向一定方向传播，而且可以穿透物体，如果碰到障碍，就会产生回声，不相同的障碍物就会产生不相同的回声，人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕上，可以用来了解物体的内部结构。利用这种原理，人们将超声波用
17、于诊断和治疗人体疾病。在医学临床上应用的超声诊断仪的许多类型，如A型、B型、M型、扇形和多普勒超声型等。B型是其中一种，而且是临床上应用最广泛和简便的一种。通过B超可获得人体内脏各器官的各种切面图形比较清晰。B超比较适用于肝、胆肾、膀胱、子宫、卵巢等多种脏器疾病的诊断。B超检查的价格也比较便宜，又无不良反应，可反复检查。当我们去医院看病的时候，经常会碰到医生在诊治之初，就要求作一次B超检查。所谓的B超就是超声波的B型显示切面成像方法的简称。72超声波探伤超声波探伤是无损检验的一种方法。常用探伤方法有接触法、液浸法、反射法、穿透法。广泛用于锅炉、高压容器、船舶、航空、航天、铁路、桥梁建筑、化工机
18、械、冶金、原材料等非破坏性检测。优点是灵敏度高、穿透力强、探伤灵活、仪器轻便、效率高、成本低,对人体无害。超声波探伤可把探伤工作做得更快、更准确、更可靠。可靠是非常重要的,是一切检测工作的生命线,不可靠的检测可能比没有检测更危险。21超声波探伤仪工作原理发射部分定时重复产生激励电脉冲。激励电脉冲的幅度一般为几百伏到一千多伏。它经压电换能器转换为超声脉冲。超声脉冲在被检测工件中传播、反射。反射脉冲传到接收换能器被转换成电脉冲,传给探伤仪的接收部分。由于接收到的电脉冲可能很强,也可能很弱,故接收部分既能用衰减器把强信号减弱到几万分之一,也能用放大器把弱信号放大几万倍。接收部分把这些脉冲放大或衰减后
19、,传给显示部分显示在荧光屏上。在荧光屏上,横坐标与声波传播时间成正比,纵坐标与脉冲幅度成反比。原理图如图21所示。图21超声波探伤原理图FIGURE21SCHEMATICDIAGRAMOFULTRASONICFLAWDETECTION22超声波探伤可靠性的实现超声波探伤仪的可靠性和稳定性作为探伤的原则,开展对探伤仪的检定工作,可以大大提高探伤工作的可靠性。超声波探伤仪的检定依据JJG7461991超声探伤仪检定规程。对超声波探伤仪的主要性能垂直线性、水平线性、衰减误差、动态范围以及最大使用灵敏度等进行检定。另外对比试块材料与受检件的成分,组织声学特性应一致或相似。对比试块材料的内部纯净度利用入
20、射角为0的直射超声波,在规定的工作频率和灵敏度下进行扫查,不得有大于或等于比受检件材料允许的噪声低6DB的8任何信号。对比试块每5年应检定一次。23超声波探伤稳定性的实现231探伤方法探伤方法是保证探伤结果准确与否的前提条件。因此根据工件的形状、缺陷特点、材料性质及探伤要求,准确无误地进行探伤。232耦合剂的影响耦合是实现声能传递的必由途径,耦合剂是探头声源与工件这两种固体之间实现声能传递、保证软接触所必需的传声介质,它在二者界面上排除空气,填充不平的凹坑和间隙,并兼有防磨损、方便移动的功能。耦合损耗与耦合层厚度D及耦合层中超声波波长有关。图222125MHZ直探头用锭子油作耦合剂时测得耦合层
21、厚度与回波高度之间关系曲线。从图22中可以看出,在D1即远声场时,超声回波幅度随距离单调下降。若探伤区位于近声场内,需使用试块法在远场时,则采用AVG曲线法。242举例说明实用AVG线图是在通用AVG线图基础上经坐标变换得到的,是针对某一确定的探头晶片和探测频率制作的,实用AVG线图的横坐标为反射体实际声程读数,以厘米CM或毫米MM为单位纵坐标为DB读数,图26中每一条曲线直接表示某一相应反射体当量尺寸。下面用图26举例说明实用AVG线图用于校正探测灵敏度和确定缺陷当量的用法。用215MHZ、20直径探头探测厚度为300MM的锻钢件,要求大于3当量缺陷不漏检,问利用工件底面如何校正探测灵敏度以
22、此灵敏度探测时发现距探测面200MM处有一缺陷,其波高为19DB,求此缺陷当量解使用相应于215MHZ,20直探头的实用AVG线图即图26。由题意可知SSBSF300MM,F3MM。从图26中横坐标S300MM处作其垂线交B线于点P,同时交F3MM曲线于Q点,分别从P、Q作纵坐标垂线,得到VB57DB,VF22DB。灵敏度调整量VFVB2257DB35DB。图2625MHZ、20直径探头实用AVG线图FIGURE2625MHZ,20CHARTDIAMETERPROBEUTILITYAVG12由题意可知,用300/3灵敏度Q点为灵敏度基准点探测,缺陷声程为SF200MM,波高为19DB,因此只要
23、从Q点向上平移19DB,并与横坐标SF200MM处的横坐标垂线交于Q,则此Q点对应的当量曲线值F6MM就是所求缺陷。25超声波探伤仪的发展简史251国外超声波探伤仪发展简史苏联萨哈诺夫于1929年最早提出利用穿透法检查固体内部结构,以后利用连续超声波在实验室研究成功。由于是穿透法,分辨率差,操作又不便,未能用于工程检测。第二次世界大战期间,以声脉冲反射为基础的声纳设备在法国间世,并成功地用于水下潜艇检测。在声纳技术的基础上,美、英两国分别于1944年和1946年研制成功脉冲反射式超声波探伤仪,并逐步用于锻钢和厚钢板的探伤。50年代初,世界各主要工业国家相继采用脉冲反射式超声波探伤仪对钢铁、造船
24、和机械制造部分材料进行探伤。当时超声波探伤仪是建立在电子管器件和石英压电晶体的基础上,进行材料内部有无缺陷的定性探伤。因此难以建立统一标准,影响其推广使用。50年代以压电陶瓷晶片取代切割石英晶片,最初应用压电陶瓷是钦酸钡,随后出现了众多的不同成分组成的压电陶瓷,如错铁酸铅、钦酸铅、偏妮酸铅等,它为生产不同性能要求的换能器提供了条件,压电薄膜的出现为生产高频、液浸式超声波换能器提供了基础。这些都便于成型和批量生产,为超声波探伤仪的推广创造了条件。标准试块的使用,以试块标准缺陷为参照的当量比较法及距离波幅曲线为判伤标准的建立及近代探伤技术奠定了基础。1964年是超声检测仪器发展史上的重要一年,电子
25、元器件和电子技术设计的进步,使超声波探伤仪在脉冲发射的性能、放大器增益、线性等特性上有较大的改进。定量方法的提出,提高了超声波探伤结果的可比性和探测结果的可信性。60年代末,各种试块的标准化、系列化促进了超声波探伤仪主要技术指标的标准化、超声波换能器性能的优化和系列化。自40年代超声波探伤仪问世到70年代超声波探伤仪半导体化的实现,探伤仪的能耗大大下降,特别是集成化电路的应用,由充电电池供电的超声波探伤仪间世,体积重量逐步减小,性能指标逐步提高,使超声波探伤可在无电网供电的场合下进行。在各种超声彼探伤标准的支持下,超声探伤方法广泛用于机械、冶金、电力、铁道、石化、航空、造船、建筑等行业的材料和
26、构件探伤,还形成了钢轨超声探伤的专用机和各种多通道超声波自动探伤仪。自动超声探伤,采用模拟式多通道探伤仪,不管是在线或离线,存在的难题是缺陷的当量判别,因为静态下缺陷回波高度与动态时不同,更重要的是动态波形难以观察,特别是探伤速度提高后,无法用人眼观察回波,只能用闸门内阂值报警及记录的方法。而实际上,自动超声检测系统一般均在强电于扰的情况下工作,超声检测的信号噪声比很差,严重地影响自动探伤的可靠性。13随着70年代计算机技术的发展,计算机的性能价格比提高,使计算机有可能应用于自动超声检测信号处理中,即将检测到的超声回波信号,经A/D变换后,进人计算机系统,进行处理。由于计算机的介入,一方面提高
27、了设备的抗干扰能力另一方面,利用计算机的运算功能,实现了对缺陷信号的自动读数、自动识别、自动补偿、定量和报警。仪器的通道数越多,各通道自动调节功能的特点就越明显。因此计算机的应用,使自动超声检测技术得到了较快的发展。随着大规模集成电路和微机技术的快速发展,1983年德国KK公司推出第一台便携式数字化超声波探伤仪USD1型,采用的是Z80CPU,尽管重量较重、体积较大、功能较差,但其自动设置DAC曲线、自动判伤、数据存储和打印输出功能已显示出数字化超声波探伤仪强大的生命力。1986年起,世界各主要工业国家数字化超声波探伤仪得到迅速发展,目前新一代用于生产的超声波探伤仪,正进一步向小型化和多功能化
28、发展。252国内超声波探伤仪发展简史我国50年代初引进苏联超声波探伤仪,初期长春应用物理所的查天锡、向明等仿制了加拿大生产的超声波探伤仪,1953年上海材料研究所前身综合应用研究所也去长春仿制了加拿大生产的超声波探伤仪,并与长春所一起在工业生产中推广超声波探伤技术,与此同时,上海江南造船厂的吴绳武等人试制出超声波探伤仪,小批量生产推向市场。60年代,先后形成上海仪器厂原中原电器厂、营口探伤仪器厂、武汉电子仪器厂和汕头超声波仪器厂等超声波仪器专业生产厂,80年代初,国内各生产厂研制生产的超声波探伤仪的放大器线性、动态范围、灵敏度余量、当量读数精度等主要技术指标均有大幅度提高,较好地满足了超声探伤
29、技术的需要。特别值得一提的是,1980年汕头超声仪器厂推出的CTS一22型超声波探伤仪的主要性能指标与当时国际同类仪器水平相当,而且外形美观,稳定性、可靠性均有很大的提高,因此深受国内用户好评。据不完全统计,该机已销售15000台以上。国内仪器水平的提高,也为我国与国际间建立交流、合作与互认创造了一定的条件。我国计算机与超声检测技术的结合始于70年代末,当时中国科学院声学研究所等单位开始研究计算机在超声检测中的应用问题,重点是研究超声信号的采集、量化和信号处理间题。80年代随着微机技术的发展,计算机辅助的超声成象系统和自动超声探伤系统得到迅速发展。并出现用于生产检测的计算机化的C扫描、P扫描超
30、声成象系统,各种管材和棒材自动检测系统和晶粒度超声检测系统等。各种成象方法的研究,如衍射CT成象、合成孔径聚焦成象STFT、ALOK成象均取得可喜进展。大规模集成电路的发展,为我国便携式数字化超声波探伤仪的研制创造了良好的条件。1989年中科院武汉物理所武汉科声技术公司研制成功国内第一台全数字化超声波探伤仪KS1010型,并于1990年批量推向市场,与此同时中科院声学所数字、模拟组合式电脑超声波探伤仪亦研制成功,推向市场。从而推进了我国新一代数字化超声波探伤仪的发展。目前数字化超声波探伤仪已开始形成规模生产,得到推广使用。14超声波换能器是产生和接收超声信号的器件,是超声波探伤仪的核心部件。国
31、内超声波探伤研究、使用和探伤仪生产单位在一段时间曾非常重视超声探头性能对超声探伤结果的影响,千方百计提高超声探头的技术指标和性能。但近几年来随着小型超声探头生产厂的大量出现,虽在推进技术进步和活跃市场方面起到一定作用,但也造成超声探头市场的混乱。随意使用不合格探头进行探伤的现象屡见不鲜,对原本不够重视探头性能的探伤者来说,其探伤结果的可靠性、可比性都存在很大间题。近代探伤技术最重要的发展是定量化程度的提高,因此探头的标准化、系列化是关键。对于我国超声探伤人员来说,把超声探头看作超声探伤仪的关键部件,重视探头性能、质量,合理地选择探头型号、规格和技术指标是探伤结果可靠性的重要保证。因此,如何使超
32、声探伤用换能器性能标准化,应该提到日程上,并引起质量监督部门的重视,这对于探伤结果的可靠性和可比性是极其重要的。153空气耦合式超声波检测超声波在无损检测领域有着广泛的应用,但传统的检测方法需要使用专门耦合剂或用水浸法来减少超声波在空气中传播的损失,限制了它的适用范围。空气耦合式超声无损检测技术较好地弥补了这方面的不足,其非接触、非侵入、完全无损的特点,特别是能够实现快速在线扫查,有着很好的应用前景,但传统的压电陶瓷的换能器无法作为空气耦合换能器,因此,研制以空气为耦合层的超声波换能器是该技术的研究重点。随着显微机械加工技术的发展以及高分子材料技术的进步,高效率、高灵敏度的空气耦合式超声波换能
33、器的制作取得了较大的突破,加上低噪声,高增益的放大器的研制及计算机信号处理技术的发展,使空气耦合式超声波无损检测技术有了长足的进步,并在一些领域获得了较好的应用成果。31空气耦合式超声波检测技术的主要困难空气同检测对象之间巨大的特性声阻抗差以及空气对高频声波较大的吸收率,使普通压电陶瓷的换能器无法实现非接触检测。表1给出了超声波在几种常见介质中传输的特性声阻抗Z和传输系数T,其中,特性声阻抗定义为ZQV,其单位为KGM2S,用RAY1表示。传输系数T表明了超声波从一种介质进入另一种介质中时能量损失的情况,是Z的函数T4Z1Z2Z1Z22,无量纲。表31常见介质的特性声阻抗和传输系数TABLE3
34、1COMMONCHARACTERISTICSOFTHEMEDIUMACOUSTICIMPEDANCEANDTRANSMISSIONCOEFFICIENT从表31中可以看出,超声波在从空气入射到被测试块,要损失大约80DB,当其再出射到空气中还要发生同样的衰减,大约要损失150DB以上。因此,巨大的特性阻抗差是空气耦合超声检测技术一个主要困难。另外,空气对高频超声波的高吸收率也是不容忽视的,可以用衰竭距离信号振幅减弱至其初始值的1E的距离来表示,其与频率成反比关系,当频率为1MHZ时,大概为5CM,而到了4MHZ时,仅为311MM,也就是说,留给该技术的空间仅有几个厘米。正因为如此,此项技术在很
35、长一段时间里并没有得到广泛的应用。32空气耦合式超声波检测技术的发展概况近年来,空气耦合式超声波检测技术的研究重点主要是在空气耦合式超声波换能器16研制和具体的检测应用上。高效率、高灵敏度的空气耦合式换能器的研究是此项技术的核心,主要有两个方向1从传统的压电陶瓷超声换能器出发,通过增加耦合层的方法制作适应以空气作介质的换能器2采用显微加工技术制作静电换能器。1995年,WAGRANDIA系统地阐述了这两种方法的基本原理和制作方法,并作了相应的比较。在耦合层的研究上,主要有3个问题1寻找低特性声阻,低衰减率,具有足够的机械Q值的耦合材料。2要将符合条件的材料加工成厚度合适K4厚度被证明是比较理想
36、的的耦合层,3要将制作出来的耦合层加到压电陶瓷制作的超声波换能器上。对材料的选择,主要集中在多孔复合材料上,高纤维复合材料,硅气凝胶等,TGOMEZ经过对多种材料特性的研究,提出了两种比较理想的材料聚聚醚砜和尼龙,另外在一些特殊的应用上可以使用的混合纤维素脂MIXEDCELLALOSEESTERS和聚二氟乙烯PVDF,基本上解决了材料的选择问题。目前随着显微加工技术的进步,所需厚度薄膜的制备已经可以完成,但由于这样的膜往往很脆,很难附到换能器的表面上,并且单层膜的耦合性能是比较差的,因此,一般采用双层或三层膜的制作方法,对耦合层要求的技术指标也有了比较清楚的界定,为以后商业化和实用化研究提供了
37、基本的依据。静电换能器的基本原理是将一面金属化处理后的薄膜附在表面均匀分布小孔的导体基板上,形成许多小气穴,当给基板和薄膜之间加直流偏压时,由于静电力的作用,薄膜会发生变形,施以激励电压即会产生超声波,或者敏感到超声波将其转换成电信号。如图1所示,它有一些优良的特性频响宽,阻尼性能好,特性声阻抗低,其带宽可以通过改变偏压和激励电压很方便地改变,特别是随着显微加工技术的发展,它的制作成本会越来越低,并且适合大批量制作特性相同的换能器,对组成换能器阵列非常有利。对它的研究主要集中在显微加工方法、薄膜材料、理论模型及声场特性等方向。图62静电换能器原理图FIGURE62ELECTROSTATICTR
38、ANSDUCERSCHEMATIC随着换能器研究的进展,利用已有的超声波检测系统,通过适当的改造来进行无接触检测是一个应用研究重点。例如通过增加低噪高增益前置放大器,尽可能地提高信噪比,已经出现达到100DB增益的低噪声放大器。RSTOESSEL等利用以硅橡胶作为耦合层的压电式换能器采用C扫描的方法对几种复合材料的缺陷检测进行了研究EBLOMME17等在较宽的频率范围内对一些典型材料布料上的涂层,铝板、钢板、薄铸件中的缺陷利用此方法进行检测,得到比较满意的结果在造纸业中利用该技术进行了测厚和测湿另外还进行了在线涂层监测的应用研究。在静电换能器的应用上,TATHEANGAN等采用聚焦方式进行表面
39、成像,得到了较高的成像精度,由于可以实现在无光照和高温等环境中应用,在一些场合比光学成像更有优势。利用静电换能器组成阵列进行成像研究也有进展,这些都从各个侧面反映了在空气耦合超声无损检测技术在实际中的应用。33存在的主要问题虽然空气耦合式超声波无损检测技术在各方面都有了较大进展,但仍然有许多问题尚未得到根本解决,主要有1作用距离短,带宽窄。高声阻差、强衰减是空气耦合超声无损检测技术必须面临的问题,其适用的频率范围只能在1MHZ左右,较大地限制了它的应用范围。2空气耦合条件下的声场特性的研究还不是很深入、系统。3换能器的研究取得了较大的进展,但实用的产品并不多见,大多还处在实验研究阶段。4专门的
40、检测系统研究还不成熟,在线应用较少。34展望虽然在大面积在线实时扫查、复合材料缺陷检测、表面成像等方面有着良好的应用前景,但空气耦合式超声无损检测技术离工业化应用还有一段距离,需要进一步深入研究。根据目前的研究现状,下一步的研究主要集中在3个方面,1适用于不同应用环境的空气耦合式超声波换能器的研制,进一步提高精度和灵敏度,降低制作成本。2适用于工业化的在线检测系统的研制,尽快从实验室进入工业现场。3深入研究空气耦合条件下的超声波声场特性,尽可能地扩展此技术的适用范围。18结束语本文主要介绍超声波检测的原理、应用以及发展。通过一些大家所比较熟悉的超声波检测技术来了解超声波检测的原理及其发展。并通
41、过这些技术了解，加深超声波检测技术的最新发展情况以及研究方向。本文首先对超声波的原理进行简单的介绍从而了解超声波检测的原理。简单介绍超声波检测的情况本文主要介绍超声波检测的原理、应用以及发展。简单介绍超声波探伤技术原理、方法及其性能，并介绍超声波探伤仪的发展。了解一种超声波检测技术空气耦合式超声波检测技术，了解它发展存在的问题困难以及发展概况。19参考文献1王耀俊层状复合材料媒质中的LAMB波J物理学进展，1996，1643633762刘镇清超声无损检测中的导波技术J无损检测，1999，2183673693KUNDUTETALDETECTIONOFKISSINGBONDSBYLAMBWAVES
42、JULTASONICS,1998,3585735804LIUZQ,SHIYJ,WEIMATHENONDESTRUCTIVEEVALUATIONOFFIBERREINFORCEDCOMPOSITELAMINATESWITHACOUSTICULTRASONICSPECTRUMMETHODPROCOFTHE14THWCNDT,NEWDELHIJ1996,212321265ROSEJL,RAJANAKM,CARRFTULTRASONICGUIDEDWAVEINSPECTIONCONCEPTSFORSTEAMGENERATORTUBINGJMATERIALSEVALUATION1994,52230731
43、16王祖荫声发射技术基础M济南山东科学技术出版社，19907WALKERJLET,ALNEURALNETWORKACOUSTICEMISSIONBURSTPRESSUREPREDICTIONFORIMPACTDAMAGEDCOMPOSITEPRESSUREVESSELSJMATERIALSEVALUATION,1997,5589039078LIUZQ,WEIMABROADBANDANDNONCONTACTCAPACITIVETRANSDUCERFORULTRASONICMEASUREMENTSINNDEPROCOF7THAPCNDTJSHANGHAI,19933193249王兆球，张淑仪高频空
44、气超声换能器研究现状与展望J应用声学，1992，1121510张淑仪激光超声与材料无损评价J应用声学，1992，1141611MCASTAINGSANDBHOSTENTHEUSEOFELECTROSTATIC,ULTRASONIC,AIRCOUPLEDTRANSDUCERSTOGENERATEANDRECEIVELAMBWAVESINANISOTROPICVISCOELASTICPLATESJULTRASONICS,1998,36536136512陈彦华，李明轩利用人工神经网络实现缺陷类型识别J应用声学，1998，1721513QLIUANDMWEIFUZZYDETECTIONFORULTRA
45、SONICFLAWINSPECTIONOFHIGHLYSCATTERINGMATERIALSJCHINESEJOURNALOFACOUSTICS,1997,16433233814ZLIU,MLUANDMWEISTRUCTURESNOISEREDUCTIONOFULTRASONICSIGNALSUSINGARTIFICIALNEURALNETWORKADAPTIVEFILTERINGJULTASONICS,1997,3543253215EBLOMME,DBULCAENANDFDECLERCQAIRCOUPLEDULTRASONICNDE,EXPERIMENTSINTHEFREQUENCYRANG
46、E750KHZ2MHZJNDTEINTERNATIONAL,2002,3541742616WAGRANDIAANDCMFORTUNKONDEAPPLICATIONSOFAIRCOUPLEDULTRASONICTRANSDUCERSJIEEEULTRASSYMPOSIUM,1995,697709浙江海洋学院本科毕业论文致谢20致谢本论文是在我的指导老师丛老师的悉心指导下完成的。由衷感谢丛老师对我论文的具体指导。从选题之后，每个星期五会例行讨论上一次的任务和平时遇见的一些不懂的问题，然后又布置新的任务去实践完成。丛老师的循循善诱和做学问的方法，让我学会了很多理论知识和实践知识，也学会了做人处事的道理。丛老师严谨的治学态度让我受益匪浅。在论文准备当中，丛老师也时刻关心着论文完成的动态。在初稿过程中，丛老师也给予了很大的帮助，再次对丛老师在论文修改中认真负责的态度表示由衷的感谢。感谢我的同寝室同学，他们对我的支持和鼓励，让我一直能快乐走下去。感谢我的朋友们，给我打气，为我加油。最后，感谢我的父母，感谢他们的无私奉献，让我能时时刻刻感受他们给予我的爱，让我能够安心完成本论文的研究。
