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超声检测 中油集团石油管工程技术研究院黄磊高级工程师注册设备监理师UT R MT 和PT 资质 特种设备和中国无损检测学会 超声检测是五大常规无损检测技术之一 是目前应用最广泛 使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术 超声检测是产品制造中实现质量控制 节约原材料 改进工艺 提高劳动生产率的重要手段 也是设备维护中可不或缺的手段之一 超声检测一般是指使超声波与工件相互作用 就反射 衍射 透射和散射的波进行研究 对工件进行宏观缺陷检测 几何特性测量 组织结构和力学性能变化的检测和表征 并进而对其特定应用性进行评估的技术 在特种设备行业中 超声检测通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量 超声波检测基础 利用声响来检测物体的的好坏 这种方法早已被人们采用 如 用手拍西瓜 听是否熟了 敲瓷碗 听是否裂了 声音反映物体内部某些性质 这早已为人所知 人类也很早就意识到 可能存在着人耳听不到的 声音 1817年克拉尼就指出了人的听觉所能听到的声音的最高频率为每秒二万二千次 22000赫兹 1830年 法国物理学家萨伐尔 FelixSavart1791 1841 制作了一个高转速齿轮 用以拨动一片金属片而产生了高达24000赫兹的超声波 而真正促使人类研究利用超声波进行探测的事件是泰坦尼克号沉没事件 1912年4月10日 被称为 世界工业史上奇迹 的 永不沉没 的 泰坦尼克号 从英国南安普顿出发驶往美国纽约开始其处女航 15日23时40分 载着1316名乘客和891名船员的豪华巨轮在与冰山相撞继而沉没 1500人葬生海底 造成了在和平时期最严重的一次航海事故 此后不久 一个叫瑞查得森的人就向英国专利局申请了用在空气和水下传播的声音回声定位的专利 利用上述方案进行探测的设备于1914年由美国的瑞格纳德 泰森德 ReginaldA Tessenden 完成并在美国获得的专利 在第一次世界大战中 法国著名科学家郎之万 Langevin 经过反复试验改进发明了现今在科研军事民用范围内仍广泛应用的水底探测技术 声纳 1929年 前苏联科学家索科夫 S Y Sokolov1897 提出利用超声波良好穿透性来检测不透明体内部缺陷 工业无损检测的新纪元由此开始 根据索科夫提出的原理制成的穿透法检测仪器 于第二次世界大战后研制并出现在市场上 但由于这种仪器利用穿过物体的透射声能进行检测 发射和接收探头需至于工件相对两侧并保持其相对位置 同时对缺陷检测灵敏度也较低 所以其应用范围受到很大制约 不久后就被淘汰 1940年 密歇根大学的法尔斯通教授 FloydFirestone 提交了一种采用超声波脉冲反射法的检测装置的专利申请 使超声波无损检测成为一种实用技术 1946年 英国的D O Spronle研制成第一台A型脉冲反射式超声波探伤仪 利用该仪器 超声波可以从物体的一面发射和接收 能够检出小缺陷 并能够确定缺陷的位置和尺寸 二十世纪六十年代以来计算机技术的飞速发展 几乎给每一个行业都带来了革命性的影响 超声检测也不例外 以前制约仪器电子性能的很多指标 如放大器线性等主要性能指标都获得了显著提高 焊缝检测问题得到了很好的解决 从此 脉冲反射法检测开始获得大量的工业应用 20世纪70年代 英国原子能管理局无损检测研究中心哈维尔 Harwell 实验室的M G silk提出了衍射时差法超声检测 TOFD TOFD技术是一种利用缺陷端点的衍射信号检测和测定缺陷尺寸的超声检测技术 近年来在西方工业发达国家已开始广泛应用 近年来 超声检测技术一直是无损检测技术的研究热点 随着电子技术的不断发展 新的超声检测技术应用层出不穷 如超声成像技术 导波技术 电磁超声技术 超声相控阵技术 激光超声技术 量子声学技术等等 我国开始超声检测的研究和应用时间较短 1950年铁道部引进若干台瑞士制造的以声响穿透式超声波探伤仪 并用于路轨检验 这是国内应用这一技术的开端 经过60年的发展 我国的超声检测技术取得了巨大的进步 超声检测技术几乎渗透到所有工业部门 建立了一只数量庞大专业技术人员队伍 理论及应用研究逐步深入 标准体系日渐完备 仪器设备制造行业蓬勃发展 管理水平逐步提高 但是 与发达国家相比 我国的超声检测总体水平还有很大差距 在人员 设备 投入 管理 标准等方面还有待进一步提高 超声在国防和国民经济中的用途可分为两大类 一类是利用它的能量来改变材料的某些状态 为此 需要产生相当大或比较大能量的超声 实际上是大功率超声或简称功率超声 包括超声清洗 超声焊接 超声切割等 超声用途的第二类是利用它来采集信息 特别是材料内部的信息 也就是超声检测 超声波能够用于检测是由于它具有以下特性 1 超声波穿透能力强它几乎能穿透任何材料 对某些其它辐射能量不能穿透的材料 超声便显示出这方面的可用性 例如 第一次世界大战中科学家考虑用超声来侦察潜艇 便是因为熟知的光波 电磁波都不能渗透海洋 后来又兴起超声探伤 超声诊断等 也都是因为金属 人体等都是不透光介质 2 超声波波长短 方向性好3 超声波波长短 能够像光波一样在界面产生反射 折射 衍射等现象 超声波检测有多种分类方法 按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 按探伤波型分类 大致可分为纵波探伤法 横波探伤法 表面波探伤法 板波探伤法 爬波法等按接触方法分类 有直接接触法和液浸法 电磁耦合法 直接接触法就是在探头和试件表面之间涂有很薄的耦合剂 可以认为试件与探头直接接触 液浸法是在探头和试件之间有液体 超声波通过液体传播进入试件 液浸法受试件表面状态影响不大 可以进行稳定的检测 电磁耦合法是利用电磁探头产生的洛伦兹力或磁致伸缩效应在试件中激发和接收超声波进行检测 探头和试件之间可以不接触 对工件表面状态要求低 由于A型显示脉冲反射式超声波探伤法应用最多 所以下面主要叙述该方法 1超声波的发生及其性质 一 机械波常见的波有两大类 1 机械波 机械振动的传播 2 电磁波 交变电场 磁场的传播 在微观领域中还有物质波 各种波的本质不同 但其基本传播规律有许多相同之处 由于我们研究的对象超声波属于机械波 所以下面重点讨论机械波 产生机械波的必要条件 1 振源 2 弹性介质机械振动与机械波既有联系 又有区别 机械振动是产生机械波的根源 机械波是振动状态在弹性介质中的传播 机械振动研究的是单个质点的振动状态 机械波研究是传播机械振动的一系列质点的振动状态 描述机械波的主要物理量 1 波长 波传播时 在同一波线两个相邻的相位差为零的质点之间的距离 用 表示 2 周期T和频率f 波前进一个波长距离所需的时间叫周期 它的倒数称为频率 机械波的周期与频率只与产生机械波的振源有关 与传播介质无关 3 波速 单位时间内 波动所传播的距离称为波速 用c表示 大小决定于介质的性质 由波速与波长的定义可得c f或 c f 二 超声波的发生和接收超声波一种高频机械波 产生超声波主要有两种方式 一是利用磁致伸缩效应 电磁换能器 二是利用压电效应 压电换能器 目前 工业检测中大部分采用压电材料制成的压电换能器产生超声波 为什么压电材料能够产生超声波呢 主要是因为他们具有压电效应 压电效应定义 正压电效应 晶体材料在交变拉压应力作用下 产生交变电场的效应 探头接收超声波时 发生正压电效应 将声能转为电能 逆压电效应 当晶体材料在交变电场的作用下 产生伸缩变形的效应 探头发射超声波 高频电脉冲激励探头压电晶片时 发生逆压电效应 将电能转换为声能 能够产生压电效应的压电材料主要有石英 硫酸锂 铌酸锂等单晶材料 钛酸钡 锆钛酸铅 PZT 钛酸铅等多晶材料 另外 目前在TOFD检测等需要高灵敏度探头的场合 压电复合材料得到了广泛的应用 要使压电材料产生超声波 可将它切成一定厚度的片子 称为晶片 如图所示 不同厚度片子对应的共振频率不同 将晶片两面镀上银 作为电极 极化 当频率等于晶片共振频率的高频电压施加到电极上时 晶片由于逆压电效应将电振动转化成为机械振动 机械振动在工件中传播形成超声波 反之 高频机械振动 超声波 传播到晶片上时 晶片产生受迫振动 在晶片两电极间就会产生频率等于超声波频率 强度与超声波声压成正比的高频电信号 这个高频电信号经过放大 检波显示在示波屏上 这就是超声波的接收 图1超声波的发生 三 超声波的分类 根据波动传播时介质质点的振动方向相对于波的传播方向的不同 可将波动划分为纵波 压缩波或疏密波 横波 剪切波 表面波和板波等 1 纵波 L 概念及产生机理纵波是指介质中的质点的振动方向与波的传播方向相互平行或一致的波 用L表示 当介质质点受到交变拉压应力作用时 质点之间产生相应的伸缩变形 从而形成纵波 这时介质质点疏密相间 故纵波又成为压缩波或疏密波 凡能承受拉伸或压缩应力的介质都能传播纵波 固体介质既可承受拉力又可承受压缩力 因此固体介质可以传播纵播 液体和气体介质虽不能承受拉力 但能承受压应力产生体积或容积的变化 因此液体和气体也可传播纵波 图2纵波与横波 2 横波 S或T 概念及产生机理横波是指介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波 用S或T表示 由于横波的产生是在剪切应力的作用下产生的 因此需要介质能够有剪切模量 才能承受剪切应力 而只有固体介质能够承受剪切应力 液体和气体介质中无剪切模量 因而不能产生横波 所以只有固体介质才能够传播横波 3 表面波 SAW或R 的概念及产生机理当介质表面受到交变应力作用时 产生的沿介质表面传播的波 称为表面波 常用R表示 是英国的物理学家瑞利于1887年首先提出来的 因此又称表面波为瑞利波 表面波在介质表面传播时 介质表面质点做椭圆运动 椭圆长轴垂直于波的传播方向 短轴平行于波的传播方向 椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成 即纵波与横波的合成 因此表面波与横波一样只能在固体介质中传播 不能在液体或气体中传播 表面波只能在固体介质中传播 表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱 当传播深度超过两倍波长时 指点的振幅就已经很小了 因此 一般认为 表面波只能检测距表面两倍波长深度内的缺陷 图3表面波示意图 4 板波 PW 的概念及产生机理是指在板中激励的与板厚相当波长的波 称为板波 根据质点的振动方向不同可将板波分为SH波和兰姆波 1 SH波 是水平偏振的横波在波板中传播的波 波板中各质点的振动方向平行于板面而垂直于波的传播方向 相当于固体介质表面中的横波 2 兰姆波 lambwave 可分为对称型 S型 和非对称型 A型 对称型兰姆波的特点是薄板中心质点作纵向振动 上下表面质点作椭圆运动 振动相位相反并对称于中心 非对称型兰姆波的特点是薄板中心质点作横向振动 上下表面质点作椭圆运动 相位相同 不对称 在超声波检测中 通常采用直探头产生纵波 纵波是向探头接触面垂直的方向传播的 如下图所示 斜探头是将晶片贴在有机玻璃等透声材料制成的斜锲上 晶片激发的纵波 在被检工件表面产生波形转换 从而在工件中产生横波 当纵波入射角在第一 二临界角之间时 工件中只有折射横波 实现纯横波检测 如下图所示 图4直探头1 阻尼块2 接地环3 晶片 图5斜探头1 吸声材料2 检测面3 斜锲4 晶片 四 超声波的传播速度超声波在介质中的传播速度是表征介质声学特性的重要参数 固体中的超声波传播速度与下列因素有关 1 介质 弹性模量 密度 弹性变形形式 尺寸大小 均匀性等 2 超声波的波型 如纵波 横波与表面波等3 温度 一般固体中的声速随介质温度升高而降低 固体介质中纵波声速 固体介质中横波声速 固体介质中表面波声速 由以上公式可知 1 固体介质的弹性模量越大 密度越小 则声速越大 2 声速与波的类型有关 在同一种固体介质中 纵波 横波和表面波的声速各不相同 并存在如下关系 CL CS CR对于钢材 CL CS CR 1 8 1 0 9 液体 气体介质中声速 由于液体和气体不能承受剪切应力 所以液体气体中不能传播横波 虽然液体气体也不能承受拉应力 但是压应力的作用下会产生容变 从而能够传播纵波 纵波声速 B 液体 气体介质的容变弹性模量 表示产生单位容积相对变化量所需的压强 液体 气体介质的密度由上式可知 液体 气体介质中的纵波声速与其容变弹性模量和密度有关 介质的容变弹性模量越大 密度越小 则声速越大 几乎除水以外的所有液体当温度升高时 容变弹性模量减小 声速降低 水是温度在74摄氏度左右时声速达最大值 空气中声速340m s 水中声速1500m s 钢中纵波声速5900m s 关于声速概念 还应注意以下几点 1 声速是传声介质的一种物理属性 只与介质的参数有关 这个参数就包括了温度 压力等 与声波的频率无关 指体波 2 声速C是声振动这种运动形式在介质中的传播速度 它与介质质点本身的振动速度V是两个不同的概念 对于我们研究的线性声学 有V C 五 超声场及其特征量充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质 叫超声场 描述超声场的特征量有声压 声强 声阻抗等 1 声压P声压是指超声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有超声波存在时的静态压强P 之差 用P表示 P P1 P 单位 帕斯卡P 声压与介质密度 波速 频率成正比 因超声波的频率很高 故声压远大于声波的声压 探伤仪示波屏上波高与声压成正比2 声强I单位时间内垂直通过单位面积的声能称为声强 常用I表示 单位 瓦 厘米2 W cm2 或焦耳 厘米2秒 J cm2S 当超声波传播到介质中某处时 该处原来静止不动的体积元开始振动 因而具有了动能 同时该体积元会产生弹性变形 因而具有弹性势能 其总能量为二者之和 超声波传播时 介质由近及远一层一层振动 能量便逐层传播出去 声压与声强的关系如下式 由上式可知 1 声强与声压振幅平方成正比 与声阻抗Z c 成反比2 超声波检测根据缺陷回波信号的声压 声强来判断缺陷大小 超声波信号的声压越高 示波屏上的回波幅度越高 据此可以判断缺陷的当量值越大 声阻抗Z 表征介质声学特性的重要物理量 超声场中任一点的声压与该处质点振动速度之比称为声阻抗 用 Z 表示 单位 Kg m2s g cm2s Z P u Cu u C根据上式可知 声压一定的条件下 Z增加 质点振动速度u下降 因此声阻抗Z可以理解为介质对质点振动的阻碍作用 一般材料的声阻抗随温度升高而降低 这是因为大多数材料的密度 和声速c随温度增加而减小 异质界面上反射 透射情况与两种介质的声阻抗密切相关 六 分贝产生的背景 生产科学实验中 声强数量级往往相差悬殊 如引起听觉的声强范围为10 16 10 4瓦 厘米2 最大值与最小值相差12个数量级 显然采用绝对量来度量是不方便的 但如果对其比值 相对量 取对数来比较计算则可大大简化运算 分贝与奈培就是两个同量纲的量之比取对数后的单位 通常规定引起听觉的最弱声强I1 10 16瓦 厘米2为作为声强的标准 另一声强I2与标准声强I1之比的常用对数称为声强级 单位为贝尔 BeL 实际应用贝尔太大 故常取1 10贝尔即分贝 dB 来作单位 BeL dB 七超声波垂直入射到界面时的反射和透射 超声波从一种介质传播到另一种介质时 在两种介质的分界面上 一部分能量反射回原介质内 称反射波 另一部分能量透过界面在另一种介质内传播 称透射波 在界面上声能 声压 声强 的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律 单一平界面的反射率与透射率 当超声波垂直入射到光滑平界面时 将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波 在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波 设入射波的声压为P0 声强为I0 反射波的电压为Pr 声强为Ir 透射波的声压为Pt 声强为It 界面上反射波声压P与入射波声压P0之比称为界面的声压反射率 用r表示 即r Pr P0 界面上透射波声压Pt与入射波声压P0之比称为界面的声压透射率 用t表示 即t Pt P0 单一平界面的反射率与透射率 在界面两侧的声波 必须符合下列两个条件 1 界面两侧的总声压相等 即p0 pr pt 相位关系 力平衡 2 界面两侧质点振动速度幅值相等 即 p0 pr Z1 pt Z2 能量平衡 由上述两边界条件和声压反射率 透射率定义得 解上述联立方程得声压反射率r和透射率t分别为 单一平界面的反射率与透射率 界面上反射波声强Ir与入射波声强I0之比称为声强反射率 用R表示 界面上透射波声强It与入射波声强I0之比称为声强透射率 用T表示 超声波垂直入射到平界面上时 声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关 由以上几式可以导出 T R 1t r 1 讨论 当Z2 Z1时 如水 钢当Z1 Z2时 如钢 水当Z1 Z2时 如钢 空气界面 当Z1 Z2时 如普通碳钢焊缝的母材与填充金属之间 单一平界面的反射率与透射率 单一平界面的反射率与透射率 以上讨论为超声波纵波垂直到单一平界面上的声压 声强反射率和透射率同样适用于横波入射的情况 但必须注意的是在固体 液体或固体 气体界面上 横波全反射 因为横波不能在液体和气体中传播 八超声波倾斜入射到界面时的反射和折射 波型转换与反射 折射定律 当超声波倾斜入射到界面时 除产生同种类型的反射和折射波外 还会产生不同类型的反射和折射波 这种现象称为波型转换 图6声波倾斜入射示意图 波型转换与反射 折射定律 1 纵波斜入射当纵波L倾斜入射到界面时 除产生反射纵波L 和折射纵波L 外 还会产生反射横波S 和折射横波S 如前图所示 各种反射波和折射波方向符合反射 折射定律 snell定律 波型转换与反射 折射定律 由于在同一介质中纵波波速不变 因此 又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速 因此 1 第一临界角 2 第二临界角 图7临界角示意图 波型转换与反射 折射定律 由 和 的定义可知 时 第二介质中既有折射纵波L 又有折射横波S 时 第二介质中只有折射横波S 没有折射纵波L 这就是常用横波探头制作和横波检测的原理 时 第二介质中既无折射纵波L 又无折射横波S 这时在其介质的表面存在表面波R 这就是常用表面波探头的制作原理 例如 纵波倾斜入射到有机玻璃 钢界面时 有机玻璃中cL1 2730m s 水中cL1 1480m s 钢中 cL2 5900m s cS2 3230m s 则第一 二临界角分别为 波型转换与反射 折射定律 由此可见有机玻璃横波探头楔块角度有机玻璃表面波探头楔块角度 57 7度 波型转换与反射 折射定律 2 横波斜入射当横波倾斜入射到界面时 同样会产生波型转换 入射角增加到一定程度时 90 在第一介质中只有反射横波 没有反射纵波 即横波全反射 这时所对应的横波入射角称为第三临界角 用 表示 对于钢 cL1 5900m s CS1 3230m s 当 33 2 时 钢中横波全反射 波型转换与反射 折射定律 在实际的横波斜探头探伤中 入射到工件中的横波斜射到与探测面平行的底面 对底面的横波入射角都大于第三临界角 故不会出现反射纵波 如射到不平行探测面的反射面上 则横波入射角有可能小于第三临界角 从而出现反射纵波与反射横波同时存在的情况 如图所示示例 图8横波入射产生变形纵波 端角反射 超声波在两个平面构成的直角内的反射称为端角反射 如图9所示 在端角反射中超声波经历了两次反射 如不考虑波型转换 第二次反射回波与入射波互相平行 回波声压Pa与入射波声压P0之比称为端角反射率 用T端表示 即T端 Pa P0 图10为钢空气界面上钢中的端角反射率与入射角的关系图 图 a 是纵波入射端角的情况 端角反射率大都很低 这是因为纵波在端角的两次反射中分离出较强的横波 图9端角反射示意图 端角反射 图b是横波入射端角的情况 入射角等于30 或60 附近时 端角反射率最低 入射角在35 55 之间时 端角反射率达100 也就是说 横波斜探头的折射角 S为35 55 K tg S 0 7 1 43 之间时 探测类似端角的缺陷 例如焊缝中的未焊透 灵敏度较高 S 55 K 1 5 灵敏度较低 图10端角反射率与入射角的关系 九超声波的衰减 超声波在介质中传播时 随着距离增加 超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波衰减 衰减的原因波束扩散 晶粒散射和介质吸收1 扩散衰减在声波的传播过程中 随着传播距离的增大 声波的声束不断扩展增大 因此单位面积上的声能 或声压 随距离的增大而减弱 这种衰减称为扩散衰减 扩散衰减仅取决于波阵面的几何形状而与传播介质的性质无关 在远离声源的声场中 球面波的声压P与至声源距离a成反比 即P 1 a 而柱面波则为P 1 a 1 2 对于平面波 声能 或声压 不随传播距离而变化 不存在扩散衰减 2 散射衰减由于实际材料不可能是绝对均匀的 例如材料中有外来杂质 金属中的第二相析出 晶粒的任意取向等均会导致整个材料声阻抗不均 从而引起声的散射 被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去 最终变成热能 声能被消耗 声强 或声压 被减弱 这种衰减称为散射衰减 散射衰减与材质的晶粒密切相关 当材质晶粒粗大时 散射衰减严重 被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头 在示波屏上引起林状回波 又叫草波 使信噪比下降 严重时噪声会湮没缺陷波 3 吸收衰减超声波在分质中传播时 由于介质中质点间内摩擦 即粘滞性 和热传导引起超声波的衰减 称为吸收衰减或粘滞衰减 衰减方程与衰减系数 1 衰减方程平面波 式中 P0 入射到材料界面上时的声压 P 超声波在材料中传播一段距离s后的声压 衰减系数 球面波 柱面波 衰减方程与衰减系数 2 衰减系数衰减系数 只考虑了介质的散射和吸收衰减 未涉及扩散衰减 对于金属材料等固体介质而言 介质衰减系数 等于散射衰减系数和吸收衰减系数之和 c1 与晶粒大小和各向异性无关的常数 f 超声波频率 c1 c2 c3 c4 常数 F 各向异性因子 d 晶粒直径 波长 衰减方程与衰减系数 1 介质的吸收衰减与频率成正比 2 介质的散射衰减与f d F有关在实际检测中 当介质晶粒较粗大时 若采用较高的频率 将会引起严重衰减这就是晶粒较大的奥氏体钢和一些铸件检测的困难所在 3 对于液体介质而言 主要是介质的吸收衰减 由上式可知 液体介质的衰减系数a与介质的粘滞系数和频率平方成正比 与介质中的密度和波速立方成反比 由于 p c与温度有关 所以a也与温度有关 一般是a随温度的升高而降低 这是因为温度升高 分子热运动加剧 有利于超声波的传播 超声波发射的超声波 具有特殊的结构 只有当缺陷位于超声场内时 才有可能被发现 由于液体介质中的声压可以进行线性叠加 并且测试方便 因此对声场的理论分析研究一般从流体介质入手 然后在一定条件下过渡到固体介质 又由于我们目前广泛应用脉冲反射法检测 此因还讨论了各种规则反射体的回波声压 十超声波发射声场与规则反射体的回波声压 1 波源轴线上的声压分布如图所示 将圆盘声源看成活塞声源 设该活塞声源上各点以同相位 同速度的简谐振动辐射声能 圆盘可以看成是由无数多个面积为dS的小面积元组成 每个小面积元都是向半空间辐射球面波的点声源点声源满足kr0 1的条件 k为波数 r0为所取点源的半径 圆盘波源辐射的纵波声场 图11圆盘源轴线上声压推导图 则根据特殊形式的波动方程求得点声源声束轴线上距声源x处Q点的声压为 式中 0 介质平衡状态的密度 c0 声速 k 波数k c0 r 面元至Q点的距离 ua 声源表面振动速度幅值 声源振动的圆频率 整个圆盘声源向半空间内辐射的总声压为 下面在极坐标系下求解该定积分 由图中的位置关系可知 面元至Q点的距离 设 则 当R 0时 U x 当R Rs时 将代入公式 则 上式中 P0表示声源处的初始声压 则声源轴线上声压幅值为 此即为活塞波的声压表达式 此式在使用时仍感复杂 对常用的X 3N的远场区 声束的特点是只具有一个主声束 而且轴线上的声压随距离增加而单调下降 因此在3N后的远场区可导出一个近似公式 近似公示的导出可分两步 在活塞波声压公式中 对根号项写作 X2 R2 1 2并按牛顿二项式 展开 取前两项 在 很小的时候 sin 故声压幅值公式变为 上式表明 当 圆盘波轴线上的声压与距离成反比 与波源面积成正比 也就是说圆盘波在远场符合球面波的变化规律 圆盘波轴线上的声压分布如下图所示 图11圆盘轴线上的声压分布 1 近场区的定义 波源轴线上最后一个声压极大值距波源的距离 称近场区长度 用N表示 由活塞波的声压公式可导出近场区内声束轴线上声压极大值 即P 2P0 当时 声压有极大值 极大值对应的距离为 式中n 0 1 2Rs 2 共有n 1个极大值 其中n 0是最后一个极大值 因此近场长度为 同理可得声压极小值对应的距离为 式中n 0 1 Rs 共有n个极小值 近场区内有若干个极大值和极小值 说明近场区内声压不稳 在实际检测对缺陷定量不利 处于声压极小值处的较大缺陷回波声压可能很低 而处于声压极大值处的较小缺陷可能回波声压较高 这样容易引起误判或漏检 在实际检测中应尽可能避免在近场区定量检测 远场区 x N的区域 声压随距离增加而单调减少 称为远场区 当时 声压近似球面波的规律 这是因为距离足够大时 波源各点至轴线上某点的声程差很小 引起的相位差也很小 这时干涉现象可以忽略不计 2 超声场截面的声压分布横截面的声压分布 在近场区内的中心轴线上存在声压为零的截面 如图所示0 5N处 但偏离中心较高 在x N的远场区 中心最高 两边渐渐低 规定2N以外测定声束偏离和探头K值才准确 图12声束横截面声压分布 3 波束的指向性和半扩散角波源在充分远处任意一点的声压P r 与波源轴线上同距离处声压P r 0 之比 称为指向性系数 如下图所示 用DC表示 图13远场中任意一点声压推导图 点波源ds在至波源距离远处任意点M r 处引起的声压为 整个圆盘波在点M r 处引起的总声压幅值为 式中 J1为一阶Bessel函数 指向性系数 令 则 DC与y的关系曲线如下图所示 图14圆盘波束指向性示意图 由图可知以下结论 1 这说明超声场中至波源充分远处同一横截面上各点的声压是不同的 以轴线上的声压为最高 实际探伤中 只有当波束轴线垂直于缺陷时 缺陷回波最高就是这个原因 2 当y kRssin 3 73 7 02 10 17 时 Dc P r P r 0 0 即P r 0 这说明圆盘源辐射的纵波声场中存在一些声压为零的圆锥面 由y kRssin 3 73得 0 arcsin1 22 Ds 0 圆盘波辐射纵波声场的第一零值发散角 即半扩散角 3 当y 3 83 即 0时 Ds 0 15 这说明半扩散角以外的声场声压很低 超声波的能量主要集中在半扩散角以内 因此可以认为半扩散角限制了波束的范围 4 2 0以内的波束称为主波束 只有当缺陷位于主波束范围时 才容易被发现 以确定的扩散角向固定的方向辐射超声波的特性称为波束指向性 5 由于超声波主波束以外的能量很低和介质对超声波的衰减作用 使第一零值发射角以外的波束只能在波原附近传播 因此在波源附近形成一些副瓣 6 增加探头的直径 提高探头的频率 半扩散角将减小 可以改善声束指向性 能量集中 有利于提高探伤灵敏度 但增大了近场长度 对探伤反而不利 实际是合理选择直径和频率 保证探伤灵敏度下 尽量减少近场长度 与声压幅值有关的半扩散角 在某些时候 例如在TOFD超声检测中 往往更关心声束截面上的声压变化 比如声压幅值从声压轴线上下降一定dB时 声束的半扩散角是多大 如教材3 8所示 为此引入与声压幅值有关的半扩散角 的概念 它与半扩散角不同 其理论推导复杂 一般根据经验公式确定 式中 介质中波长 Ds 声源直径 F 常数因子 4 波束未扩散区与扩散区1 超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外扩散出去的 但并不是从波源开始扩散的 而是在波源附近存在一个未扩散区b 其理想化的形状如下图 图15圆盘源理想化声场中的未扩散区和扩散区 由图中的几何关系可得 2 在波束未扩散区b内 波束不扩散 不存在扩散衰减 各截面平均声压基本相同 因此薄板试块前几次底波相差无几 到波源的距离x b的区域称为扩散区 扩散区内波束扩散衰减 规则反射体回波声压 实际超声检测中常用反射法 反射法是根据缺陷反射回波声压的高低来评价缺陷的大小 由于工件中缺陷的形状性质各不相同 目前的检测技术还难以确定缺陷的真实大小和形状 回波声压相同缺陷 其实际大小可能相差很大 为此引入当量法 当量法的定义 在同样的探测条件下 当自然缺陷回波与某人工反射体回波等高时 就认定该人工反射体尺寸就是此自然缺陷的当量尺寸 自然缺陷的实际尺寸往往大于当量尺寸 超声波检测中常用的规则反射体种类主要有 平底孔 长横孔 短横孔 球孔 大平底 圆柱曲底面等 考虑到介质衰减的各几何体返回声压公式 平底孔回波声压 长横孔回波声压 短横孔回波声压 球孔回波声压 大平底与实心圆柱体回波声压 空心圆柱体外圆检测回波声压 空心圆柱体外圆检测回波声压 式中 x 探测距离 x 3N Ff 平底孔面积 Df2 4 d 空心圆柱体内径 lf 短横孔长度 D 空心圆柱体外径 Df 平底孔 长横孔 短横孔 球孔直径 介质单程衰减系数 dB mm 2超声波检测原理与分类 超声波检测可以分为超声波探伤 超声波测厚 超声波测量晶粒度 应力等 在超声探伤中 有根据缺陷的回波和底面的回波进行判断的脉冲反射法 有根据缺陷的阴影来判断缺陷情况的穿透法 还有根据由被检物产生驻波来判断缺陷情况或者判断板厚的共振法 目前用得最多的方法是脉冲反射法 脉冲反射法在垂直探伤时用纵波 在斜入射探伤时大多用横波 把超声波射人被检物的一面 然后在同一面接收从缺陷处反射回来的回波 根据回波情况来判断缺陷的情况 纵波垂直探伤和横波倾斜人射探伤是超声波探伤中两种主要探伤方法 两种方法各有用途 互为补充 纵波探伤容易发现与探测面平行或稍有倾斜的缺陷 主要用于钢板 锻件 铸件的探伤 而斜射的横波探伤 容易发现垂直于探测面或倾斜较大的缺陷 主要用于焊缝的探伤 超声波检测方法的分类 超声波检测按原理分类1 脉冲反射法脉冲反射法 超声波探头发射脉冲波到被检试件内 根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法 称为脉冲反射法 图16脉冲反射法的原理 2 穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件之后的能量变化来判断缺陷情况的一种方法 3 共振法若频率可调的连续超声波在被检工件内传播 当试件的厚度为超声波的半波长的整数倍时 将引起共振 仪器显示出共振频率 用相邻的两个共振频率之差可算出试件厚度 当试件内存在缺陷或工件厚度发生变化时 将改变试件的共振频率 依据试件的共振特性 来判断缺陷情况和工件厚度变化的方法称为共振法 4 超声波衍射时差法利用工件中缺陷上下端点衍射信号进行缺陷检测与尺寸测量的一种方法 按显示方式分类按超声信号的显示方式 将超声检测方法分为A型显示和超声成像方法 其中超声成像显示又分为B C D S P型显示 A型显示是将超声信号的幅度与传播时间的关系在直角坐标系中显示出来 横坐标代表声波的传播时间 纵坐标代表信号幅度 是最基本的信号显示方式 根据检测采用的波型 可分为纵波法 横波法 表面波法 板波法 爬波法等 1 纵波法使用直探头发射纵波 进行探伤的方法 称为纵波法 此法波束垂直入射至试件探测面 以不变的波型和方向透入试件 所以又称为垂直入射法 简称垂直法 垂直法分为单晶探头反射法 双晶探头反射法和穿透法 常用的是单晶探头反射法 原理如图所示 超声波检测方法按波形分类 图17纵波探伤原理示意图 当把脉冲振荡器的电压施加到晶片上时 晶片振动产生超声波 进入工件中进行传播 当遇到工件中的缺陷时 一部分被反射回来 一部分继续传播到底面再返回 缺陷处和底面处的反射回波都被晶片接收 反过来被转换成高频电压 电信号被接收和放大后进入示波器 示波器将缺陷回波和底面回波显示在荧光屏 因此 在示波管上可以得到如图所示的图形 从这个图形上可以看出有没有缺陷 缺陷的位置及其大小 对于脉冲反射式超声波探伤仪 荧光屏的时基线和激励脉冲是被同时触发的 即处于同步状态下工作 当探头被激励而向工件发射超声波时 激励脉冲也被馈致接收电路触发时基电路开始扫描 在时基线的始端出现一个很强的脉冲波 这个波称为 始波 用T表示 当探头接收到底面反射回来的声波时 时基线上右边相应呈现一个表示底面反射的脉冲波 称为 底波 用B表示 时基线由T扫描到B的时间正等于超声脉冲从探头到底面又返回探头的传播时间 因此 可以说从T到B之间的距离代表了工件的厚度 如果工件中有缺陷 探头接收到缺陷反射回来的声波时 时基线上相应呈现出一个代表缺陷的脉冲波 称为 缺陷波 用F表示 显然 缺陷波所经时间短于底波所经时间 故缺陷波F应处于T B之间 如果探伤仪的时基线良好 就可以利用T F B之间的距离关系 对缺陷定位 另外 因缺陷回波高度hf是随缺陷尺寸的增大而增高的 所以可由缺陷回波高度hf来估计缺陷大小 当缺陷很大时 可以移动探头 按显示缺陷的范围来求出缺陷的延伸尺寸 2 横波法将纵波通过楔块 水等介质倾斜入射至试件探测面 利用波型转换得到横波进行探伤的方法 称为横波法 由于透入试件的横波束与探测面成锐角 所以又称斜射法 横波法原理如图所示 图18横波探伤的几何关系 在斜射法探伤中 由于超声波在被检工件中是斜向传播的 超声波是斜向射到工件底面 所以不会有底面回波 因此 不能再用底面回波调节来对缺陷进行定位 而要知道缺陷位置 需要用适当的标准试块来把示波器横坐标调整到适当状态 通常采用JB T4730标准规定的CSK一IA试块和横孔试块来进行调整 在测定范围作了适当调整后 探测到缺陷时 从示波管上显示的探头到缺陷的距离W与缺陷位置的关系如图18所示 从以下关系式可以求出缺陷位置水平距离X和缺陷深度d X Wsin d Wcos 对扫描比例调整有三种方法 l 按水平距离调整扫描线 通过调整 使时基线刻度按一定比例代表反射点的水平距离x 在探伤时 根据缺陷波在荧光屏仁水平刻度位置可直接读出缺陷的水平距离 2 按深度调整扫描线 通过调整 使时基线刻度按一定比例代表反射点的深度d 在探伤时 根据缺陷波在荧光屏上水平刻度线上的位置可直接读出缺陷的深度 3 按声程调整扫描线 通过调整 使时基线刻度按一定比例代表反射点的声程W 在探伤时 根据缺陷波在荧光屏七时基线上的位置可直接读出缺陷的声程 数字式超声波探伤仪只需调整好探头延迟和K值即可获得回波的声程 水平 深度位置 3表面波法使用表面波进行探伤的方法 称为表面波法 这种方法主要用于表面光滑的试件 表面波波长比横波波长还短 因此衰减也大于横波 同时 它仅沿表面传播 对于表面上的覆盖层 油污 不光洁等 反应敏感 并被大量地衰减 利用此特点可以通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化 对缺陷定位 4板波法 属于导波的一种 利用薄板中产生的板波对整个薄板进行检测的一种方法 5 爬波法当纵波入射角在第一临界角附近时 在工件中产生表面下纵波 称为爬波 利用表面下爬波可以检测表面近表面缺陷 3 试块 一 试块的作用1 确定探伤灵敏度2 测试仪器和探头的性能3 评判缺陷的大小4 调整扫描速度二 试块的分类1 按试块来历 1 标准试块 如IIW试块和IIW2试块2 参考试块 如CS 1试块 CSK IA试块等2 按试块上人工反射体 1 平底孔试块 如CS I CS 2试块2 横孔试块 如CSK A和CSK A3 槽形试块 如无缝钢管探伤中所用的试块 内 外圆表面就加工有三角尖槽 三 国内外常用试块简介1 IIW试块1 尺寸 如图所示2 材质 20号钢 正火处理 晶粒度7 8级 2 IIW2试块1 尺寸 如图所示2 主要用途 1 测定斜探头的入射点和折射角 2 测仪器的水平线性 垂直线性和动态范围 3 测仪器和探头的组合灵敏度 3 CSK IA试块在IIW试块基础上改进得到 CSK IA试块有三点改进 1 将直孔 5O改为 50 44 4O台阶孔 以便于测定横波斜探头的分辨力 2 将R100改为R100 R50阶梯圆弧 以便于调整横波扫描速度和探测范围 3 将试块上标定的折射角改为K值 从而可直接测出横波斜探头的K值 4 半圆试块结构 5 CSK A CSK A试块和CSK A试块JB4370 2005标准中规定的焊缝超声波探伤用的横孔标准试块 6 CS 和CS 试块CS 和CS 试块是锻件检测用平底孔标准试块 7 RB试块RB试块是钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级标准GB11345 89规定的试块 该试块上加工有 3mm横通孔 试块的材质与被检工件相同或相近 8 钢板探伤试块CB CB 试块 分别用于薄板和中厚板检测时的灵敏度调整及缺陷评定 9 小径管专用试块GS系列试块 JB4730中规定的用于检测承压设备管子及压力管道对接焊缝的试块 4脉冲反射法超声检测通用技术 脉冲反射波超声检测在检测条件 耦合补偿 仪器调节 确定的定位 定量 定性等方面都有通用的技术 脉冲反射法超声检测的基本步骤 检测前准备 检测仪器系统的选择 调节 灵敏度确定 耦合补偿 缺陷的测定 记录评级 仪器系统的复核 4 1检测面得选择与准备 首先考虑缺陷的最大可能取向 尽量保证缺陷能够有最佳的反射条件 接触法的探测面应规则对称 底波法最好应有平行的探测面和底面 考虑到盲区 必要时应从正 反两面进行检查 当从一面检查灵敏度不够时 亦应从正 反两面进行检查 还应根据工件的厚度 形状综合考虑 为了保证检测面能提供良好的耦合 进行超声检测前应去除检测区域内的氧化皮 毛刺 油污及其他可能妨碍探头移动的附着物 4 2仪器与探头的选择 1 探伤仪的选择 超声波检测仪是超声波检测的主要设备 目前国内外探伤仪种类繁多 性能各异 探伤前应根据探测要求和现场条件来选择探伤仪 首先要选择仪器稳定性 重复性和可靠性好的仪器 探伤仪的各项指标要达到有关标准的要求 就性能而言 一般应考虑以下原则 对于定位要求高的情况 应选择水平线性误差小的仪器 对于定量要求高的情况 应选择垂直线性好 衰减器精度高的仪器 对于大型零件的探伤 应选择灵敏度余量高 信噪比高 功率大的仪器 根据所探对象要考虑的问题 生产量及是否连续 确定选择自动探伤仪或手工探伤仪 对于自动探伤仪 根据被检对象情况选择单通道或多通道设备 对于手工探伤仪 根据检测现场的位置及条件选择较大型的探伤仪或是便携型的探伤仪 检测工作的要求较高 或需要提供较客观的现场记录可选择数字式超声波探伤仪 2 探头的选择 探头是超声检测的重要工具之一 它的种类很多 结构型式也不一样 检测前应根据被检对象的形状 衰减和技术要求来选择探头 探头的选择包括探头型式 频率 晶片尺寸和斜探头K值的选择等 型式的选择常用的探头型式有纵波直探头 横波斜探头 表面波探头 双晶探头 聚焦探头等 其选择主要取决于所选择的探伤方法 一般根据工件的形状和可能出现缺陷的部位 方向等条件来选择探伤方法 一旦方法确定 应采用什么型式的探头也就确定了 频率的选择频率高 灵敏度和分辨力高 指向性好 对探伤有利 但频率高 近场区长度大 衰减大 又对探伤不利 实际探伤中要全面分析考虑各方面的因素 合理选择频率 一般在保证探伤灵敏度的前提下尽可能选用较低的频率 3 晶片尺寸的选择晶片大小对探伤也有一定的影响 选择晶片尺寸时要考虑以下因素 由 arcsin1 22 D可知 晶片尺寸增加 半扩散角减少 波束指向性变好 超声波能量集中 对探伤有利 由N D2 可知 晶片尺寸增加 近场区长度迅速增加 对探伤不利 晶片尺寸大 辐射的超声波能量大 探头未扩散区扫查范围大 远距离扫查范围相对变小 发现远距离缺陷能力增强 实际探伤中 探伤面积范围大的工件时 为了提高探伤效率宜选用大晶片探头 探伤厚度大的工件时 为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头 探伤小型工件时 为了提高缺陷定位量精度宜选用小晶片探头 探伤表面不太平整 曲率较大的工件时 为了减少耦合损失宜选用小晶片探头 4 折射角 K值 的选择对于探测除焊缝以外的工件 例如锻件 钢管等 宜采用折射角为40 左右的横波斜探头 因为用有机玻璃斜探头探伤钢制工件 S 40 K 0 84 左右时 声压往复透射率最高 即探伤灵敏度最高 缺陷距探测面深度相同的情况下 折射角小 声程短 有利于缺陷的探测 焊缝探测的折射角 K值 的选择主要考虑缺陷的可能方向及声束对焊缝整个截面的覆盖 4 3 1耦合剂为了提高耦合效果 在探头