无损检测1级讲稿

1、颜色说明：颜色说明：白色 教材内容黄色 重点内容红色 标准内容兰色 增加内容 超声检测是一门工程应用技术，是无损检测技术中的主要方法之一，利用超声波在介质中的传播特性来发现被检查的构件中存在的不连续性（即缺陷）。 声波是机械波，超声波是一种振动频率高于人耳接受能力的声波，传播的理论基础和规律与人耳可听到的声波一样 。搞清几何声学和物理声学的一些基本概念和定律，结合超声波的特性，才能灵活运用达到解决工程问题、实现检测的目的。1.超声振动1.1.振动与波动 世界上一切物质都处于不停的运动状态，物质的运动形式多种多样。一个物理量的运动状态经过极大值和极小值往复变化称为振动。振动是一种往复运动，并且振

2、动是可以传递能量的。例如：钟摆的摆动，缝纫机上机针的运动。 振动在物体中或在空间中的传播过程称为波动，简称波。波动一般分为两大类：1.1.1.机械振动在弹性介质中传播的过程称为机械波。1.1.2.变化的磁场在空间传播的过程称为电磁波。1.1.3.超声波是一种机械波。 产生机械振动的两个重要条件：振源和传播介质。波动是质点振动状态的传播，是能量的传播，不是质点的传播。 各种类型的波有特殊性，也有共性。如都具有一定的传播速度，都伴随着能量的传播，都能产生反射、折射和衍射等现象。 波的传播要有传播波的载体，没有传播的介质，波也就无法传播。 声波在空气传播，真空可以传播声音吗？声波在空气传播，真空可以

3、传播声音吗？ 波作为一种运动状态，有如下的物理特性： 周期T：传播一个完整的波形所用的时间，单位：秒（s）。 频率f：单位时间内完整波形的个数。单位：赫兹（Hz）。 1KHz=103Hz 1MHz=106Hz 波长：相邻波峰或波谷相同位置点间的距离为一个波的长度。单位：米（m）。 波速C：单位时间内波传播的距离。单位：米/秒（m/s）。 纵波: （）1/2/(+)(2)1/2 横波: S（G）1/2 表面波:R0.87+1.12/(+)（G）1/2 细长棒中的纵波声速:（）1/2 从公式可以看出超声波在介质中的声速与介质的弹性模量和 介质的密度有关；与波形有关；在特殊情况下与传播介质的几何形状

4、有关。 声速还与介质温度有关；固体介质还与应力和均匀性有关。 波的振动频率与介质无关；波型与波源相同；波在不同介质中频率不变。波的振动频率与介质无关；波型与波源相同；波在不同介质中频率不变。 超声波是机械波，和一切波动一样，具有频率、声速与波长三个物理量。三者关系为： C=fC=ftT26100200300CS3229318531543077纯铁中的声速与温度的关系 m/s1.2.超声波可在任何物体中传播，广泛应用于医疗（B超）、测位（声纳）、通讯等领域。 波传播的速度取决于介质的密度和弹性模量。同样波型的超声波在不同介质中传播时声速不同。纵波在固体中声速最高（在21307540 m/s之间）

5、，在液体中声速次之（在10002000 m/s之间），在气体中声速最低（在200970 m/s之间）；在水中声速约1480m/s，在空气中声速约332m/s。1.3.超声波的特性 （无损检测常用频率范围 106-107） 超声波之所以广泛应用于无损检测，是因为超声波具有以下特性：1.3.1.指向性好 超声波的能量能够集中地向一个方向发射的特性称为超声波的指向性。频率越高指向性越好。2020KHz0次声人耳听力范围超声1.3.2.穿透能力强 超声波的波长短，振速高、能量大，在大多数介质中传播时，穿透能力强，传播距离大，这就是超声波的穿透特性。检测一些金属材料时，超声波的穿透深度可达数米，这是其他

6、无损检测方法无法比拟的。1.3.3.在异质界面上产生反射和折射 当超声波从一种介质向另一种介质传播时会发生反射、折射、透射。利用这些特性测定容器内部的液位、工件厚度测量，以及工件内部缺陷检测等。 折射特性是斜入射探伤的理论基础。1.3.4.具有波形转换特性 当超声波传播到两种不同的介质时，在异质界面上，不仅会产生波形相同的反射和折射波，还会因斜入射而产生改变了波形的反射波和折射波。在异质界面上超声波能由一种波形转变成另一种波型的现象就是超声波的波型转换。(纵波斜探头，横波斜探头) 超声波的波型转换特性是横波法、表面波法等探伤的理论基础。2.超声波的传播、反射和透射2.1.超声波的类型 由于声源

7、在介质中振动的方向与波在介质中传播的方向可以一致也可以不一致，这就形成了不同类型的声波，超声波的波型主要有以下几种。2.1.1.纵波 介质中质点振动方向与波的传播方向一致，称为纵波。 由于纵波在介质中传播时会产生质点的稠密部分和稀疏部分，故又称疏密波。用符号L表示。 2.1.2.横波 介质中质点振动方向与波的传播方向垂直，称为横波。 横波在介质中传播是介质会相应的交变的剪切形变，故又称剪切波或切变波。用符号S表示。 液体和气体中没有剪切应力，所以在气体、液体中没有横波。 2.1.3.表面波 表面波是比较复杂的波。质点作既有横向又有纵向的复合振动。质点作复合运动所引起的只在固体表面传播的波，称为

8、表面波。也称为瑞利波，用符号R表示。 表面波中的各质点作复合振动的轨迹是围绕其平衡位置的椭圆。 表面波在传播途中如果遇到棱边时，当棱边曲率半径R（波长）时，表面波可以不受阻拦的完全通过。当R逐渐变小时，部分表面波的能量被棱边反射。当R时反射的能量很大。利用表面波的这种反射特征来检测工件表面及近表面约2倍波长深度的缺陷，并用来测定表面裂纹的深度等。 2.1.4.板波 在板厚与波长相当的薄板中传播的波为板波。有对称型和非对称型。2.2.超声波声速 单位时间内超声波传播的距离即为声速。声速是超声检测中缺陷定位的基础和依据。超声波传播的速度与下述因素有关： 2.2.1.波型 声速与波型有关，不同的波型

9、有不同的声速，在同一固体中，纵波的声速最快，横波声速其次，表面波的声速最慢，即（CLCSCR）； 在固体介质中，纵波的速度约为横波速度的2倍。表面波的声速约为横波声速的0.9倍。三种波型的特点和一般检测对象波型质点振动特点传播介质主要应用纵波 L振动方向与传播方向平行固.液.气钢板、锻件横波 S振动方向与传播方向垂直固焊缝、钢管表面波 R椭圆轨迹，长轴垂直传播方向段轴平行于传播方向固体表面钢管.非铁磁性材料表面探伤 2.2.2.介质 声速与介质有关，不同的介质有不同的声速。 声速主要是由介质的物理性质（弹性和密度）决定的，介质的弹性越好，密度越小，介质的声速越大。 （）1/2 声速与介质的形状

10、有关。例如：钢板材和细长棒的声速会变慢。 声速与介质温度有关。金属材料在常温条件下，声速是相对固定的。在高温条件下，声速随着温度的升高会降低。有的金属材料声速在某一高温点或高温段还有突变现象。由于在常温和高温声速是不同的，高温下金属材料进行超声波检测时，要对材料的声速进行测定。 对液体介质来说，绝大多数液体介质的声速随温度升高而变小。唯有水是个例外，水温在74左右时声速最大，当水温低于74时，声速随温度升高而增大；当水温高于74时，声速随温度升高变小。水中声速与温度的关系如下： CL=1557-0.0245（74-t）2 式中t水温（）2.3.超声场的特征值 介质中有超声波存在的区域称为超声场

11、。超声场具有一定的空间大小、形状和传播规律，只有缺陷位于超声场内，才有可能被发现。超声场的物理量用声压、声强、声阻抗等来描述。 2.3.1.声压P 超声场中某点在瞬间所具有的压强P与没有超声波存在时的静压强P0之差，称为该点的声压。用P表示。 P= P- P0 声压单位：帕斯卡（Pa）,微帕斯卡（Pa） 1 Pa=1N/m2 1 Pa=106Pa 在超声检测中，仪器显示的信号为波高，其幅值高低的本质就是声压P的大小；缺陷作为一个反射体，面积越大反射声压越高。就缺陷来说，P值反映的是缺陷的大小。 2.3.2.声阻抗Z 超声场中任意一点的声压P与该处质点振动速度V之比称为声阻抗，常用Z表示。 Z=

12、P/V=c 式中：-材料密度 c-为某型波的声速 声阻抗的单位为克/厘米2秒（g/cm2s）或千克/厘米2秒（Kg/cm2s）。 由上式可以看出，在同一声压下，声阻抗增加质点的振动速度就下降。声阻抗可以理解为介质振动的阻力，这有点像电学里的欧姆定律，电压一定，电阻增加，电流减少。 声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量。超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。 2.3.3 声强I 在垂直于声波传播的方向上，单位面积在单位时间通过能量称为声强度，简称声强。常用I表示。单位为W/cm2 或 J/cm2s。 I=（P2/2）/Z=（P2/2）/c 从上式可以看出，在同一

13、介质中，声强与声压的平方成正比，与超声波频率的平方成正比。 2.3.4.分贝（dB）的概念 由于声强的变化范围非常大，声强的数量级往往也相差很大。如引起听觉的声强范围（闻阈）为10-1610-4W/cm2，最大值与最小值相差12个数量级。显然用声强来运算很不方便。 声强是超声波在单位面积上单位时间内所通过的能量，声强和声压之间有平方的关系，测定声压再通过计算就可以得出声强值。 I=（P2/2）/Z I1/I2=（P1/P2）2 在超声脉冲反射法中测得的是波高，而波高反映的就是声压值， 即：P1/P2=h1/h2 用对数可以简化运算，得到的结果是分贝。用符号dB表示。 （dB）=10lgI1/I

14、2 =20lgP1/P2 式中：I0=10-16瓦/厘米2 例如：P1/P2=6，则（dB）=20P1/P2=20lg6=15.5dB P1/P2=2，则（dB）=20P1/P2=20lg2=6dB P1/P2=10，则（dB）=20P1/P2=20lg10=20dB材料(gcm3)CLb(m/s)CL(m/s)CS(m/s)Z=CL铝2.75040626030801.69铁7.751805850-590032304.5铸铁6.9-7.33500-56002200-32002.5-4.2钢7.75880-595032304.53铜8.93710470022604.18有机玻璃1.1827301

15、4600.32聚本乙烯1.052340-235011500.25环氧树脂1.1-1.252400-290011000.27-0.36尼龙1.1-1.21800-22000.198-0.264聚枫1.18522500.266水（20）0.99714800.148甘油1.2718800.238水玻璃1.723500.399变压器油0.85914250.122空气0.00133440.000042.4.超声波垂直入射到界面时的反射和透射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，在异质界面上，一部分声压反射回原介质内，称为反射波；另一部分声压透过界面在另一种介质中传播，称

16、为透射波。 当超声波垂直入射到异质（Z1Z2）界面时，则在第一介质（声阻抗Z1）中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质（声阻抗Z2）中产生一个与入射波方向相同的透射波。 界面上反射波声压Pr与入射波声压Po之比称为界面的声压反射率用r表示。 即r=Pr/Po 界面上透射波声压Pt与入射波声压Po之比称为界面的声压透射率用t表示。即t=Pt/PoP0（I0）Z1Z2Pr (Ir）Pt （It） 界面两侧的声压，一定符合这两个条件： 界面两侧的总声压相等，即P0+Pr=Pt 界面两侧质点振动幅值相等，即（P0-Pr)/Z1=Pt/Z2上述两个边界条件和声压反射率和透射率的相互关系可以得出1

17、=t-r r和t的求解为： 声压反射率r=Pr/P0=(Z2-Z1)/(Z2+Z1) 声压透射率t=Pt/P0=2Z2/(Z2+Z1) 水水 水水若时，此时超声波几乎全反射， 透射很少。 以钢/水界面为例： 钢的声阻抗Z=45106Kg/m2s 水钢的声阻抗Z=1.5106Kg/m2s 声压反射率 r=(Z2-Z1)/(Z2-Z1)=(1.5-45)/(1.5+45)=-0.935 声压透射率 t=2Z2/(Z2+Z1)=21.5/(1.5+45)=0.065若21时，此时超声波几乎全透射，反射很少。 以水/钢界面为例： 声压反射率 r=(Z2-Z1)/(Z2-Z1)=(45-1.5)/(45

18、+1.5)=0.935 声压透射率 t=2Z2/(Z2+Z1)=245/(45+15)=1.935 正值说明入射波与反射波相位相同，负值说明相位相反。从以上两公式可见：若时，r0, t1,此时超声波 几乎没有反射，全透射。被检工件中没有 反射体，即没有缺陷。例如在焊缝超声波 探伤中母材与焊缝金属填充物间没有缺陷 存在，则不会有界面反射波。2.5.超声波倾斜入射和波形转换 当超声波由一种介质倾斜入射到另一种声速不同介质的大平界面上时，除产生同类型的反射、折射波外，还会产生不同类型的反射、折射波。这种现象称为波形转换。 2.5.1.纵波入射 当纵波L倾斜入射到固固界面时，除产生反射纵波L和折射纵波

19、L外还会产生反射横波S和折射横波S。各种波型的反射、折射的规律符合反射折射定律（斯耐尔定律）： SinL/CL= SinL/CL1 = SinS/CS1 = SinL/CL2 = SinS/CS2 式中：CL1、CS1第一介质的纵波、横波声速 CL2、CS2第二介质的纵波、横波声速 L、L第一介质的纵波入射角和反射角 L、S第二介质纵波、横波的折射角 S 第一介质的横波反射角 两声速之比等于两夹角的正弦之比LLS LSCS2CL1CL2CS1Z2Z1纵波入射示意图CL结论：当L0时第二介质中折射纵波和折射横波同时存在； 当L时第二介质中只有折射横波； 当L 时第二介质中没有折射纵波和折射横波，

20、只在第二介质表面存在表面波。2.5.2.第一临界角和第二临界角 从波的反射折射定律可知：当入射角变化时反射角和折射角相应变化。在固体介质中CLCS，所以Ls，Ls。 在入射角度变化时折射角也随之变化。L=90时，此时的入射角为第一临界角，第二介质中只有横波传播。公式表示为：=Sin-1(CL/CL2)s=90时，此时的入射角为第二临界角，第二介质中没有纵波和横波传播。公式表示为：=Sin-1(CL/Cs2)LLSCS2CL2Z2Z1纵波入射示意图CL 2.5.3.横波斜入射 当横波斜入射到固/固界面时，同样也会产生波型转换。各种反射、折射的方向也符合以下反射、折射定律： Sins/Cs= Si

21、ns/Cs1 = SinL/CL1 = SinL/CL2 = SinS/CS2SL1S1 LSCS2CL21CS1CL1Z2Z1CS横波入射示意图CL=2200m/s,若用该材料做探头楔块，检测钢材料焊缝，其第一临界角和第二临界角各为多少度？ = Sin-1CL1/CL2 =Sin-1(2200/5900)=21.9= Sin-1CL1/CS2=Sin-1(2200/3230)=43.4由计算可知：以有尼龙做楔块探测钢材时入射角度应在21.9和43.4之间。2.6.端角反射 超声波在两个平面构成角造成的反射为端角反射。端角反射在实际检测中经常遇到。当入射波在适当的角度时也会发生波型转换。此时的

22、二次反射回波与入射波平行，但方向相反。 超声波在两个平面构成角造成的反射为端角反射。端角反射在实际检测中经常遇到。如图当入射波在适当的角度时也会发生波型转换。此时的二次反射回波与入射波平行，但方向相反。 在日常焊缝检测中一般使用横波探头，横波入射角30或60的端角反射率最低。入射角35至55的端角反射率最高，可达到100%。因此在检测焊缝根部时常选择K1探头。（折射角=45）不考虑波形转换考虑波形转换L L2.7.超声波在曲面上的反射和透射 在超声波传播过程中遇到界面会发生反射、透射、折射。若界面是曲面时只有垂直入射的声束（声束轴线）保持不改变角度地反射、透射。偏离声束轴线都要按其入射角度产生

23、反射、折射。偏离轴线愈远角度愈大，此时声束会产生聚焦或发散。如同光线通过凹透镜、凸透镜的光学现象。平面入射至凹界面和凸界面的反射如图：对于凹界面会产生聚焦；对于凸界面会产生发散。凹界面凸界面平面入射至凹界面和凸界面的如图：a C1C2b C1C2C C1C2d C1C2曲界面对相邻介质的透射所起的作用于光学透镜相同，其折射角的大小与曲率和两介质的声速比有关。以水/钢界面为例说明四种情况。图a、b为聚焦图c、d为发散反射、透射、折射反射、透射、折射是同时发生的。是同时发生的。3.超声波的圆盘声场 声源产生超声波，并通过介质传播。声束在介质中存在范围称为超声场。声场的分布有一定的范围，声压也是变化

24、的。声场范围内若有反射体则会产生反射。波长 P=2P0sin(/)(D2+X2)1/2-X 3.2.近场区 由于波源各点至轴线上某点的距离不同，存在声程差，互相迭加时存在相位差而导致相互干涉，使得一些地方声压相互加强，一些地方相互减弱，因此在声束轴线上出现极大值和极小值。这一系列存在极大和极小值的区域即为近场区。 声压公式是一个正弦函数说明，在声束轴线上的声压存在极大值和极小值。极大值和极小值的点可以声压公式求出。 由声压公式绘出的声压曲线如图： 在近场区内声压的变化是复杂的，图中N为声束轴线上最后一个声压极大值，大于N声压随距离的增加 声压呈单调下降。N以内的区域即 为近场区。 N=D2/4

25、 N近场长度 D晶片直径 波长 在近场区的存在要注意几点： 在近场区内，声压的极大值和极小值的个数是有限的。 近场区的长度与晶片直径成正比，与波长成反比。 近场区对超声波检测不利。 在近场区范围内检测要考虑近场区的影响，当距离大于3N时可以不考虑近场的影响。P/P0210N3N6N球面波活塞波3.3.波束的指向性和半扩散角 超声场内有主声束和副瓣声束。声波的主要能量集中在主声束内，声波集中向一个方向辐射的性质称为声波的指向性。这个方向与波源轴线的夹角称为第一零值发散角，简称半扩散角。用0表示。 超声波波源辐射的超声波是以特定的角度向外扩散传播出去的，这个与声束轴线的夹角称为半扩散角（）。其角度

26、的大小取决于晶片直径和波长。 半扩散角计算公式： 0=70/D =1.22/D0 半扩散角D 晶片直径 波长超声波的能量相对集中在0内，缺陷在此夹角区域范围内被发现才能相对准确的做出判断。由于在声场内同一截面上各点的声压是不同的，声束轴线上的声压最高，所以在声束轴线上的反射声压也最高。在声场范围内，同一截面上的声压的分布对称。 在超声场内超声波以一定的角度向外扩散，并在声源附近存有一个未扩散区，未扩散区的的大小和晶片直径和波长有关。 sin0=(D/2)/b2+(D/2)21/2 =1.22/D未扩散区通过简单的推导可以得出： bD2/2.44 N=D2/4 b=1.64N0N未扩散区b=1.

27、64N圆盘波源辐射的理想化声场D例：钢纵波声速 CL=5900m/s 频率f=2.5Mhz 晶片直径D=20mm 求近场长度N、半扩散角0和未扩散区长度。解： N=D2/4=202/45900/(2.5106)=42.4mm 0=70/D=700.236/208.3 b=1.64N69.5mm4. 超声波的衰减 能量在传播过程中逐渐减弱的现象称为衰减。同样超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量也会衰减。4.1.超声波衰减的因素有三个方面：扩散、散射、吸收。4.1.1.扩散衰减 随着传播距离的增加，声束的不断扩大使单位面积的声能（声压）随距离的增大而减弱的现象为扩散衰减。扩散衰减随波振

28、面的不同而不同。4.1.2.散射衰减 超声波在介质中传播，遇到粗糙或声阻抗不同的界面会产生散乱反射所引起衰减现象称为散射衰减。散射衰减达到一定值时要考虑对灵敏度的影响。4.1.3.吸收衰减 超声波在传播过程中由于介质质点间的摩擦（粘滞性）和热消耗引起的衰减称为吸收衰减或粘滞衰减。一般情况下不考虑吸收衰减。4.2.衰减定律和衰减系数 在只考虑散射衰减和吸收衰减的情况下，声压衰减定律按如下规律变化： 式中： PX波源至X处的声压 P0波源的初始声压 X某点至声援的距离 介质的衰减系数 e自然对数的底（2.7183）衰减系数只考虑了介质的散射和吸收。衰减系数的大小与超声波的频率、介质的晶粒尺寸、介质

29、的各向异性系数都会影响衰减系数。频率的增高，晶粒尺寸增大、各向异性的倾向增大都会导致衰减系数的增大。PX=P0e-x5.规则反射体的回波声压 被检测工件中的缺陷几何形状及性质各不相同，其返回声压相差很大，所以不能用同样的标准几何体的反射声压来确定缺陷的大小。目前用当量的概念来描述缺陷的尺寸。所谓当量即缺陷回波与人工规则反射体回波能量相等，此时认为该缺陷与人工规则反射体一样大小。需注意的是自然缺陷的尺寸和人工规则反射体的尺寸是不一致的。 在实际工件中缺陷的几何形状多种多样，归类成几种典型的几何形状，能更方便的操作，相对准确的评价缺陷。目前使用标准几何反射体有大平底、平底孔、横孔、球孔。 假想中的

30、几何反射体均为理想化的反射体，反射面为镜面反射，且反射面与声束轴线垂直。 在理论计算中的反射界面不考虑透射、折射的能量损失。5.1.平底孔的回波声压 如图 X3N远场区的平底孔返回声压大小 的计算公式 Pf=PX Ff/（X）=P0FSFf/（2X2） P0波源的初始声压 PX波源至X处的声压 FS探头晶片面积 Ff平底孔面积 X波源至平底孔的距离 从公式可以看出：平底孔的返回声压与平底孔的大小成正比，与距离成反比。任意两个距离直径不同的平底孔回波的分贝差为： =20Pf1/Pf2=40Df1X2/Df2X1 当Df1=Df2、X2=2X1时： =20Pf1/Pf2=40X2/X1=402=1

31、2dB 当Df1=2Df2、X2=X1时： =20Pf1/Pf2=40Df1/Df2=402=12dB通过计算可以得知：平底孔直径增加一倍返回声压差12dB距离增加一倍返回声压差12dBP00PXP0PX5.2.大平底的回波声压 如图 X3N远场区的大平底返回声压 大小的计算公式 PB=PX/2 PB大平底返回的声压 PX波源至X处的声压 从公式可以看出：大平底的返回声压 是该处声压的1/2。其声压大小与距离成 反比。两个不同距离大平底的dB差为 =20PB1/PB2=20X2/X1 当X2=2X1时： =20PB1/PB2=20X2/X1=202=6dB返回声压差5.3.圆柱曲底面的返回声压

32、曲面反射有两种情况：凸面和凹面。反射面为凸面时发散，其返回声压P P凸凸=P=PB B(d/D)(d/D)1/21/2 反射面为凹面时聚焦，其返回声压 P P凹凹=P=PB B(D/d)(D/d)1/21/2凸凸=20(d/D)(d/D)1/21/2 =10(d/D)(d/D)凹凹=20(D/d)(D/d)1/21/2 =10(D/d)(D/d)凹面反射凸面反射5.4.长横孔的回波声压 如图 X3N远场区的长横孔返回声压 大小的计算公式 P=PX/2Df/(2X)1/2 P长横孔的返回声压 PX波源至X处的声压 Df长横孔的直径 X波源至长横孔的距离 从公式可以看出：长横孔回波声压与其直径的平

33、方成正比，与其距离的3/2次方成反比。 任意两个距离直径不同的长横孔的分贝差为： =20Pf1/Pf2=10Df1X23/Df2X13 当Df1=Df2、X2=2X1时： =20Pf1/Pf2=10X23/X13=302=9dB 当Df1=2Df2、X2=X1时： =20Pf1/Pf2=10Df1/Df2=102=3dB通过计算可以得知：长横孔的返回声压距离增加一倍差9dB；直径增加一倍差3dB长度大于声束截面直径的为长横孔长度大于声束截面直径的为长横孔5.5.短横孔的回波声压 如图 X3N远场区的短横孔返回声压 大小的计算公式 P Pc c=P=PX XD Df fl/2Xl/2X2 2（D

34、 Df f/ /3 3）1/21/2 P短横孔的返回声压 PX波源至X处的声压 Df短横孔的直径 l短横孔的长度 X波源至短横孔的距离 波长 =20=20P Pf1f1/P/Pf2f2=10=10(l(l2 2f1f1/l/l2 2f2f2)(X)(X2 24 4/X/X1 14 4)(D)(Df1f1/D/Df2f2) ) 从公式可以看出：当探测条件一定时，短横孔回波声压与短横孔的长度成正比，与直径的平方根成正比，与的平方距离成反比。 其变化规律与直径、长度、距离及使用的频率有关。通过计算得知：短横孔的直径和长度一定，距离差一倍差12dB；直径和距离一定，长度差一倍，差6dB；长度和距离一定

35、，直径差一倍，差3dB。 长度小于声束截面直径的为短横孔长度小于声束截面直径的为短横孔5.6.同声程平底孔和大平底之间的声压计算 由公式PB=PX/2可以得出大平底的返回声压，由公式Pf=PXFf/（X）可以得出平底孔的返回声压。两个声压的比即为平底孔与大平底之间的声压差。 dB差由公式：=20=202 2/ /（2 2X X）例：2.5P20Z探头探测直径500mm工件，C=5900m/s，如何利用底波调节500/2灵敏度？解：由公式：=C/f=5900/2.5103=2.36mm N=D2/4=202/42.36=42.4mm 5003N 可以用简化公式计算 =202/（2X） =2022

36、/（22.36500） =-44.5dB 在工件上将底面波高调至基准高度， 增益44.5 dB即得到500/2的起始灵敏度。44.5超声波检测仪、探头、试块、耦合剂组成了超声波检测系统。为了正确的选择检测设备从而进行有效的检测，需要了解系统内各部分的性能、构造作用和特点以及对检测结果的影响。1. 超声波检测仪 1.1.仪器概述： 超声波检测仪是超声波检测系统的主体设备，其作用是发射和接收超声波信号，从而得到缺陷信息。 超声波检测仪根据检测对象、检测目的、检测环境，对检测速度等多方面的要求有不同的种类。常见的有以下几种： 1.1.1.按激励源持续时间分类 脉冲波检测仪：该种仪器对探头激励源为脉冲

37、发生波。通过探头产生频率不变的超声波，根据接收到的返回信号分析判断反射体的的位置和大小。这是目前应用最广泛的超声波检测仪。 连续波检测仪：该种仪器对探头激励源为连续发生波。该种仪器灵敏度较低，且不能确定反射体的位置，所以大多场合已被脉冲波仪器取代。但在超声显像和超声共振测厚等方面还在继续使用。 第二章 超声检测系统1.1.2.按显示方式分类 A型显示：在显示屏上横坐标是超声波的传播时间（或传播距离），纵坐标是反射脉冲的高度（声压幅度）。就是以横坐标的位置来确定缺陷位置，纵坐标来衡量缺陷大小。如图A B型显示：在显示屏上显示的图象是缺陷在工件中纵剖面的深度位置和缺陷在纵剖截面上的分布。如图B C

38、型显示：在显示屏上显示的图象是缺陷在工件中的投影，不能显示缺陷的深度。如图C1.1.3.按超声波的通道分类 单通道仪器：由一个或一对探头工作，是目前应用最广泛的仪器。 多通道仪器：由多个或多对探头交替或同时工作，每个通道相当一台单通 道仪器，适合自动化生产线使用。 1.2.A型脉冲反射式仪器 1.2.1.仪器的主要组成部分及作用 A型仪器有各种不同的型号，基本电路单元的组成是相同的，包括的基本单元电路有同步电路、发射电路、扫描电路、接收放大电路、显示器，电源等六部分。如图是A型仪器电路方框图。同步电路：是一个脉冲发生器，使仪器的各部分协调工作。发射电路：产生高压脉冲激励探头晶片产生超声波。扫描

39、电路：又称时基电路。荧光屏上的水平扫描即由扫描电路的锯齿波发生器控制，改变锯齿的斜率就改变了时间轴代表的扫查深度。接收放大电路：由衰减器、高频放大器、检波器、抑制器、视频放大器组成。把接受到的信号放大，在荧光屏上显示，经过衰减器衡量缺陷大小，做出正确判定。显示电路：显示接收到的信号。电源：为各部分提供工作能源。2.超声波换能器（探头） 超声波换能器是将电能转换成机械能的器件。通常称为超声波探头。 超声波探头是利用了材料的压电效应使电能机械能互相转化。2.1.压电效应 某些晶体材料在交变拉、压力作用下，会产生交变电场的现象称为正压电效应。 反之晶体材料在交变电场作用下产生伸缩形变的现象称为负压电

40、效应。 超声波探头发射超声波就是利用了负压电效应，接收信号就是利用了正压电效应。2.2.压电材料的主要性能参数2.2.1.频率常数Nt 压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，称为频率常数Nt。晶片厚度确定， Nt越高固有频率越高；晶片材料确定后，厚度越小频率越高。2.2.2.居里温度Tc 压电效应只能在一定物理条件下产生。超过一定温度压电效应就会消失。使压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度Tc。 石英的Tc=570 钛酸钡Tc=115 2.3.探头的种类和结构 超声波检测用途广泛，使用的探头种类多种多样，下面介绍几种常用探头。2.3.1.纵波直探头 直探头主要用于探测与探测面平行的缺陷

41、，如板材锻件等。探头由晶片。保护膜、吸收块、电缆插接件、外壳组成。2.3.2.斜探头 斜探头有纵波斜探头（L），和横波斜探头（L= ）、表面波探头（L）。 这里介绍以横波斜探头为主。 横波斜探头利用横波谈探伤。主要探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷。如焊缝、气轮机叶轮等。 如图：斜探头与直探头的区别就是晶片倾斜， 在晶片前面加一个透声斜楔块组成。由于晶片不与工件接触，无需加保护膜。透声楔块的作用是产生波形转换，使工件中只有横波存在。横波斜探头的标称方式有两种：欧美日本使用横波折射角来标称。我国用钢中折射角的正切值来标称。常用K值对应的折射角 值 （有机玻璃/钢）为满足使用中的多种需要还有双晶探

42、头、聚焦直探头、聚焦斜探头、水浸式探头、曲面式反射探头、小角度探头等等。2.4.探头的型号2.4.1.探头型号的组成探头型号组成包括：标称频率、晶片材料、晶片尺寸、探头种类、特征例如：探头型号2.5PB20Z表示：频率2.5MHhz、材料是钛酸钡陶瓷、 晶片直径20mm直探头 探头型号5P1214K2.5表示：频率5Mhz、材料锆钛酸铅陶瓷 晶片尺寸1214mm、K=2.5 若是聚焦探头还要表注出焦点的参数。DJ是点聚焦，XJ是线聚焦，并标出焦点尺寸。3.电缆 3.1.探头线所使用的电缆是同轴电缆。中心是芯线，芯线外是聚乙烯隔层，隔层外面是金属丝编织的屏蔽层。最外层是保护外皮。 3.2.探头线

43、的作用是将探头与仪器连接，并消除外来电磁波对信号的影响，还防止电缆内的电磁波向外辐射。 同轴电缆比一般电缆脆弱，弯曲过大容易损坏，使用时要注意防止弯曲和扭转角度过大。金属线芯保护外皮金属丝屏蔽层聚乙烯隔层4.试块 按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试样称为试块。试块是超声波检测中的重要工具。4.1.试块的作用调整仪器确定检测灵敏度；测试仪器、探头的性能；调整仪器扫描速度；评判缺陷当量大小。4.2.试块分类 1.标准试块：标准试块由权威机构制定。试块的材质、形状尺寸以及表面状态都有统一规定，用于超声波检测系统性能校准和检测校准。常用的标准试块有：国际焊接学会的IIW、IIW2试块。

44、 JB/T4730标准采用的标准试块有：钢板用标准试块CB、CB；锻件用标准试块CS、CS、CS；焊接接头用标准试块CSKA、CSKA、CSKA、CSKA 2.对比试块：对比试块是指用于检测校准的试块。对比试块的外形尺寸应能代表被检工件的的特征，厚度应与被检工件的厚度相对应。试块厚度的选择应以最大探测厚度来确定。 对比试块反射体的形状、尺寸和数量应符合引用标准的规定。4.3.人工反射体试块 平底孔试块：底面为平面且与探测面平行的试块； 横孔试块：与反射面平行的长横孔试块CSK-a或短横孔试块CSK-a ； 槽试块：加工有V或U槽。钢管探伤钢管探伤使用的试块，要注意长槽和短槽的返回声压的差异。

45、其他还有很多根据具体使用要求制作的试块。4.4.国内常用试块4.4.1.CB试块是JB/T4730.3-2005标准规定的标准试块。适用于检测厚度6250mm的钢板。 选用试块时厚度应与被检测钢板厚度相近。4.4.2.CS试块是JB/T4730.3-2005标准规定的标准试块。CS试块的主要用途测试仪器的水平线性、垂直线性、动态范围；测定绘制纵波直探头曲线；测定探头仪器的综合性能；调节灵敏度；判定衡量3N以内的缺陷尺寸。 4.4.3.CSK-A试块是JB/T4730.3-2005标准规定的标准试块，是在IIW试块的基础上改进的。IIW试块是国际焊接协会的标准试块，该试块首先由荷兰提出，故也称为

46、荷兰试块。CSK-A试块的主要用途调整检测范围和扫描速度；调整水平线性、垂直线性、动态范围；测定探头仪器的分辨率；测定仪器探头组合后的发射功率；测定仪器和探头组合后的盲区；测定斜探头的入射点；测定斜探头的入射角；测定斜探头和仪器组合后的灵敏度余量；调整斜探头横波探伤时的检测范围和时间扫描线；测定斜探头声束轴线是否偏离和偏离大小。4.4.4.CSKA试块L试块的长度由使用的声程决定尺寸误差 0.05mm4.4.5.CSKA试块尺寸误差0.05mm4.4.6.CSKA试块 CSKA试块尺寸CSKA工件厚度试块厚度标准孔位置b标准孔直径dNo1120150135T/4、T/26.4（1/4in）No

47、2150200175T/4、T/27.9（5/16in）No3200250225T/4、T/29.5（3/8in）No4250300275T/4、T/211.1（7/16in）No5300350325T/4、T/212.7（1/2in）No6350400375T/4、T/214.3（9/16in）除以上介绍的试块外还有半圆试块、阶梯试块、IIW2试块、盲区试块。5.超声检测系统的性能及测试 超声波检测系统的性能测试包括仪器的性能、探头的性能、仪器探头组合在一起使用时的综合性能。5.1.仪器的性能5.1.1.垂直线性D：又称为放大线性。荧光屏将回波强弱不同的信号以不同高度按比例显示，精度的高低直

48、接影响缺陷大小的判定。垂直线性误差就是实测波高值与理论波高值的最大正偏差和最大负偏差的绝对值之和。 D=（d1+d2)% A型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术条件JB/T10061-1999规定垂直线性误差D8% 5.1.2.水平线性：又称为时基线性或扫描线性。荧光屏将回波距离不同的信号在水平扫描线上按比例显示，精度的高低直接影响缺陷位置的判定。 =(max/0.8b )100% b:荧光屏满刻度值 A型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术条件JB/T10061-1999规定水平线性误差D2% H波高O 2 4 6 8 10 10.5 10.5偏差 正偏差负偏差dB 0理论波高实际波高5.1.3.动态

49、范围：在增益不变时荧光屏上能分辨的最大反射波高与最小反射波高之比。即仪器荧光屏能容纳回波信号的能力。通常用dB表示。动在同样增益条件下态范围大仪器既能评价大缺陷也能检查出小缺陷。 JB/T10061-1999规定动态范围26dB。5.1.4.衰减器精度：影响缺陷定量的准确性。 N（dB）=20H1/H2 JB/T10061-1999规定任意相邻12dB误差1dB5.2.探头的性能 探头的性能只和探头有关。探头的性能主要有频率特性、距离幅度特性、声束特性（包括双峰、声束的对称性和声束偏斜角）等。对于斜探头还有入射角、前沿距离、折射角、等重要参数。I0O5.2.1.斜探头的前沿距离：斜探头的入射点

50、是指 声束轴线与探测面的交点。探头前沿距离是 指斜探头入射点到探头前端的距离。 测定探头的入射点和前沿距离是为了便于给 缺陷定位和测定探头的折射角。 测定方法：将探头放在半圆试块上，找到圆 弧面的最高反射回波，圆心对应的点即是该 探头的入射点。 探头前沿I0=R-L测定时试块的R距离应大于钢中的近场区长度N。LR5.2.2.斜探头的折射角和K值：我国用K值表示折射角。K值就是折射角的正切值，即K=tg。 斜探头的K值是指被检测工件中横波折射角S的正切值， K=tgS，常用IIW、CSK-1试块上的50或 1.5的横孔来测定。也可用其他试块。 对于一个固定的探头来说入射角是固定的，但其折射角（K

51、）是随探测材料声速而变化的。 测定时要在近场区以外进行。5.2.3.斜探头的双峰：对同一反射体，产生两个最高反射回波的现象称为双峰。双峰是由于声束分叉引起的。双峰会影响缺陷的判定，有双峰的探头不能用于探伤。 双峰测试可以用横通孔试块测试。 将探头放在横通孔试块上，对着横通孔前后移动探头，若荧光屏上出现的缺陷回波是两个高点，则说明该探头有双峰，声束是分叉的。5.3.仪器和探头的组合性能 包括灵敏度、盲区、分辨力、信噪比等。仪器的综合性能不仅和仪器有关和，和探头也有关。5.3.1.灵敏度和灵敏度余量：仪器探头组合能发现最小缺陷的能力为本组合的灵敏度。灵敏度余量是指仪器最大输出时，在规定的反射体回波

52、达到可识别高度时仪器衰减的总量。余量越大能检出的缺陷越小。不同的组合有不同的灵敏度余量。5.3.2.盲区和始波占宽：在规定的探伤灵敏度条件下，不够探测出缺陷的最大距离称为盲区。始波占宽是指波高为满屏的20%时始波根部在时间扫描线上所占的长度。O 2 4 6 8 10 10.5O 2 4 6 8 10 10.5波峰波谷dB差最大噪声与最小缺陷dB差始波占宽规定反射体最小可识别高度5.3.3.分辨力：区分两个相 邻缺陷回波的能力，也称 分辨率。分辨率高有利于 分辨密集缺陷。5.3.4.信噪比：最小缺陷回 波与最大噪声信号之比。 信噪比高有利于小缺陷的 检出。6.偶合剂 6.1.耦合和耦合剂 超声波

53、检测中使探头和工件中的能量互相传入的手段为耦合。耦合的好坏和耦合剂的物理参数直接影响传导能量的高低。 6.2.耦合剂的作用：排除空气；方便操作；保护探头。 6.3.影响耦合的因素：耦合剂的声阻抗；工件粗糙度；工件几何的形状。 6.4.提高耦合效果的方法：降低工件粗糙度；探测曲面工件时磨削探头使和工件表面楔合；选择声阻抗高的耦合剂。 6.5.耦合剂选择原则：透声性能好，声阻抗大；有足够的润湿性、适当的附着力和黏度；对工件无腐蚀，对人体无害，对环境无污染；容易清除，不易变质，价格便宜，来源方便。 6.6.常用耦合剂：水、甘油、机油、变压器油、糨糊等等种类种类g/cmg/cm3 3C CL Lm/s

54、m/sZ Z轻油0.8113240.107变压器油0.85914250.122汽油0.80512500.101煤油0.82512950.106酒精0.7914400.114水200.99714800.148甘油100%1.2718800.238甘油33%1.08416700.18甘油20%1.0516000.168甘油10%1.02515600.158水玻璃100%1.723500.399水玻璃33%1.2617200.217水玻璃20%1.1416000.182水玻璃10%1.0615600.166空气0.00133440.00004常见液体、气体的声速和声阻抗106g/cm.s1. 超声波

55、检测方法概述 1.1.按原理分类 1.1.1.脉冲反射法 超声波在传播过程中遇到异质界面产生反射，引起声能大小变化，通过分析来自异质界面声能大小的变化判定缺陷的大小。 实际工作中反射法包括缺陷回波法、底波法和多次底波法。 1.1.2.穿透法 依据脉冲波或连续波穿透试件后的能量变化判断缺陷的状况，确定缺陷的量值。 脉冲反射法穿透法1.2.按波型分类1.2.1.直射纵波法 用直探头发射纵波进行探伤的方法为纵波法。主要用于锻件、铸件、板材的探伤。纵波直探头法声波传播方向不变，缺陷定位简单明确。1.2.2.斜射横波法 将纵波通过楔块倾斜入射产生横波进行探伤的方法为横波法。主要用于焊缝、管材探伤。也可以

56、作为纵波直探头所不易发现缺陷的辅助探测手段。1.2.3.表面波法 主要用于检测表面光滑的表层缺陷。 直射纵波法斜射横波法表面波法水浸横波法探测管材斜射横波法探测锻件1.3.按探头分有：单探头法、双探头法、多探头法；A型显示B型显示C型显示1.4.按接触方式分有：直接接触法、液浸法；1.5.按显示方式分有：A型、B型、C型显示方式。单探头法双探头法局部液浸法直探头斜探头双晶探头聚焦探头纵波直探头横波斜探头双晶直探头点聚焦探头横波直探头纵波斜探头双晶斜探头线聚焦探头双晶直探头双晶斜探头斜聚焦探头聚焦直探头聚焦斜探头水浸聚焦探头可变角斜探头水浸探头2.仪器与探头的选择2.1.仪器的选择：检测要根据检

57、测对象、检测要求、检测目的、检测速度等因素选择检测仪器。目前使用最多的是A型显示脉冲式超声波探伤仪。选择仪的性能要符合检测使用要求。探头形式多种多样，每种形式的探头还有不同的型号、规格尺寸和不同的频率，以及不同的角度。探头的选择要考虑可能产生缺陷的部位和方向、工件的几何形状、探测面的状况。一般说来铸锻件、中厚板探伤以直探头检测；近表面探伤宜使用双晶探头；小口径管、棒材以水浸聚焦探头检测焊缝探伤以横波或纵波检测。2.2.1.探头形式分类 2.2.2.探头频率的选择：频率是探头的重要参数，影响到近场区和对小缺陷的检出能力，对不同的检测对象标准规定了使用范围。 2.2.3.晶片尺寸：探头晶片尺寸的大

58、小决定了声束的指向性和近场长度。对于厚度较大的工件宜选用大直径探头；对于厚度小的工件宜使用晶片直径较小的的探头。 2.2.4.斜探头：薄工件选大K值探头；厚工件选小K值探头。 K值的选择探头K值的选择应从以下三个方面考虑。 （）使声束能扫查到整个焊缝截面；（）使声束能扫查到整个焊缝截面； （）使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直；（）使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直； （）保证有足够的探伤灵敏度。（）保证有足够的探伤灵敏度。3. 耦合和补偿 3.1.耦合剂：在探伤工作中探头和工件之间必须施加耦合剂，超声波通过耦合介质传入工件，达到探伤目的。各种耦合因素会影响超声波的传导，造成声能量的损失，

59、增大检测结论的误差。为使误差降到最低，就要考虑耦合因素的影响。 改善耦合的几个方面：耦合层厚度尽量符合透声条件；选择声阻抗大的材料；尽量降低表面粗糙度；工件表面形状要简单并与晶片平行。 3.2.耦合损耗的测定和补偿 在试块或工件上用一次或若干次波测定。在计算缺陷当量时将测出的dB差加以补偿。4. 仪器的调节 4.1.扫描速度的调节 将仪器的时基扫描线的水平刻度与实际声程调成一定的比例关系，其比例要根据工件检出的缺陷最大声程范围来决定。 4.1.1.纵波调节：纵波探伤一般按探测的声程调节扫面速度。 工件厚度200mm,纵波直探头，如何调整仪器扫描速度。 将探头放在工件上，先用水平旋钮调整始波，将

60、始波前沿对准0点；用深度旋钮调整底面回波，使其等比例的在水平刻度上出现若干次回波。 如图为1：4比例。探头在A位置时底面回波在水平刻度5的位置，若没有缺陷则只在5、10刻度位置有回波显示。若存在缺陷则在相应深度位置出现回波。O 2 4 6 8 10ABB1B2F1F3F2 4.1.2.横波调节的三种方法：通常横波探伤是斜入射，缺陷位置的确定要用三角关系计算，仪器水平扫描线可以表示三角形的任意一条边，所以调节水平的方法有三种。 X 0 2 4 6 8 10B1B2XdL L 0 1.8 3.6 5.4 7.1 8.9 d 0 .89 1.78 2.68 3.58 4.47 声程调节：荧光屏时基扫