先进成形与智能技术 课件 7.3 超声检测技术

7.3超声检测技术基础理论战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS7.3.1.超声波的基本性质7.3.2.超声检测的特点和方法7.3.3.超声检测技术的应用案例人耳所能听见的声波频率范围一般被认为是20Hz至20kHz，频率在此范围内的声波称为可闻声波。这些声波包括大多数音乐和语音等声音。而频率高于20kHz的声波则被定义为超声波，常用于医疗和工业检测等领域；而频率低于20Hz的声波被称为次声波，通常无法被人耳听到，但在某些情况下具有重要的应用价值，比如地震监测和动物交流。7.3.1.超声波的基本性质战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1良好的方向性1234能量高界面反射、折射和波型转换穿透能力强超声波特性战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2超声波的应用可用于加工硬度特别高的材料，如红宝石、金刚石、陶瓷和石英玻璃等机械加工可应用于焊接难以焊接的金属，如钛、钍等7.3.1

超声波的基本性质焊接清洗化学工业医学可以清洗电子零件、光学器件、医疗器械等可作为催化剂，促进化学反应的进行可利用超声波进行诊断、消毒等超声波按振动模式、波形和持续时间分类，适用于多种应用场景。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3超声波的分类7.2.1计算机视觉检测系统13根据波形分类可将超声波分为：平面波、球面波和柱面波根据振源振动的持续时间分类，根据波源振动的持续时间，可以把超声波划分为连续波和脉冲波根据振动模式和质点振动方向与波的传播方向之间的关系进行分类，包括纵波、横波、表面波、板波、爬波和导波等类型2战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4超声波的声速、声压及声强7.3.1.超声波的基本性质声压是指由于声振动使声场中的介质质点受到的附加压力的强度。它用某一时刻某一点的压强与没有超声波存在时的静态压强之差来表示，，即：

由波动方程得到质点的振动速度为：

声强是指声波传播的能流密度pu在一个周期T内的平均值，即在单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声能，常用字母I表示。声强的常用单位是或。用数学公式表示为：

式中pu——垂直通过单位面积的瞬时功率，即能流密度。超声波的声速是指超声波在单位时间内传播的距离，通常称为传播速度，用符号C表示。它是描述声波现象或声学研究的重要参数之一。超声波的声速与介质的弹性模量、介质的密度、超声波的波形、温度、压力以及介质的均匀性等有关超声检测（UltrasonicTesting，UT）是一种非破坏性检测技术，利用超声波与工件之间的相互作用来分析工件内部的特性。通过对超声波在物体内部的反射、透射和散射现象进行深入研究，技术人员能够检测和评估工件的内部结构及表面缺陷。超声检测不仅可以有效识别宏观缺陷，如裂纹和气孔，还能用于测量工件的几何特性，分析材料的组织结构，评估材料的力学性能变化战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造57.3.2.1超声检测的基本原理和应用7.3.2.超声检测的特点和方法。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造67.3.2.1超声检测的基本原理和应用7.3.2.超声检测的特点和方法

该技术被广泛应用于航空航天、核工业、兵器制造、造船、特种设备、机械、电力、冶金、化工、矿业、建筑和交通等工业领域，以及科学研究和医疗领域。超声检测可以测量材料的声速、声衰减、厚度、应力和硬度等参数，还可以检测液体的浓度、密度、黏度、流速、流量和液位。此外，它还能用于地层断裂、空洞测量、岩石空隙率和含水量的检测等。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造77.3.2.2超声检测的优点7.3.2.超声检测的特点和方法成本低操作简便技术灵活设备轻便

超声检测能够检测较大厚度的工件，对人和环境无害，并对内部和表面缺陷高度敏感。特别是对于焊接中的裂纹和未熔合等危害性较大的面积型缺陷，超声检测具有较高的灵敏度。此外，超声检测能够定量确定缺陷在工件中的深度，通常只需在工件的一侧即可进行检测。它可以实时提供检测结果，除了探伤外，还能进行材料特性的测定，并且在役检测也十分方便。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造87.3.2.2超声检测的局限性7.3.2.超声检测的特点和方法缺陷判定不直观难以确定缺陷的密度、大小及类型对检测人员的技能和经验要求很高

超声检测很难检测粗晶材料、表面过于粗糙、形状不规则、检测对象过小或过薄以及非同质材料。平行于声束的线状缺陷也难以检测。设备和缺陷均需依据标准进行标定。在工程实践中，超声检测通常与射线检测配合使用，以提高检测效率和结果的可靠性。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造97.3.2.3

超声波检测方法7.3.2.超声检测的特点和方法

应用共振现象对试件进行检测的方法叫共振法。探头把超声波辐射到试件后，通过连续调整声波的频率以改变其波长，当试件的厚度为声波半波长的整数倍时，则在试件中产生驻波，且驻波的波腹正好落在试件的表面上。用共振法测厚时，在测得超声波的频率和共振次数后，可用下式计算试件的厚度：式中c为超声波在试件中的传播速度；为波长。

当在试件中有较大缺陷或壁厚改变时，将使共振点偏移乃至共振现象消失，所以共振法常用于壁厚的测量，以及复合材料的胶合质量、板材点焊质量、均匀腐蚀和金属板材内部夹层等缺陷的超声检测。（1）共振法

透射法又叫穿透法，是最早采用的一种超声检测技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造107.3.2.3

超声波检测方法7.3.2.超声检测的特点和方法（2）透射法（a）连续皱穿透法（b）脉冲波穿透法1-脉冲波高频发生器；2-发射探头；3-工件；4-缺陷；5-接收探头；6-探头器；7-显示屏；8-耦合剂战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造117.3.2.3

超声波检测方法7.3.2.超声检测的特点和方法

透射法是将发射探头和接收探头分别置于试件的两个相对面上，根据超声波穿透试件后的能量变化情况，来判断试件内部质量的方法。如试件内无缺陷，声波穿透后衰减小，则接收信号较强；如试件内有小缺陷，声波在传播过程中部分被缺陷遮挡，使之在缺陷后形成阴影，接受探头只能收到较弱的信号；若试件中缺陷面积大于声束截面时，全部声束被缺陷遮挡，接收探头则收不到发射信号

值得指出的是，超声信号的减弱既与缺陷尺寸有关，还与探头的超声特性有关。此方法除超声信号是衰减而不是增加外，与分贝降低法十分相似。透射法简单易懂，便于实施，不需考虑反射脉冲幅度，而且裂纹的遮蔽作用不受缺陷粗糙度或缺陷方位等因素的影响。（2）透射法战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造127.3.2.3

超声波检测方法7.3.2.超声检测的特点和方法

透射法优点：透射法是根据缺陷遮挡声束而导致声能变化来判断缺陷有无和大小的。当缺陷尺寸大于探头波束宽度时，该方法测得的裂纹尺寸的精度高于2mm。在试件中声波只做单向传播，适合检测高衰减的材料。当选择好耦合剂后，特别适用于单一产品大批量加工制造过程中的机械化自动检测；在探头与试件相对位置布置得当后，即可进行检测，在试件中几乎不存在盲区（2）透射法

透射法缺点：一对探头单收单发的情况下，只能判断缺陷的有无和大小，不能确定缺陷的方位；当缺陷尺寸小于探头波束宽度时，该方法的探测灵敏度低。若用探伤仪上透射波高低来评价缺陷的大小，则仅当透射声压变化20%以上时，才能将超声信号的变化进行有效的区分。若用数据采集器采集超声波信号，并借助于计算机进行信号处理，则可大大提高探测灵敏度和精度。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造137.3.2.3

超声波检测方法7.3.2.超声检测的特点和方法（3）脉冲反射法直接接触脉冲反射法

脉冲反射法是应用最广泛的一种超声检测方法。在实际检测中直接接触式脉冲反射法最为常用A-一次；B-多次1-操头；2-缺陷；3-工件；4-显示屏该法按照检测时所使用的波的类型大致可分为：纵波法、横波法、表面波法、板波法。在某些特殊情况下，有的是用两个探头来进行的，有的则必须在液浸的情况下才能进行检测。战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造147.3.2.3

超声波检测方法7.3.2.超声检测的特点和方法

脉冲反射法是利用超声波脉冲在试件内传播的过程中，遇有声阻抗相差较大的两种介质的界面时，将发生反射的原理进行检测的方法。采用一个探头兼做发射和接收器件，接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷及底面反射波的有无、大小及其在时基轴上的位置来判断缺陷的有无、大小及其方位。（3）脉冲反射法战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造167.3.2.3

超声波检测方法7.3.2.超声检测的特点和方法

脉冲反射法的优点包括检测灵敏度高，能发现较小缺陷；经过调整后可实现较高精度；适用范围广，易于操作和实施。其缺点则为单探头检测存在盲区，无法有效检测薄壁试件和近表面缺陷，缺陷波大小与缺陷取向相关，且对高衰减材料不适用。直接接触脉冲反射法依赖探头与试件的接触质量，需使用耦合剂以优化声耦合效果。该法包括纵波、横波、表面波和板波，其中纵波法应用最广。（3）脉冲反射法战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造177.3.2.3

超声波检测方法7.3.2.超声检测的特点和方法

液浸法是在探头与试件之间填充一定厚度的液体介质作耦合剂，使声波首先经过液体耦合剂，而后再人射到试件中去，探头与试件并不直接接触，从而克服了直接接触法的上述缺点。液浸法中，探头角度可任意调整，声波的发射、接收也比较稳定，便于实现检测自动化，大大提高了检测速度。缺点是当耦合层较厚时，声能损失较大。另外，自动化检测还需要相应的辅助设备，有时是复杂的机械设备和电子设备它们对单一产品（或几种产品）往往具有很高的检测能力，但缺乏灵活性。总之，其与直接接触法相比，各有利弊，应根据被检对象的具体情况选用不同的方法。（4）液浸法第7章先进成形智能检测技术7.3.3.超声检测技术的应用案例

战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造18基于深度学习的航空机匣环件超声全聚焦缺陷检测技术基于超声平面波全聚焦的管座角焊缝缺陷检测技术2

基于激光超声的波纹复合板界面缺陷在线检测技术137.3.3.超声检测技术的应用案例1.基于深度学习的航空机匣环件超声全聚焦缺陷检测技术

战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造19

航空发动机机匣环件的制造过程中可能出现折叠、孔洞和裂纹等缺陷，这些缺陷会严重影响零件的安全与寿命。武汉理工大学华林团队提出了一种基于深度学习的超声全聚焦缺陷检测技术，利用水浸超声相控阵检测系统，结合YOLOX-S深度学习模型，在检测过程中实现孔洞、裂纹及密集型孔的高精度识别。该方法平均识别准确率达99.17%，显著提升了检测效率与准确性。7.3.3.超声检测技术的应用案例2.

基于超声平面波全聚焦的管座角焊缝缺陷检测技术

战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造22管座角焊缝广泛应用于电站锅炉及油气管道，易产生缺陷，亟需超声无损检测。浙江大学金浩然团队提出了一种超声平面波全聚焦成像方法，从接管端进行多模态融合检测。通过声场解析模型获得灵敏度图像，发射特定角度的平面声波并采集回波数据，处理生成高分辨率的融合成像。实验结果显示，该方法能清晰呈现气孔、裂纹、未焊透等缺陷，定位误差小于0.59mm，定位精准，为接管焊缝检测提供了新的技术方案。7