超声波检测基本知识

用超声波对金属进行探伤时，必须首先对超声波用于金属探伤的原理有所了解，也就是说，从金属探伤这一角度出发，要对金属中超声波的产生、超声波在金属中的传播以及超声波在金属中与缺陷的相互作用有所了解。

基础知识

一、超声波的定义

超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。

物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动，称为机械振动。振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波就是一种机械波。

超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中传播而形成的波动，通常以其波动频率f和人的可闻频率加以区分超声波与其他声波种类：

次声波：f＜20 Hz 人耳不可闻

声波：20 Hz≤f≤20 k Hz 人耳可闻

超声波：20 k Hz≤f≤103 MHz 人耳不可闻

特超声波：f＞103 MHz 人耳不可闻

超声波探伤用的频率为0.25～15 MHz，金属材料超声波探伤常用频率为0.5～10 MHz，其波长约10～0.5 mm。

由于超声波频率比可闻声波高得多，因此其波长短，加上它在固体中传播时传递能量较大，这样使得超声波传播时具有某些与光波类似的特性，为此也常常借用光学原理来研究和解释超声波的物理现象。

超声波具有以下几个特性：

1.束射特性

超声波波长短，声束指向性好，可以使超声能量向一定方向集中辐射。

2.反射特性

超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面会产生反射、透射或折射，而反射特性正是脉冲反射法的探伤基础。

3.传播特性

超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小、振速高，因此其声压声强均比可闻声波大，传播距离远，可检测范围大。

4.波形转换特性

超声波在两个声速不同的异质界面上容易实现波形转换，从而为各种波形（纵波、横波、板波、表面波）探伤提供了方便。

正是利用了超声波的这些特性，人们发展了超声波探伤技术。

二、超声波的波形

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，可将波动分为纵波、横波、表面波和板波等。

1.纵波L

当弹性介质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，受力质点间距就会相应产生交替的疏密变形，此时质点振动方向与波动传播方向相同，这种波型称为纵波，用符号L表示。

凡是能发生拉伸或压缩变形的介质都能够传播纵波。固体能够产生拉伸和压缩变形，所以纵波能够在固体中传播。液体和气体在压力作用下能产生相应的体积变化，因此纵波也能在液体和气体中传播。

2.横波S

当固体弹性介质受到交变的剪切应力作用时，介质质点就会产生相应的横向振动，介质发生剪切变形；此时质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波形称为横波，也可叫作剪切波，用符号S表示。

在横波传播过程中，介质的层与层之间发生相应的位移，即剪切变形；因此能传播横波的介质应是能产生剪切弹性变形的介质。自然界中，只有固体弹性介质具有剪切弹性力，而液体和气体介质各相邻层间可以自由滑动，不具有剪切弹性力，所以横波只能在固体中传播，气体和液体中不能传播横波和具有横向振动分量的其他波形。

3.表面波

当固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时，质点作相应的纵横向复合振动；此时质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。表面波是横波的一个特例。

4.板波

在板厚与波长相当的薄板中传播的波，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 SH波是水平偏振的横波在薄板中传播的波。薄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 兰姆波又分为对称型（S型）和非对称型（A型）。

板波主要用于探测薄板，如薄壁管内的分层、裂纹等缺陷，以及检测复合材料的结合状况等。

超声检测中常用的波形，见表5-1。

三、波速与波长

波动在单位时间内的传播距离就是波动传播的速度，声学中又可将波速叫作声速。在超声波探伤中，声速是缺陷定位的基础。从波动的定义可知：相位相同的相邻振动质点之间的距离称为波长，用字母λ表示；质点在其平衡位置附近来回振动一次，超声波就向前传播了f·λ的距离（f表示频率），该距离就是每秒钟传播的距离，也就是波速（声速），用符号C表示。

上述定义表明，声速：

C=λf或=C/f

影响超声波声速的主要因素是波型、传播介质的弹性性能、工件的尺寸和温度等，而与频率无关。

四、超声场的特征值

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。超声场具有一定的空间大小和形状，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被发现。

描述超声场的特征值（即物理量）主要有声压、声强和声阻抗。

1.声压

声压是声波传播过程中介质质点交变振动的某一瞬时所受的附加压强，用符号P表示。声压的单位是帕斯卡（Pa）。声压与A型脉冲反射式探伤仪示波屏上的回波高度存在线性关系。

2.声强和分贝

在垂直于声波传播的方向上，单位面积上在单位时间内所通过的声能量称为声强度，简称声强，声强级即声强的等级，用来衡量声强的大小等级，如噪声声强级、声响度级、超声声强级等。一般来说，人耳可闻的最弱声强为I0=10－16W/cm2，称为标准声强，而人耳可忍受的最大声强可达10－4W/cm2，两者相差1 012倍，因此常用对数来表示声强级：

声强级的单位为贝尔（Bel），因为贝尔的单位比较大，工程上应用时将其缩小10倍后以分贝为单位，用符号d B表示。

如果采用声压级表示，则声压级Lp为：

3.声阻抗

超声场中任一点的声压p与该处质点振动速度u之比称为声阻抗，常用Z表示。

式中 ρ—材料密度；

c—为某波形的声速。

由上式可知，声阻抗的大小等于介质的密度与波速的乘积。由u=P/Z可知，在同一声压下，Z增加，质点的振动速度下降。因此，声阻抗Z可理解为介质对质点振动的阻碍作用。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。

任务实施

一、超声波检测的定义

超声波检测是指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试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价的技术。是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种无损检测方法。它主要用于检测金属材料和部分非金属材料的内部缺陷。

在特种设备行业，通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。

二、超声波检测的特点

1.优点

超声波检测适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；超声波穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测。如对金属材料，可检测厚度为1～2 mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；超声波检测对缺陷定位较准确，对面积型缺陷的检出率较高；灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；超声波检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便。

2.缺点

超声波检测对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究；对具有复杂形状或不规则外形的试件进行超声检测有困难；缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；材质、晶粒度等对检测有较大影响；以常用的手工A型脉冲反射法检测时结果显示不直观，且检测结果无直接见证记录。

三、超声检测的分类

1.按工作原理分

可分为脉冲反射法、穿透法、共振法三种。

2.按显示缺陷的方式分

可分为A型显示——显示缺陷的脉冲波；B型显示——显示工件的垂直截面；C型显示——显示工件的横截面；3D型显示——显示准三维图像。

3.按所使用的波型分

可分为纵波、横波、表面波、板波法。

4.按声耦合方式分

可分为直接接触法、浸液法。

在焊缝超声检测中，广泛使用的是A型脉冲反射式超声检测方法。

四、超声检测的应用

超声波检测的作用是质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率。

超声波检测的应用非常广，从检测对象的材料来说，可用于金属、非金属和复合材料；从检测对象的制造工艺来说，可用于锻件、铸件、焊接件、胶结件等；从检测对象的形状来说，可用于板材、棒材、管材等；从检测对象的尺寸来说，厚度可小至1 mm，也可大至几米；从缺陷部位来说，既可以是表面缺陷，也可以是内部缺陷。超声波检测的典型应用见表5-2。

表5-2 超声波检测的典型应用

拓展提高

超声检测的发展简史和现状

超声波应用于材料的无损检测领域开始于二十世纪二十年代末三十年代初，苏联和德国的科学家几乎同时报道了超声波在材料检测方面的应用。二十世纪四十年代的二次世界大战对于技术发展的迫切要求再次成为超声检测技术进步的推动力。首先，探测潜艇的超声波声呐得到广泛应用，但是，其回波检测的思想对于短距离材料检测而言实在是超越了当时的电子技术水平，只能采用连续波透射法，这种探伤方法有很大的局限性。二战以后，随着对超声波探伤原理和特性的不断深入了解，特别是脉冲反射法的应用、纵波、横波、板波和表面波相继发现并成功应用，超声波在无损检测方面的优点也得以充分体现，超声波探伤开始被用于解决一些严格的质量问题，并在冶金制造业得到了越来越广的应用。随着半导体技术和计算机技术的进步，超声波探伤仪器和装备不断小型化，并出现了由电池供电的便携式超声波探伤仪器，同时，新材料技术的发展也使新型的性能更为优越的压电材料得以广泛应用，相关的探伤方法、探伤标准和基准等也趋于成熟，因此，超声波探伤在对产品质量有严格要求的航空航工业、原子能工业、石油化工业、锅炉和压力容器行业、冶金制造业以及建筑业等得到了全面应用，成为最为重要和广泛应用的无损检测方法之一。