ASNT - UT二级官方教程 - 图文

ASNT UT-Ⅱ级 通用知识培训教程

厚板厂质检站 2010年8月

目 录

第一课

概述 .................................................................................................................. 1 超声波基本应用 ....................................................................................................... 1 培训与资格鉴定 ....................................................................................................... 1 第二课

超声波检测简介 ............................................................................................. 3 超声波的特点 ........................................................................................................... 3 超声波检测 ............................................................................................................... 3 可闻声波和超声波的频率 ...................................................................................... 3 超声波的特点 ........................................................................................................... 4 超声原理 ................................................................................................................... 6 第三课

超声检测设备 ............................................................................................... 14 专业术语 ................................................................................................................. 14 术语 .......................................................................................................................... 15 设备电路 ................................................................................................................. 15 设备控制钮（键） ................................................................................................. 17 两种基本的超声波检测系统 ................................................................................ 22 第四课

超声波的产生 ............................................................................................... 29 专用术语 ................................................................................................................. 29 超声波的产生 ......................................................................................................... 33 耦合剂 ..................................................................................................................... 35 第五课

超声波的特性 ............................................................................................... 40 专业术语 ................................................................................................................. 40 超声波的特性 ......................................................................................................... 43 第六课 第七课

时间/距离关系 仪器校正/压缩波 .......................................................... 49 无损检测基础 ............................................................................................... 57 专业术语 ................................................................................................................. 49 无损检测简介 ......................................................................................................... 57

第一课 概述

超声波基本应用

超声是一种多用途的检测技术，它既可以用来检测各种金属产品，也可以用来检测非金属产品，例如焊缝、锻件、铸件、板材、管材、塑料和陶瓷制品等。超声具有的一个优点是，在工件的一侧表面即可检测内部或皮下的不连续缺陷。超声波检测的目的是利用下述手段来确保产品的可靠性：

(1) 获取有关缺陷的信息。

(2) 在不破坏工件使用的情况下，揭示缺陷的特性。 (3) 根据有关标准，区分合格品和不合格品。

培训与资格鉴定

在使用本技术并对检测结果进行评价之前，技术人员和管理人员获得超声波检测资格是非常重要的。

美国无损检测学会推荐使用它们的文件“推荐实践SNT-TC-1A”。 这个文件为使用者提供了各种无损检测技术资格的必要指导。

按照这一文件，雇主制定一套“书面规定”，详细叙述技术人员如何进行培训、考核和资格鉴定。

建议学员学习SNT-TC-1A的最新版本，以了解文件推荐的，作为一名超声检测技术人员用于资格鉴定所必须的课堂教学时间和从业经历时间。

无损检测人员的资格鉴定由雇主负责，它一般分为三个等级： I级

根据书面说明执行专门的标准、专门的检测和专门的评估。

Ⅱ级 调校设备，并根据规定、规范和标准解释和评价检测结果。必须能够准备书面说明并报告检测结果。

Ⅲ级 负责制定技术、解释标准，和设计所用的检测方法和技术，必须具有技术实践背景，且熟知其他常规无损检测方法。

文件SNT-TC-1A推荐按下述范围考核I级和Ⅱ级技术人员： A：通用知识考核 B：专业知识考核 C：实际操作考试

美国无损检测学会为雇主提供了Ⅲ级的基础和方法方面的考核服务。上于许多企业使用了NDT设备，所以专业考核也雇主的责任。根据SNT-TC-1A绘制的资格鉴定流程图如下：

1

图1-1

2

第二课 超声波检测简介

本课介绍超声波检测和在工业中的作用。超声波检测广泛地应用于对材料的立体检测。它可以与其它NDT方法一起使用，在高要求时它更具优势。

与其它NDT方法相比，超声波检测是相对较新的技术，在20世纪40年代早期，密歇根大学的F.Firestone博士开始了在此领域的研究和开发。

超声波的特点

超声波与可闻声波非常类似，超声波具有可闻声波的很多特性。两者之间的主要区别是超声波的频率较高。

同样地，超声波的特点与声纳非常相似。声纳的振动能量可以穿过介质，在传播路径上的物体会反射声纳。这些基本原理同样可以应用于超声波。这也正是本课前面部分所涵盖的内容。本课的后续部分将会拓展到仪器和影响探测的检测参量。

超声波检测

超声波检测可以应用在很多不同形态的材料上，例如：铸件、锻件、冲压件和焊接件等。超声波检测的另一个优点是可以检测很多不同种类的材料，例如：塑料、铁磁性和非铁磁性材料、玻璃等等。超声检测可以用在任何允许超声波通过的材料上。

被检工件的很多信息可以通过超声波检测来获得。例如，工件的厚度，工件内部是否存在不连续性缺陷。一些现代的超声波设备甚至可以将工件的声学性能同机械性能联系起来，例如：硬度和抗拉强度。

由于许多变量的存在，所以在很大程度上，超声波检测的可靠性与操作者有关。这就意味着，初次接触超声波的新学员不得不学习这些变量，以便正确地评估检测仪器为我们呈现的各种数据。

下面课程将深入地介绍超声波检测的原理、优点、范围和应用。

可闻声波和超声波的频率

超所波检测利用声波作为探测材料的手段，用以检测材料中的不连续性缺陷。这类声波的频率远高于人们可察觉到的声波的频率。一般情况下，人们可听到的声波的频率范围是20~20000Hz。当频率高于20000Hz时，人耳就听不到

3

了，这种声波称为超声波。

由于这类声波的特点，超声波可探测的材料范围很广。因为超声波可以穿透到材料很深的地方，所以它比射线检测技术更具优势。超声波的穿透深度由超声波的频率和材料本身决定。

声可以用机械能来定义。敲击U型叉就会产生声波，我们的耳朵就可以通过U型叉在空气中的往复运动感觉到振动。

产生超声波的机械能与此相类似。只有一点不同，超声检测的频率范围在0.2~25MHz，这个频率远超出了人耳可听到的范围。

用来产生高频声波并将其导入被检工件的装置称为换能器。在换能器中有一个压电材料，这个材料可以将电能转换成机械能，反之亦然。

压电效应是某些材料（元件或晶体）的固有特性。以电能的方式给换能器一个脉冲，晶体就会振动。这种振动由晶体的膨胀和收缩引起，是电脉冲引起的特有反应。

将换能器与被检工件相耦合，晶体的振动就以超声波能量传输的方式传递到工件中。处于超声波传播途径上的不连续性缺陷会将声束反射回换能器（这与缺陷的取向有关）。最终作为一种指示显示出来。

超声波的特点

为了进一步熟悉高频声波以及它如何通过材料传播，了解其固有特性是重要的。检测是否可行与这种声波和被检材料的相互作用有关。

声波是一种简单的质点振动。在超声波范围，声波有很高的频率。在大多数接触法检测中，使用的频率在1MHz~5MHz之间。

频率的真正含义是什么？为了弄清超声波的特性，我们以物体中单个粒子的振动为例加以说明。

质点的振动

首先考虑不受力的情况。此时，构成物体的所有质点以固有的结构和形式排列。在不受力时，这些质点处在它们“静止位置”上作自由运动。当来自换能器的机械振动传入工件表面时，这些质点就会在它们的静止位置附近开始振动。

循环

质点首先在一个方向上发生位移，然后在相反的方向上发生位移，两个位移构成了一个完整的循环。

图1-2

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周期

频率实际上是单位时间内完成循环的次数。频率的标准度量单位是赫兹（Hz）。1赫兹等于在1秒钟内完成一个循环。如果在检测中使用一个5兆赫兹的换能器，则意味着质点每秒钟发生5百万次振动。用来度量频率的时间长度的物理量称为周期。

波长

检测中使用的另外一个重要物理量是波长。一个波长是声波完全完成一个循环所传播的距离。并非材料质点穿过了整个材料，而是严自换能顺振动能量从一个质点传递给了另一个质点，理解这一点非常重要。

声速

频率和波长之间的关系与被检工件中声波速度有关。声速是声波通过材料的速率。对于一种材料来说，声速是一个常量，它仅随振动能量模式的变化而改变。

这一关系用数学表达式来表示就是

v??

fλ=（希腊字母“拉姆达”）波长 V=材料的声速 f=换能器的频率 分辨率

频率是一个在检测中可以改变的量，它可以通过使用产生不同频率的换能器来得到。当频率降低时，波长增加，材料的穿透深度加大，但会伴随着分辨率的损失。分辨率是区分显示在CRT上的相邻缺陷的能力。

图1-3

在图1-3上面的一幅图片，显示了较差的分辨力，宽回波交迭在一起；下面一幅图片，显示了较好的分辨力，窄回波彼此互不搭界。

灵敏度

当频率增加时，波长减小，材料中穿透的能量减少，但分辨率和灵敏度会增高。灵敏度是检测小缺陷的能力。通常认为，可检测缺陷的最小尺寸是波长的1/2。

衰减

5

粒子在材料中振动的衰减是超声波的另一个重要特点。衰减是声束通过材料时机械能的减少。声波通过大颗粒材料（如铸件）或传播距离增加时，衰减得更大。这种情况导致了声束的耗散。

频率

为了克服超声波检测中的衰减，我们需要选择换能器的频率，以保证足够的穿透深度和最佳的灵敏度。

超声原理

在超声波检测中我们要用到“超声振动”这样一个词汇，关于超声振动我们需要明白两个概念：

(1) 振动是一种往复运动。 (2) 振动是一种运行中的能量。 表面在其正常位置的凹陷称为位移。 图1-4

振动通过固体材料是以质点一个接一个地发生位移产生的，这可以想像成下图所示。

图1-5

实际材料是由许多质点即原子构成。这些质点通常处于静止的位置上，在受到外力作用时，它们会离开这些位置发生位移。当外力消失后，这些质点又趋于回到原来的位置上。

材料中许多微小粒子的质点造成了固体材料中能量的传输。 超声振动在材料中的传播与材料的弹性特性有关。 如果你敲击金属的表面，表面下陷，引起位移。 图1-6

因为材料是弹性的，所以表面总是趋于回到原来（静止）的位置。表面先是运动通过原来的位置，然后达到反方向的最大距离。

这一连串完整的运动定义为循环。 图1-7

完成一个循环所需要的时间称为周期。

例子：如果上图中的摆球在1秒钟内相继通过A、B、C、D、E，那么循环的周期这是1秒。

在一给定的时间范围内完成循环的次数称为频率。

例子：如果在1秒钟内摆球完整地摆动了三次，那么其频率就是3cps（每

6

秒3周）。

在你敲鼓的时候，鼓声的频率较低，大约为50cps。 钢琴的高音区有更高的频率，大约为4100cps。

用来表示1秒钟内循环次数的频率的单位是赫兹（Hz），每秒钟一周（cps）就是1Hz。

声音在金属中传播就象在空气传播一样，声音一种振动，并且有一定的频率范围。

人可听到的振动（声音）的最高频率是20000Hz。而超声检测仪的声波频率大约为5000000Hz。

超过人耳听觉范围的振动称为超声振动。

我们这里所说的声音和振动这两个词代表同一概念。

我们可以这样来定义声音：振动通过许多材料质点的位移传播了能量。 超声波检测是一个将声波施加在试样工件上，以确定是否有缺陷，厚度或者某些物理性能的过程。

能量是在称作换能器的装置中产生中。换能器使试样中的材料质点产生位移。

换能器是将一种能量转换成另一种能量的装置，例如： 电能转换成机械能，或机械能转换成电能。

收音机中的扬声器将电能转换成往复运动的机械运动。

下图中表示出“压电效应”，电能通过两根连接线施加在晶体上，引起晶片的振动。在本课中，晶片和换能器的称谓可互换使用。

7

图1-8

电能引起压电晶体的膨胀和收缩，形成了振动。

压电换能器也可以将机械能转换成电能。换能器既可以发射能量也可以接收能量。

试样

换能器

注意：声波在试样中反射并返回到换能器

图1-9

换能器发射的能量既可以是脉冲式的，也可以是连续式的。

脉冲超声波的定义是发射一组短时间的振动，在这之前和之后换能器可以当做接收器使用。

钢、水和油都能很好地传输超声波，但空气不行。

换能器

油 钢材

图1-10

空气是超声波的不良导体，其原因是空气中粒子的密度太低，很难将能量从一个粒子传递给另一个粒子。这就是为什么在换能器和试样之间涂油或油脂的原因。

材料中粒子的密度可以帮助我们理解超声波。声速随介质的不同而变化。

8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 5.9千米/秒 钢 1.33千米/秒 空气 1.46千米/秒 水

图1-11

将上图中小球设想为空气、水和钢的内部结构。 一排小球的撞击运动可以比作一个超声波脉冲。

下图示出了声波在不同材料中具有不同速度的一个实际例子。

换能器

水 钢件

图1-12

声波穿过水比穿过钢花去的时间更多些。钢中的声速比水中的声速大约快四倍。

波长是两个相邻位移之间的距离。

换能器

A A A B A

图1-13

波长也可以定义为完成一次循环，声波所传播的距离。

换能器 速度 ? V λ 4 3 λ 2 λ 1

图1-14

用符号“”表示波长，称为“拉姆达”。

下面示图中有一个换能器，它以固定的频率(f)振动，并将声波传入工件中。

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速度 ? V 换能器 λ 声波 ?

图1-15

这些声波以恒定的速度穿过试样。

如果换能器的频率发生变化，波长也会变化。

速度v

?? 波长?频率f例子：你可以通过增加频率来减少波长

波长是一个常量（速度）除以一个可变量（频率）的比值。 在实际中，人们能够发现的最小缺陷大约为λ/2。

所以要发现更小的缺陷，就需要使用能产生更高频率的换能器。

例子：使用频率为3MHz的换能器，在声速为6km/sec的钢件中所能发现的最小缺陷是多大。

6?106mm/sec?2mm 解：??63?10Hz如果可以检出的最小缺陷是λ/2，那么答案是1mm。

图1-16

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课后总结：

A、 两位移之间的距离称为波长，它是一个质点完成一个完整循环时波所前进的距离。

B、 通常用符号“”表示波长，λ称为Lamda。

C、 波长等于一个常量（速度）和一个变量（频率）的比值。

速度v

?? 波长?频率f

D、 在下面的习题中，假定使用脉冲回波法可检出的最小缺陷是波长的一半。 1、 用2MHz的探头检测声速为6.0×105cm/s的钢件，可探测出的最小缺陷是多大。

2、 如果将探头的频率增至5MHz，可探出的最小缺陷是多大？ 3、 如果检测声速为5.9×105cm/s的钢件，下述哪个探头可以探测出钢件中的最小缺陷？每种探头可探测出的最小缺陷各是多大？

2.5MHz 5.0MHz 10.0MHz

4、 如果其它条件相同，水中和钢中的声波哪个波长更长？

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课后练习： 1、 离。 2、

中声速与材料质点的密点有直接联系。 3、

长的符号称为“Shepda” 4、

相同的情况下，声在水中的波长比在钢中的波长短。 5、

声波的定义，认为钢球比铅球的弹性更好。 6、

频率高达5000000Hz的声音。 7、

列质点位移的形式通过固体材料。 8、

比水中低。 9、

内完成的循环次数称为频率。

就超声检测（ ） 材料中传播（ ） 用来表示波（ ） 在其他条件（ ） 为了理解超（ ） 人可以听到（ ） 振动以一系（ ） 钢中的声速（ ） 在一定时间（ ）

而言，空气是一种良导体。由于这个原因，超声波在空气中可以传播较远距

10、 在本课程中，认为使用超声波可以检出的最小缺陷是半波长。 （ ） 11、 如果铝中的纵波速度为6.5×105cm/s，并且使用的是2.5MHz的探头，请问

能够检出的最小缺陷是多大？

12、 换能器将机械能转换成电能、并将电能转换成机械能是由于它的

效应。

13、 质点进行一次完整循环所对应的超声脉冲的传播距离称为： 。 课堂测验

1、 超声检测用来检测的材料的 。

2、 被归功于超声检测早期的研究和开发。 3、

在 。 a、20世纪20年代 c、20世纪30年代

12

早期的超声研究发生b、20世纪40年代 d、20世纪50年代

4、

相似的特性。 5、

高 。 6、 和超声波具有超声波的一个特点是超声波是一种 能量的

形式。 7、

塑料材料。 8、

材料的厚度。 9、

性能与材料的机械性能相对应。

10、 超声检测的可靠性与 有关。

13

超声检测适用于（ ） 超声法可以检测（ ） 材

料

的

第三课 超声检测设备

专业术语

声学零点 A-扫描 带宽 分贝（dB） 偏转板 电学零点 始脉冲 仪器电路 时钟 接收器 扫描发生器 发射电路 仪器控制

衰减（脉冲宽度） 延迟 距离振幅修正 聚焦 增益（dB） 强度

脉冲重复频率 量程（深度、距离） 线性

超声传入被检工件的精确的时间点

信号显示方式的一种，能给出振幅与时间距离的信息，需要与阴极射线管（CRT）一起使用。

接收或发射的频率范围，有宽带和窄带之分 声强和声压的度量单位

CRT中的部件，为电子流提供方向，与CRT显示的水平位置和垂直位置有关

换能器开始发射脉冲的精确的时间点。与CRT上显示的始脉冲有关。

CRT最左端上的显示的指示，与电学零点相关联。不能用于校准。

为所有其它电路提供时间基准 接收回波信号

为CRT提供一个输入信号 为换能器提供电脉冲信号

控制换能器的振铃效应 改变CRT上指示的水平位置 对衰减进行补偿

使CRT上的指示鲜明 校准时改变指示信号的幅度 控制CRT指示的亮度

单位时间内换能器发射脉冲的次数 为材料的声速和厚度提供补偿 指示的水平和垂直部分之间呈线性的常量关系

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近表面分辨率 当反射体靠近被检工件表面时，超声检测系统显示它的能力 射频（RF） 检波 共振频率 振铃效应 伪信号 扫描显示

用来鉴别是否具有正反波形的电脉冲的术语。 消除电脉冲负半周波的过程 材料以与外力产生共振的特征频率 去掉激励后，材料持续振动的现象

由诸如大晶粒、金属结构突然变化等引起的信号，通常称为噪声、茅草噪声和杂波

CRT的图像。水平线在屏幕的最下端，也称为时基线。

术语

超声设备是由不同制造者生产的。每一制造者对设备的控制（钮）都有不同的术语。

本课采用最通用的术语。记住，即使同一旋钮，不同的制造者也有几个不同的术语，但其功能却是相同的。

超声系统的操作特性对检验质量影响很大，这就意味着：仪器与换能器的特性会影响诸如检测灵敏度、分辨力和材料的穿透等这类的性质。

在一定范围内，操作者可以控制所有这些特征。重要的是要有一个基本知识去理解超声仪器的功能及其变化对检测有什么样的影响。

超声仪器可以根据使用的目的相当简单地用电子元件来组合。大多数脉冲回波法的常用的A扫描仪器是由五个电路集合而成的。每个电路都具有一种功能或功能组合。这些功能都是超声检测中所不可缺少的。

设备电路

这五个电路是： ? 时钟计数器 ? 发射器 ? 扫描发生器 ? 接收器

? 阴极射线管（CRT）

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时钟计时器

时钟计时电路为仪器内所有其它电路提供一个固定的脉冲速率用作时间基线。单位时间内这些脉冲数量由脉冲重复频率控制钮来改变。时钟计时器给发射器和扫描发生器提供同步信号。

发射器和扫描发生器

发射器为换能器中压电元件输入短持续时间的高压脉冲。扫描发生器为CRT输入一个电压，它产生一个始脉冲和扫描显示。始脉冲起始处叫电零点，以区别于声零点。

始脉冲位置不用做校准。因为始脉冲的显示与超声进入工件有一段时间延迟，这段延迟叫做电零点到声零点的延时。 图3-1

脉冲回波式超声仪器产生短持续时间的高压电脉冲。这些脉冲加到换能器上，换能器把电脉冲转换成机械振动，并将机械振动送到被检材料中。

大部分声波从试件前表面反射回换能器，其余的从后表面或缺陷反射回来。反射回换能器的声波转换为电脉冲，经放在后作为垂直脉冲显示在CRT上。

A-扫描显示指出缺陷反射的深度和幅度。 幅度是一个反射能量的大小的相应量度。 接收器

当换能器的压电晶片把接收到的机械能转化为电能时，仪器的接收电路探测到这个低电压信号。接收器把这个脉冲信号进行放大、滤波、检波后输送到CRT显示。

阴极显示管（CRT）

CRT是与电视机制显像管相类似的器件。CRT有一个插头与仪器电路相连接。电子枪用来产生电子束，玻璃真空管用来聚集和加速电子束。垂直偏转板和水平偏转板使电子束发生偏转，使其在垂直和水平方向上进行显示。涂有磷的显示屏在电子束轰击它时发亮。

有两种磷可以使用：长余辉型和即时型。使用长余辉磷的示波屏的显示有余辉效应，使即时型磷的显示屏，只要电子束不再轰击它，显示即刻消失。

为了确定被检工件中缺陷的位置，CRT的水平轴以长度为单位刻度，比如

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毫米、英寸等。

在某一增益设定下，显示信号的幅度由反射声波信号的强度来决定。因此CRT显示两种检测信息：

? 从换能器到缺陷的距离 ? 反射能量的相对大小。

图3-2

图3-3

设备控制钮（键）

超声波检测仪器上的各种控制钮总以某种方式 与仪器电路的某个部分相联系，以提供特定的功能。时钟的变化就是通过脉冲重复频率控制钮来实现的。

脉冲重复频率（PRF）

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改变脉冲的重复频率将影响发射脉冲之间的时间间隔，即多长时间发射一次脉冲。要使超声波在被检试样中传播，足够的脉冲时间间隔是必要的。重复频率可以从每秒50次到1200次，甚至更高。

如果对某一定类型和厚度的材料使用过高的脉冲重复频率，就会出现伪信号显示。脉冲重复频率的设置有这样几种方式：固定式、使用切换开关的选择式和按材料范围分档的变换式。

在扫描时间较长时，重复频率应较低，以便在发射下一个脉冲之前有充足的时间进行扫描显示。

很多仪器是没有脉冲重复频率调节钮的，而是与扫描范围一起自动同步调整。

脉冲能量（Power/Energy）

发射器会受到各种控制钮的影响。一些仪器通过改变施加在压电元件上的电压来控制脉冲能量大小，电压范围从200V到1200V，甚至超过1200V，这取决于仪器的能力。高电压的发射脉冲能使波在材料中穿透得更深。

脉冲调谐

使用脉冲调谐能使发射电路的输出与换能器的共振频率相一致，这可以使发射电路与换能器之间的能量转换达到最大值。

仪器电路中任何调谐或频率控制都不能改变换能器的频率，它仅仅是利用电的方法使换能器与仪器相匹配。改变换能器频率的唯一方法是改用具有不同厚度压电元件的换能器。

阻尼（脉冲宽度）（Damp）

仪器经常要用到阻尼控制钮即脉冲宽度控制钮，它可以改变施加在压电元件上的脉冲的持续时间。增加阻尼会降低换能器的冲击振铃效应，它会提高近表面的分辨率，但同时会降低材料的穿透深度。

脉冲宽度加宽会使施加到被检工件上的声波能量增加，但会使仪器的分辨力降低。为了加大穿透深度或使声波能穿透粗晶材料，必须增加脉冲能量。

增益控制（Gain）

接收电路受到几个重要控制钮的影响。为了对缺陷的尺寸进行相对比较，仪器对显示信号的幅度作校准调节，这是通过增益控制钮来实现的。

增益决定了接收到的缺陷信号的放大量。增加增益将增加屏幕上显示的信号

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的幅度。

增益控制钮按dB步长分档，通常有粗调和细调两种方式。粗调增益的步长为20dB，细调增益的步长的2dB。大多数仪器上还有一个非标准的增益控制钮，用来将参考反射体（标准试样）在示波屏上产生的指示信号调整到一个适合观察的高度。有些仪器采用了多个衰减器来完成上述功能。

衰减与增益的功能是相同的，只能实现的方式正好相反。

增益控制并不能增加或减少被检试件中超声波的强度，它只是改变了接收器输出的放大倍数。在超声波检测中，分贝用作声强的单位。被检工件的声强是由发射电路控制的。

抑制控制钮（Reject）

抑制控制是在接收电路中抑制那些显示在CRT屏幕上的低幅度信号。这些低幅度信号是由材料粗糙表反射超声波引起的。由于抑制控制会影响仪器的垂直线性，所以建议慎重使用。某些仪器具有线性抑制功能，但其使用可能会受到检测规定的限制。

抑制控制也称为“压制控制”，通常用来消除或减小“毛草”噪声，以及沿扫描基线分布的低幅度信号。抑制控制可能影响显示的垂直线性。

带宽（BandWidth）

每个换能器都在一定频率范围内工作。例如，一个2.25MHz的换能器，发射出以2.25MHz为中心频率、具有一定带宽频率分布的超声波。如果一个超声检测仪器只能接收和调谐某个特定的频率，则认为是窄带仪器。如果一个超声检测仪器能接收较宽范围的频率，则称为宽带仪器。多数情况下，要根据被检材料的类型和灵敏度要求来选择检测仪器的带宽。

距离幅度控制

在超声波检测中，由一定尺寸缺陷得到的脉冲信号幅度随深度的增加而降低。为了补偿这种“衰减”，许多超声波仪器增加了电子控制系统。几种常用到的控制钮名称是：

? DAC（距离幅度修正） ? TCG（时间增益修正） ? STC（灵敏度时间控制）

它们与缺陷报警器和记录仪结合起来是非常有用的。

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不带DAC 带有DAC 图3-4

某些仪器具有距离幅度修正功能。它使用电的方法对声波通过一定材料厚度产生的衰减进行补偿。这种电补偿用来使同一反射体中不同深度的显示信号达到等幅指示。距离幅度修正在接收电路部分实现。

信号在放大后和滤波前仍然是射频（RF）。由于射频信号同时具有正、负电压分量，所以在CRT上的显示很难解释。

为了便于解释，在CRT显示前，射频信号在视频放大电路进行检波。显示控制钮包括聚焦、亮度、水平扫描和垂直位移。

聚焦/亮度（Focus/Intensity）

聚焦的作用是将CRT中的电子束聚焦成细点，使其在显示屏上显示为一个细小的点，调节显示信号的清晰度。聚焦如果没有调好，显示屏上将出现模糊的一团，影响观察的准确性和分辨性。

亮度是通过调节电子束的强度，使显示屏的显示信号的亮度得以调节。

扫描延时控制钮（Delay）

延时和量程控制钮实质上是对扫描的校准。延时控制钮是横跨示波屏均匀地移动显示信号，这样就可以将校准反射体（试样）的指示信号定位在扫描线上希望的位置。

量程控制钮（Range）

量程控制钮是对扫描进行必要扩展和压缩。材料的声速和厚度各不相同，这

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一功能对补偿和校准是必不可少的。

延时和量程控制都在扫描发生电路部分。分别用来调整CRT一次显示被检工件的多少范围，和显示被检工件的哪个位置。

量程控制又称扫描长度控制，它可以如下图所示那样展开或压缩显示信号：

20mm

200mm

扩展扫描 压缩扫描

图3-5

闸门控制钮（Gate）

又称为缺陷报警控制钮。有些仪器具有闸门控制功能。闸门控制钮用来监视扫描的特殊区段。如果指示信号在闸门范围内且幅度高于正闸门或低于负闸门（失波报警闸门），则声、光或记录装置就做出反应。

闸门用来在检测中设置报警限或记录缺陷情况。负闸门是用来监视底面的显示信号，这时，耦合丢失会引起闸门报警。 报警幅度 闸门前沿

闸门后沿 图3-6

A-扫描仪器用两种方法显示信号，一种是在CRT水平扫描方向显示时间和

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距离的关系；另一种是在CRT垂直方向显示信号的相对幅度大小。

两种基本的超声波检测系统

脉冲回波法

图3-7

脉冲回波法检测的优点： ? 仅需接触材料的一侧 ? 可以对缺陷精确定位

脉冲回波法是一种常用的超声测试方法。在这种测试方法中，反射并被接收到的声能通过换能器的压电元件转化成电能。信号显示在CRT或记录装置上。

材料的几何面能将高频声波反射回至换能器，例如板材的底面。理解这一点是很必要的，因为这一特性使得测量材料的厚度成为可能。

穿透法

使用穿透法的超声检测需要两个换能器，一个是高频声波的发射器，另一个是接收器。如果在声波传播的路径上没有缺陷，则接收到的信号是满幅的（见图3-2）

22

3-8

如果通过材料传播的整个声波或部分声波损失掉，则说明发现缺陷。注意图中，接收信号幅度的降低表明了缺陷的存在，但它不能显示出缺陷的深度。

使用这种方法时应注意，要将发射换能器和接收换能器精确地对准。这种方法不能给出缺陷深度的信号，了解这一点非常重要。

脉冲回波法是应用最广的超声检测方法。 将均匀配时的短超声波脉冲发射到被检材料中。

声波传播路径上的缺陷或任何界面都会使这些脉冲发生反射。 接收到的反射回波在阴极射线管（CRT）上显示出来。 同一换能器，既可用作接收，也可用作反射。

穿透法需要使用两个换能器，一个用作接收，另一个用作反射。 将短脉冲或连续波发射到被检材料中。

被检材料的质量是根据声束穿过材料传播时的能量损耗来判断的。

23

图3-9

图3-10

24

图3-11

超声波检测中常用的两种方法：

? 接触法：换能器通过一层薄耦合剂与材料耦合

? 液浸法：换能器和被检材料都浸在装有耦合剂（通常是水）的箱中。

图3-12

25

课后练习：

1. 如下所示，许多超声仪器沿CRT显示屏的基线分为50个刻度。利用下面简

单的公式，可以使横跨显示屏的这段长度代表我们所希望的从约0.5英寸到超过100英寸的任何距离。

以下公式用来求出显示屏上每个刻度所代表的数值： 数值?量程?2 100刻度例子：如果你想让整个显示屏代表10英寸，利用上面公式可以求出：基线上的单位刻度代表等于：

数值刻度?10?2/100?0.2\

2. 选择好合适的屏幕显示范围（量程）之后，就可以利用扫描控制旋钮将CRT

的显示信号与一已知厚度的校准试块对应起来。这一点在后面课程中还要加以讨论。

3. 许多超声仪器有100个刻度而不是50.在这种情况下，直接用100去除量程

就可求出单位刻度代表的数值。

课后测试：

1. 计算下面各显示屏中每个脉冲的深度。假设仪器已校准，用直声束探头。

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测验题

1. 使用“穿透法”时，幅度增加表示可能出现缺陷。

3. 接触法检测和液浸法检测都要求使用耦合剂。 4. 通常，增益控制钮决定可疑缺陷指示的放大倍数。 5. 扫描长度和扫描延迟是同一控制钮的两种名称。

（ ） （ ） （ ） （ ） （ ）

2. “脉冲回波”式仪器发射连续声波并使用一个独立的换能器接收回波。

6. 在液浸法检测中，扫描长度控制钮常用于将始脉冲移出CRT。 （ ） 7. 在接触法检测的A-扫描显示中，CRT上的垂直偏转（脉冲）高度代表

A、声速 C、距离

B、经过的时间 D、信号幅度

8. 在检测厚工件时，距离幅度修正控制可以自动增加屏幕显示范围。（ ） 9. 显示屏共有10格50个刻度，假定使用的是直声束换能器，在15”屏幕范

围上显示一个9”深度处的缺陷。从左数有多少格。

10. 显示屏共有10格50个刻度，如果如上检测使用2.5”的显示范围，则屏幕

上脉冲的距离是多少？

11. 超声检测中使用的换能器对检测灵敏度只有微小的影响。

制的。

13. 超声波仪器中的时钟电路为换能器和扫描发性器提供电能。 14. 压电换能元件产生的低压信号需经 电路放大。 15. 超声仪器中的 类似于电视机中的显像管。

16. 超声仪器中的阻尼控制钮可使超声技术人员改变施加在压电元件上的脉冲

的周期。

17. 使用 控制，可以进行显示幅度的校准调整。 18. 增益控制用来增大或减小被检工件中的声强。

20. 换能器中压电元件的 决定了换能器的共振频率。

A、厚度 C、直径

B、位置 D、重量

（ ）

19. 超声仪器中的 控制可能影响仪器的垂直线性。 （ ）

（ ） （ ） （ ）

12. 超声波仪器的时钟电路在单位时间内产生的脉冲数量是由 控

21. 对于材料中声能衰减的电补偿可以由 控制钮来完成。 22. 扫描校准的两种基本方法是延迟控制和 控制。 23. 控制钮用来帮助监视扫描显示的某一部位。 24. 是声强的单位。

27

25. 靠近CRT显示屏幕底面的水平线称为时基线或 。

28

第四课 超声波的产生

专用术语

斜声束换能器 换能器的结构使得超声波以某一角度而不是垂直于试样表面传

入试样。

衰减 背衬材料 转换效率 居里温度 盲区 延迟换能器

超声波在材料中传播时能量逐渐损失。

换能器中使用的材料，可消除换能器元件产生的不需要的长振铃效应。

换能器将电能转换为机械能的能力

材料中的正负电荷（电畴）受外界影响的温度。当把极化了的材料加热到高于居里温度时，材料的极化消失。 换能器正前方检测不到缺陷的区域。

为增加近表面检测的分辨率或使换能器元件远离高温工件，换能器前垫加了声耦合材料

双晶片换能器 换能器具有分离的发射晶片和接收晶片，以提高对近表面检测的

分辨率

铁电体 极化 石英

超声波的产生 压电效应

许多种换能器可用于超声波检测，满足不同的检测需要。换能器有一个基本的相似点，就是都使用一个具有压电效应的元件。

X切向和Y切向石英晶体

石英是第一种被发现的天然压电材料，早在超声检测技术开发之前，人们就发现了石英材料的压电特性。材料能显示出压电效应是由于它的原子结构。例如，一个不受任何作用力的石英晶体，其正负电荷之间的距离相等。当受到压力时，石英晶体发生形变（或称畸变），使得距离关系发生改变。

这种原子间距离的改变使晶体产生了极性。当施加的力去除后，正负电荷相

29

一种自发极化材料。当施加外电场时，它的极化方向改变。 具有电势差的状态 具有压电特性的单晶材料

漆刷式换能器 换能器的元件尺寸适宜于扫查大表面

直声束换能器 垂直于工件表面传播超声波的换能器

互吸引，晶体又恢复到原来不受外力作用的状态。

沿石英晶体两个面中的一个切割，即X向切割或Y向切割，即可用来制作换能器。X向晶体产生纵波模，Y向晶体产生横波模。

极化陶瓷

用来制作换能器的另外一种材料是电致伸缩材料。电致伸缩材料是一种铁电体。

由于铁电材料将电能转化成超声波声能的效率较高，所以今天，大多数的超声换能器都用铁电材料制成。因为铁电材料的机械性能与陶瓷材料相类似，所以这些材料称为极化陶瓷。

铁电体在自然状态下由于正负电荷随机排列，所以不显示出极性。只有电荷有序排列起来才具有压电效应。方法是把它加热到居里温度并施加外电场。

在温度降低的过程中，维持外电场不变，电荷将保持有序排列。这样处理后的铁电体就具有了压电能力。

铁电材料

两种常用的铁电材料是钛酸钡和锆钛酸铅，两者都能很好地发射超声波。但在作为接收器使用时，与石英相比效果稍差。这两种铁电材料都易老化，且不溶于水。

天然压电材料

硫酸锂是另一个用于制造换能器的材料。它与石英一样，是一种天然压电材料。硫酸锂极易溶于水，不易老化。

换能器的剖面示意图显示出它的结构和各组件的位置。

换能器的结构

换能器中，用一个耐磨片来防止压电元件的磨损。耐磨片通常用氧化铝或合成红宝石材料制成，在接触法检测中，它为换能器提供了一个耐磨表面。

液浸法换能器的前表面一般用环氧材料制成。在液浸换能器和被检工件间的接触的可能性很小，所以不需要对压电元件进行保护。

背衬材料起机械阻尼作用。当电脉冲激励压电元件时，便会产生振动。如果不对这一振动加以控制，压电元件就会象音叉一样持续振动下去。在脉冲回波法中，不符合检测要求，因为换能器同时也用作接收器。

30

如果放任其自由振动，压电元件需要花很长时间才能停下来，而且这一时间与压电材料的厚度有关。因此不使用阻尼的压电元件对近表面的分辨率很差。当压电元件仍在振动的时候，换能器不能用作接收。

压电元件被脉冲激励后发生振动，而阻尼材料控制这一振动。只有这样，换能器才可以同时用作接收器。阻尼的大小对换能器的操作特性是非常重要的。如果阻尼过大，灵敏度会降低。如果阻尼过小，分辨率会降低。

换能器的结构能承受一定的外力，但也必须小心使用。比如掉在地上，可能使耐磨片或压电元件破裂或损坏背衬材料。

背衬材料损坏会使压电元件产生显著的振铃效应。背衬材料损坏也很容易在CRT显示中从始脉冲的加宽观察到。

几乎所有的换能器上面都刻有一串数字，标注着压电元件的尺寸和频率。在需要检定时，可能用到这些数据。

接触式和液浸式换能器

根据使用目的不同，换能器可以分成很多类型。其中最主要的两类，一个是接触式，另一个是液浸式。不论是直声束法还是斜声束法的接触式换能器，都使用一个压电元件来产生纵波。在直声束检测中，直接用纵波探测工件；在斜声束检测中，利用一个斜的有机玻璃楔块将纵波转换为横波。

斜声束换能器有两种结构，一种是楔声与换能器为一整体，另一种是可拆卸的。在使用可拆卸的换能器时，保持换能器与楔块之间良好的耦合是非常重要的，这样才能确保发射的超声波穿过换能器到达有机玻璃界面。

楔块具有一定的几何结构，其功能是：

(1)、楔块按某一角度切割，以使在被检工件中产生具有特定传播方向的横波。

(2)、楔块的形状应使在楔块与材料表面间反射的声波在楔块自身中衰减掉，避免在CRT扫描中生成噪声。楔块的外表面也经常做成锯齿状，这样有助于衰减内部反射的超声波。

直声束换能器

直声束换能器也带有机玻璃延迟楔块。楔块用来提高近表面的分辨率，使声波的盲区位于楔块中而不是在被检材料中。楔块也可用耐高温材料制作，这样的换能器在高温下检测比较理想。对于可拆卸楔块，要用适当的耦合剂把它们与换能器粘合在一起。耐高温耦合剂对高温材料的检测是有用的。 双晶片换能器

31

使用双晶片换能器是为了提高近表面的分辨纱。双晶片换能器由分离的发射晶片和接收晶片组成。这样，即使在发射脉冲期间，接收晶片也能不间断地接收。 图4-1

超声换能器和标准试块

超声换能器是超声检测系统的核心。

图4-2

瓷。

超声换能器中的晶体材料由压电材料制成，例如：石英、硫酸锂盐和极化陶(1) 石英是最先使用的材料，具有非常稳定的频率特性。然而它产生的超声

能量较小，已经被一些更有效的材料所代替。

(2) 硫酸锂盐是一种非常有效的声能接收器。但它易脆，且溶于水，还有温

度必须低于165℉的限制。

(3) 极化陶瓷是最有效的声能发射器，但易磨损。常用的极化陶瓷有钛酸钡、

偏铌酸铅和锆钛酸铅。

主要从三个方面来描述换能器的性能： (1) 灵敏度：发现小缺陷的能力

(2) 分辨率：在深度（即时间上），区分相互靠近的两个缺陷的反射声波的

能力。

(3) 效率：能量转换效率。

换能器的灵敏度是在标准试块中，发现一特定深度的特定尺寸的平底孔的能力。能探测的孔越小，灵敏度越高。

可以通过对标准试块上人工缺陷的响应幅度来测量换能器的灵敏度。 因为即使同样尺寸、频率和材料的换能器，对同一反射体也不会总产生相同幅度的信号，所以有必要使用标准试块。

32

换能器

标准试块

平底孔 图4-3

陷的声反射的能力。 图4-4

分辨率是指在时间即深度上，区分靠近工件边缘的缺陷或相互靠近的两个缺

超声波的产生

切割换能器的晶体材料的两种方法： (1) 垂直于X轴方向切割的晶体产生纵波 (2) 垂直于Y轴方向切割的晶体产生横波

如下图所示，大多数用于超声波检测的晶体是垂直于X轴向切割的。

X轴 Y轴

Z轴 图4-5

在使用中，换能器的尺寸起一定作用。

(1) 在一定频率下，换能器的尺寸越大，声束扩散越小。

(2) 然而，尺寸小频率高的换能器发现小缺陷的能力更高。

(3) 换能器的尺寸越大，传给被检工件的声能越多。大尺寸低频率的换能器

常用来获得更大的穿透深度。

(4) 大尺寸单晶体的换能器一般仅限用于低频。因为非常薄，高频晶体很容

易毁坏。

在使用中，换能器的频率是一个重要因素。

33

(1) 换能器的频率越高，声束传播的损失越小，灵敏度和分辨率越高。不发

声波如下图所示传播时，小缺陷的反射的声波可能较少。

高频换能器

缺陷 高频换能器

图4-6

发现不垂直于声束轴线的反射体。

(2) 换能器频率越低，声波的穿透深度越深，扩散也越大，声束的扩散可以(3) 换能器的频率与晶体的厚度有关。晶片越薄，换能器的频率越高。 大多数超声检测使用的频率在0.2MHz到25MHz之间，超过10MHz的晶片过薄且易碎，不宜用于接触法检测。

所以频率高于10MHz的换能器主要用于液浸法检测。

常用换能器的形状、尺寸和物理性能

常用类型包括：漆刷式、双晶片式、单晶片式、斜声束式、聚焦式、镶嵌式、接触式和液浸式。

单晶片换能器可以只发射或只接收，或既发射又接收。

双晶片换能器既可以由两个单晶片换能器并排安装在一起组成，也可以重叠在一起组成。

在双晶片换能器中，一个晶片用作发射器，另一个用作接收器。

发射

接收

隔声板

图4-7

所以它对近表面有较好的分辨率。

因为双晶片换能器的接收晶片可以在发射晶片完成发射之前接收缺陷信号，

34

耦合剂

在超声检测中，耦合剂的作用是在检测装置和被检工件之间，为声波提供一个低阻抗的传播路径。在MHz级的频率范围下，空气是声波的不良导体。此外空气的声阻抗与固体的声阻抗不同，很薄的空气层会阻止声波在两个固体之间传播。所以液体或油脂常用作检测装置与被检工件之间声能传播的耦合剂。在液浸法检测中，液浸箱中的水（或其它液体）起耦合作用。用于接触法检测，很多种液体，油脂或糊剂都可以使用。耦合剂填充在探头和被检工件表面之间的不规则处，为声波的传播提供了更大的接触面积。耦合剂的声阻抗应与固体的声阻抗相接近，以利于声波传播。

最常用的耦合材料有：水、各种油、甘油胺、石油脂、硅树脂、墙纸糊、以及仪器制造商出售的其它糊状物质。有许多可以传导超声的软橡胶被认为是“干”的耦合介质。因为用手将它们压在工件时，它们能在被检工件和探头之间起到耦合剂的作用。如果施加的压力足够大的话，在两固体之间可以实现理想的声传播。当压力等于1000Psi时，声波在钢件之间传播的非常好，几乎不受表面状况的影响。

选择耦合剂时应考虑以下几点： (1) 成本 (2) 可行性/毒性

(3) 对表面粘性和附着性的要求 (4) 可能与工件发生的化学反应 (5) 检测后对表面清洁的要求

在大多数情况下，水是最便宜且容易得到的耦合剂，水的粘性较差，在易流走的地方，或有电线或其它生产作业妨碍时，不能用作耦合剂。水还容易与大多数金属发生人们不需要的反应。油和油脂的流动性较差，但很难清除。它们的粘性会随温度急剧变化，而且有一些是易燃的。油脂、特别是硅树脂的声衰减太大，很难作为超声波的耦合介质。甘油虽然比油容易清除，但它的粘性常随温度发生快速的变化。此外它成本较高，并容易吸附空气中蒸汽与金属材料发生反应。墙纸糊及某些享有专利的耦合剂具有一些值得关注的特性。比如它们可以调成任何所需的粘稠度，干燥后变成容易清理的薄膜或粉末等，然而快速干燥是它们须解决的一个问题。

必须使用耦合剂是超声波检测技术的一个缺点，这大大限制了它的应用范围。例如在轧制过程中对高温棒材或带材的检测。断续接触或气泡法等具有创造性的方案，通过蒸汽层来耦合声能，在应用领域已经取得了一些成功。

如果不在探头和工件表面之间加入适当的耦合剂，接触法检测就不会得到满

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意的结果。请记住，耦合剂主要起润湿表面和排除两表面之间空气的作用。

对于大多数接触法检测，应该使用耦合薄膜，且在两表面之间的薄膜厚度应保持一致。在一些不能使用液体耦合剂的场合，可以使用橡胶片或塑料片。

可以用作耦合剂的有： ? 轻机油

? SAE-20或SAE-10汽油

? 带有浸润剂（或一般洗涤剂）的水 ? 带有浸润剂的水和甘油 ? 仪器制造商提供的特制耦合剂

耦合剂应该具有如下特性： ? 容易使用

? 不会快速从表面流掉 ? 不能有气泡或固体颗粒 ? 无毒、无腐蚀性

? 声阻抗与被检工件尽量接近 ? 不能影响后续的生产工作

假设你正准备对一垂直表面进行检测，选择哪种耦合剂最合适？

油是一种好的选择。如果垂直检测使用的耦合剂限定为带浸润剂的油或水，则油是最好的选择，而不是水。水虽然能够满足耦合的要求，但很快从垂直表面流掉。所以油是这种检测中最好的选择。油形成一层薄膜附着在表面上，能够保持足够长的时间直至检测完成。

下面的叙述是对还是错？在检测中，被检工件经过精加工，检测表面足够光滑，能够保证探头和检测表面之间具有良好的接触，此时不需要耦合剂也可获得很好的检测效果。

错。不管表面多么光滑，在任何情况下换能器和被检工件之间都需要涂耦合剂，对于光滑的表面，很薄的耦合层就足够了。

耦合剂和超声波能量

使用耦合剂的目的是，在探头和测试表面之间为声波的传播提供路径。 耦合剂必须能够充分湿润换能器和被检工件表面，或者说与两者完全接触。 (1) 耦合剂必须排除换能器与被检工件之间的所有空气，因为空气是超声的

36

不良导体。

(2) 耦合剂必须涂满被检表面上的不规则处。 (3) 耦合剂使换能器在所接触的检测表面上易于移动。

(4) 颗粒状耦合必须容易使用，容易清理，且对检测表面无害。

换能器 耦合剂 被检材料 图4-8

剂也有许多优点。

油或混有甘油的水（2份水加1份甘油）是常用的耦合剂。墙纸糊作为耦合粘稠的耦合剂（如油脂和重油）适用于粗糙表面或垂直表面。

也可以使用由超声波探伤设备制造商所提供的特制液体耦合剂和糊状耦合剂。

在液体耦合剂或糊状耦合剂效果不好的情况下，可以使用薄橡胶或橡胶类材料。

在所有情况下，耦合层应尽可能薄。如果耦合剂使用过多，可能起到楔块的作用，使声束的传播方向发生改变。

被检试样的表面可能对声波的传播产生很大的影响。

粗糙表面会产生我们所不需要的影响。比如由于声波指向性的改变而引起缺陷信号和底面回波幅度的降低。

图4-9

37

课后测验

1. 最早的天然压电换能元件是用 制作的。

2. 通过切割 晶体两平面中的一个，便可以使用。

3. 向切割晶体提供纵向振动波模， 向切割晶体提

供横向振动波模。

4. 铁电材料通常被称作 陶瓷。

5. 为了改进已有的压电性能，铁电材料应 。 6. 两种常用的铁电材料是 ，和锆钛酸铅。

7. 硫酸锂是一种天然的压电材料，但于 水和易老化。 8. 用于换能器的阻尼材料对换能器使用的效率很重要，高阻尼换能器能 。

A、提供较高的分辨率 C、使振动的时间更长 反射。

11. 双晶片换能器用来 。

A、增强声波的穿透力。 C、提高近表面的分辨率 D、减弱声波的穿透力

12. 漆刷式换能器的晶片尺寸非常大，这种类型的换能器对 非常有效。

A、试样近表面小缺陷的定位。

B、缩短检测时间，检测较大面积，以及探测分层缺陷 C、增加检出试样深处小缺陷的灵敏度 D、大铸件和大锻件的液浸法检测。 13. “分辨率”一词指换能器检出微小缺陷的能力。 14. 石英是唯一一种通常用于换能器的非压电材料。 15. 当换能器的频率增加时，声束的传播能力降低。 16. 极化陶瓷换能器认为是很好的超声能量发生器。 17. 石英是一种极化陶瓷换能器的材料。

18. 能够检测表面附近缺陷的换能器认为具有好的分辨能力。 19. 由于尺寸大的换能器更容易脆裂，所以通常用较高的频率。 20. 换能器的频率越高，声束的锥形越小。

38

B、损坏晶体材料 D、以上都不对

（ ） （ ）

9. 有机玻璃块的外表面通常做成锯齿状，其目的是消除引起CRT错误显示的10. 耦合剂在延迟楔块与材料表面之间，用来消除不支持超声波振动的空气。

B、增加换能器的灵敏度和对试样中缺陷的深度进行定位

（ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ）

21. 液浸法检测所使用的换能器的频率范围在2.5MHz到5.0MHz之间。

22. 斜声束探头可以用来产生表面波

23. 球面聚焦透镜通常比柱面透镜的灵敏度更高。

25. 双晶片换能器只能使用纵波模式。

（ ） （ ） （ ） （ ） （ ） 24. 由于聚焦换能器的穿透力强，所以常用来对焊接钢板进行剪切波探测。

26. 双晶片换能器具有更高灵敏度，因为两个晶片都能接收和发射声能。 （ 27. 声透镜增强了换能器的灵敏度和分辨率，但减少了他们的使用范围。

（ 28. 参考试块应用与被检工件相同的材料制作。 （ 29. 提供尺寸参考和用来检测仪器线性的试块称为面积振幅试块。 （ 30. 先确定斜声束换能器的入射点，再确定换能器的角度 （ 31. IIW试块和小型试块都可以用来检查探测仪器的分辨率。 （

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） ） ） ） ） ）第五课 超声波的特性

专业术语

声束扩散 盲区 远场区 有限反射体 无限反射体 近场区 侧瓣辐射

超声波在其中轴线上发生扩散，远场的一种特征效应。 位于探头正前方检测不到缺陷的区域

近场以外的超声波声场，一直延伸到超声完全衰减掉。 一个在尺寸上较声束横截面小的反射表面。 一个在尺寸上较声束横截面大的反射表面。

位于盲区和远场区之间的一个超声波声束区，该区的特征是具有不规则的超声波声强。

换能器元件的外部边缘产生的超声。

图5-1

当探头与试样表面耦合时，在试样中就产生超声波束能量。随着超声波的传播，它会在试样中形成三个特征区域。这三个区域是：

? 盲区 ? 近场区 ? 远场区

每个区域都具有其独自的特性，影响声束的探伤能力。

40

盲区

这个区域位于探头和试样耦合表面的正前方。其深度有时可以根据CRT示波管上所显示的始脉冲的位置检测出来。在声束的这个区域不可能进行探伤。盲区深度对应的是换能器元件激发脉冲所持续的时间。也就是说，不可能用直探头直接检测材料位于探头正下方的一小部分。

如果需在盲区附近检测材料表面缺陷，而这一工件的两侧进行检测可行。那么从工件的另一侧进行检测是一种简单有效的方法。在两侧检测不可行时，可以试着采用延时或双元件换能器。

近场区

声束近场区的特点是：具有不等超声波强度区，直接与盲区相邻，一直延伸到声强最大点。在这一区域中，高低不同的声强给探伤带来困难。位于近场低声强部分的同一缺陷，出现的却是一个低振幅信号。这是因为换能器元件是多点超声波波源。当探头加上电脉冲时，组成探头的每一个质点都发生位移，但是相位有些不同。也就是说，一个质点的相位可能超前或滞后于其相邻质点的相位。当超声波声束在材料中传播时，相位不同的声强将汇集到一个区域，出现声压的极大值。这便是近场边界的标志。

侧瓣辐射

在声束始端附近出现的另一种情况是侧瓣辐射。即在主声束以外，探头外部边缘以某一角度产生超声波。侧瓣辐射增强了近场极大、极小声压和效应。在一些条件下，由于被检材料某些几何形状的反射，在CRT示波管上会出现侧瓣辐射的信号。

近场公式

近场长度根据探头的直径、频率、材料中超声波速的变化而变化。假设材料中超声波波速一定。近场长度会随着探头的直径与频率的增加而增加。近场长度可用下面的公式计算。

公式1：

D2N?

4?

公式2：

N=近场长度 D2=探头直径的平方 λ=波长

41

D2fN?

4V

N=近场长度 D2=探头直径的平方 f=探头频率 V=材料中的声速

因为公式2不要求预先计算波长，所以本课程采用将公式2。例如，已知检测钢材料的直探头直径为0.5”，频率为5MHz，计算近场长度，计算过程为：

D2f(0.5\)2?5?106Hz1.25N????1.3\

4V4?0.230?106IN/SEC0.92 远场区

远场区是超声波近场声束以外，到超声波完全衰减掉的区域。在这一区域中，超声波声强在声束长度上的下降是相对稳定的。这和被检测材料的衰减特性有关。根据这种现象，可以测出来自缺陷的振幅响应。这种响应是一个和缺陷深度和反射表面有关的函数。

声束扩散

远场的另外一个特征是，随着中轴方向上距离上的增加，声束偏离中轴的扩散程度增加。声束的中心声压最高，由中轴向外逐渐消失。如果缺陷在声束的中轴上，那么缺陷的信号振幅最大。声束的扩散程度可由以下公式计算：

sin??1.22

?D

sinθ=声束扩散半角的正弦值 λ=波长

D=换能器的直径

如果换能器直径减小，又（或）换能器频率减小，那么给定材料的超声波声束的扩散程度将增加。假设检测钢的直声束换能器直径为0.5”，频率为5MHz，产生的声束扩散计算如下：

V0.230?106IN/SEC????0.046\ 6f5?10Hz?0.046\sin??1.22?1.22??0.1122

f0.5\???sin?10.1122?6?

有限或无限反射体

根据超声波声束的横截面，可以把缺陷分为有限反射体和无限反射体两类。有限反射体反射表面的尺寸小于声束的横截面；无限反射体反射表面的尺寸大于

42

声束的横截面。

当有限反射体在较深的远场位置时，由于超声波衰减和声束扩散的共同作用，其产生的指示振幅减小。在远场中，有限反射体的位置越深，反射表面面积与声束面积的比例越小。有限反射体反射的超声波能量与其中远场中距离的平方成反比。无限反射体反射的超声波能量与其在远场中的深度成反比。

超声波的特性

衰减、声阻抗、共振

如下图所示，声束会向外扩散（发散）。当声束通过试样时，离探头越远，或离声束中心越远，超声波强度越小。

近场

探头 试样

图5-2

对于一定大小的探头，高频探头产生的声束比低频探头要窄。

为了说明这一点，可以把超声波束看作一个圆锥。这个圆锥分为两部分： ? 在近场中，因为靠近探头的声波相互作用，声强不规则。这会妨碍表面

附近缺陷的可靠检测。

? 在远场中，因为衰减和声束扩散作用，声强显著降低。

试样（材料）

探头（发射端） X Y 探头（接收端）

近场 远场 图5-3

强降低的过程。衰减的主要原因是吸收和散射。

在上图中，“Y”点上的声强弱于“X”点。衰减用来描述声强的损失，是声与液体和固体相比，空气是超声波传播的不良介质。因此，在探头与检测材料之间，必须用耦合剂耦合。

如下图所示，通常用水作这种耦合介质。

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水

副瓣 换能器 副瓣 主声束方向

图5-4

大部分超声波集中在声束的中轴上。

副瓣，或称侧瓣，在换能器表面形成。偏离声束的主方向辐射。副瓣是声束边缘上高低声强的区域。由于副瓣的作用，换能器声束的有效宽度小于换能器的物理宽度。不同换能器的直径会对介质中声束的传播产生影响。

在一定频率下，小直径探头产生的声束扩散角比大直径探头的声束扩散角要大，如下图所示：

试样

小直径换能器 大直径换能器 试样

图5-5

改变探头的振动频率将改变声束的扩散程度。

扩散程度与频率成反比。因此，高频探头的声束扩散较低频探头的要小。用大直径探头，或增加探头的频率可以降低声束的扩散。

声束扩散的计算公式如下：

sin??1.22

?D

Φ=声束扩散半角 λ=波长

D=换能器的直径

换能器 θ 半能量点

（强度的0.707倍）

图5-6

直径为0.5”，频率为1MHz的探头产生的声束半扩散角为34°。

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记住波长（λ）等于速度除以频率。乘以2.54，可以把英寸换算成厘米。 不同的材料有不同的衰减特性，取决于材料对超声波声强的吸收和散射程度，另一种现象是“声阻抗”，与超声波作用于材料的特性有关。“声阻抗”不能与“衰减”相混淆。

“声阻抗”（Z）的定义是一定材料密度（ρ）和声速（V）的乘积。 声阻抗=密度×声速，或Z=ρV。 几种典型材料的声阻抗值如下表所示。 材料 空气 水 铝 钢 声速 （cm/sec） 0.33×105 1.49×105 6.35×105 5.85×105 声阻抗 (gram/cm2·sec) 0.000033×106 0.149×106 1.72×106 4.56×106 密度 (gram/cm3) 0.001 1.00 2.71 7.80 衰减的定义是，单位距离上（声）能量的损失。对于超声波的传播，衰减常数α定义为：

I2?e?2? I1

其中： α=衰减常数

I2?不同两点在单位距离上的强度比。I2?I1 I1如果超声波通过两块相同的结合很好的钢材料，我们发现两块钢中的声速是一样的，阻抗比为1：1。

钢

钢

声束 声速保持恒定

图5-7

任何小于或大于1：1的材料阻抗比都不是理想阻抗比。

如下图所示，从水到钢表面，声束的大部分会反射回探头，不能进入钢中。

水

换能器

声束 钢 图5-8

为了确定超声波的反射能量，可以用下面的公式计算：

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?Z2?Z1?反射系数(R)???Z?Z??

1??2222 Z=声阻抗

据前述，计算从水到钢表面的超声波反射能量。

?4.56?0.149??4.411?R???????88%

4.56?0.1494.709????共振可以定义为振动体与振源一起谐振或共鸣。

如下图所示，任何时候将连续纵波送入试样，且反射波和它“同相”，都会出现共振。

探头 驻波

耦合剂 图5-9

只有在试样厚度等于半波长或半波长的整数倍的时候共振才发性。下图中是“基频”超声波和“基频”整数倍的超声波（也称为“谐波”）的共振。

检测试样 探头 1MHz （基准频率）

厚度=1/2个波长 探头 2MHz （二次谐波）

厚度=1个波长 入射波

反射波 探头 3MHz （三次谐波）

探头 厚度=1.5个波长厚度=1.5个波长 图5-10

采用共振原理的超声波仪器一般用于测厚和对粘合或分层的检测。 然而，脉冲回波仪器已经精确地实现了绝大部分的上述功能，因而已经很少采用共振仪器了。

共振发生在材料厚度是半波长或半波长的整数倍的时候。 可以通过改变频率来改变波长。

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共振基频是试样产生共振的最低频率。谐波的频率是共振基频（最小频率）的整数倍。

共振基频的计算公式如下：

V F=共振基频 F?2T V=纵波波速 课后总结：

1. 利用下面给出的信息，解出与“反射系数”相关的问题。 2. 下面列出了几种典型材料的声阻抗值。 材料 空气 水 铝 钢 声速 （cm/sec） 0.33×105 1.49×105 6.35×105 5.85×105 2 T=被测材料的厚度

声阻抗 (gram/cm2·sec) 0.000033×106 0.149×106 1.72×106 4.56×106

Z=声阻抗

密度 (gram/cm3) 0.001 1.00 2.71 7.80 ?Z2?Z1?3. 反射系数(R)???Z?Z??

1??2 课后练习1

探头 水 Z1 铝 Z2

1. 从水到铝界面，超声波起始能量反射回探头的百分比是多少？

2. 声能从铝工件的底面返回到换能器时，有百分之几的起始声能会最终进入水

中？

3. 检测一包复材料的结合缺陷。其中材料一厚度为0.3”，声阻抗为5.0×106

gram/cm2·sec，另一材料厚度为4.0”，声阻抗为4.5×106 gram/cm2·sec。如果结合良好，则从界面反射的超声波的百分比是多少？

4. 你希望从较厚的一侧，还是从较薄的一侧检验包复材料？为什么？

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课后练习2

1. 理解“声束扩散”对选择合适的探头尺寸和频率很重要。超声波波长和探头直

径通常作为检测裂纹大小和位置的判据。

2. 利用以下给出的信息，确定已知条件下的“声束扩散”。

a) 钢材料中的声速=0.585×104cm/sec b) 铝材料中的声速=0.625×104cm/sec

3. 用直径为25mm，频率为2.25MHz的探头检测铝材料时的声束扩散是多少？ 4. 用直径为25mm，频率为1MHz的探头检测铝材料的声束扩散是多少？ 5. 用直径为12.5mm，频率为2.25MHz的探头检测铝材料时的声束扩散是多

少？

课后测验：

1. 当超声波在试样中传播时，声束分为三个区域，分别为 ，近场

和远场。

2. 延时或双晶片的换能器用来增强近表面分辨力。 4. 计算直径为20mm，频率为2.5MHz的直探头近场长度。

5. 盲区的长度可以通过观察 ， 的位置估计 6. 近场内同样大小的反射体在CRT示波管上可能有不同的信号。这说明近场

内的这些反射体位于 强度和 强度区域。 7. 声压的最大压标志是在 的末端。

8. 在近场以外，到超声波衰减或反射掉的声束区域称为 。 9. 随着频率和直径的增加，声束扩散将 。

10. 计算，直径为100mm，频率为5MHz的直探头在钢材料中的扩散全角。 11. 有限反射体在远场中的位置越深，其振幅响应越小。这不仅因为超声波衰减，

也是 的结果。

（ ）

3. 对于一定材料，近场长度将随探头直径和频率的增加和增加。 （ ）

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