超声波检测基础知识

第一章 超声波检测

超声波检测定义：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。

超声检测的优点：（1）适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测；（2）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1～2mm的薄壁管材和板材，也可检测几米长的钢锻件；（3）缺陷定位较准确；（4）对面积型缺陷的检出率较高；（5）灵敏度高，可检测试件内部尺寸很小的缺陷；（6）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。

超声检测的局限性 ：（1）对试件中的缺陷进行精确的定性、定量仍须作深入研究；(2)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；(3)缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定影响；(4)材质、晶粒度等对检测有较大影响；(5)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。

超声波检测的适用范围 ：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1mm，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。

1.1超声波检测的基础知识

1.1.1 超声波

声波：频率在20～20KHz之间；

次声波：频率低于20Hz；不容易衰减,不易被水和空气吸收.而次声波的波长往往很长,因此能绕开某些大型障碍物发生衍射.某些次声波能绕地球2至3周.某些频率的次声波由于和人体器官的振动频率相近,容易和人体器官产生共振,对人体有很强的伤害性,危险时可致人死亡

超声波：频率大于20KHz。方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在

水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。

超声波被应用于无损检测，主要是因为有以下特性：

（1）超声波在介质中传播时，遇到界面会发生反射；（2）超声波指向性好，频率越高；指向性越好；（3）超声波传播能量大，对各种材料穿透力强。 1.1.2 超声场及介质的声参量

1) 描述超声场的物理量 （1）声压

超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强，与没有超声场存在时同一点的静态压强之差，称为该点的声压。单位为Pa。

p?p1?p0 (1.1)

（2）声强

在超声波传播的方向上，单位时间内介质中单位截面积上的声能叫做声强。常用I表示，单位为W/cm2。

1 2 2 12 1 I ? 1 ? cV 2 (1.2) ? ?cA?? p mm22?c2

（3）分贝

引起听觉的最弱声强称为标准声强（I0?10?16W/cm2）。将某一声强与标准声强取常用对数得到二者相差的数量级，称为声强级，用IL表示：

IL?lg(I/I0) (1.3)

声强级的单位为贝尔，实际应用中，贝尔单位太大，常用分贝来表示声强级的单位dB，其为贝尔的十分之一。

2）介质的声参量

声波在介质中的传播是由其声学参量（包括声速、声阻抗、声衰减等）决定的，因而深入研究介质的声参量具有重要意义。

（1）声阻抗

超声波在介质中传播时，任何一点的声压p与该点速度振幅V之比称为声阻抗，常用Z表示，单位为kg/(cm2?s)

Z?p (1.4) V声阻抗表示声场中介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，介质的声阻抗越大，质点的振动速度越小。介质不同，声阻抗不同。同一种介质，如果波形不同，声阻抗也不同。当超声波由一种介质传入另一种介质时，或者从介质的界面反射时，主要取决于这两种介质的声阻抗。

气体、液体、固体的声阻抗差别很大，实验测定，其声阻抗之比接近于1：3000：8000。

（2）声速

声波在介质中传播的速度称为声速。在同一种介质中，波形不同，其传播速度也各不相同。超声波的声速还取决于介质的特性（如密度、弹性模量）。

声波分为相速度和群速度。

相速度：是声波传播到介质的某一选定的相位点时，在传播方向上的声速。 群速度：是指传播声速的包络上，具有某种特性的点上，声波在传播方向上的速度。群速度是波群的能量传播速度，在非频散介质中，群速度等于相速度。

c?1.1.3 超声波的传播 1）超声波的分类

K? (1.5)

??????纵波??横波???按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分类??表面波???????S型板波??????A型????平面波???按波面的形状分类?柱面波??球面波??????连续波?按振动持续的时间分类???脉冲波?

根据介质中质点的振动方向和声波的传播方向，超声波的波形可分为以下几种： （1）纵波

质点的振动方向和传播方向一致的波形称为纵波。如图1-1所示。它能在固体、液体、气体中传播，在探伤中用于纵波探伤法。

图1-1 纵波

（2）横波

质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波。如图1-2所示。它只能在固体中传播，用于横波探伤法。

图1-2横波

（3）表面波（瑞利波）

质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。如图1-3所示。表面波质点振动轨迹为椭圆。质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。它用于表面波探伤法。

图1-3 表面波

（4）兰姆波（板波）

兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍布整个板的厚度，沿着板的两表面及中部传播，所以又称为板波。如果两表面质点振动的相位相反，中部质点以纵波的形式振动则称为对称性兰姆波。如果两表面质点振动的相位相同，中部质点以横波的形式振动，则称为非对称性兰姆波。如图1-4所示。兰姆波可检测板厚及分层、裂纹等缺陷。还可以检测材料的晶粒度和复合材料的粘合质量。

图1-4 兰姆波

超声波在介质中以一定的速度传播。纵波、横波、表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数和介质密度。兰姆波的传播速度除与介质的弹性常数有关外，还与介质的厚度和兰姆波的频率有关。

在无限大的固体介质中，各种波的传播速度为： 纵波：cL?K?4/3G?G （1.6）

横波：cS?? （1.7）

表面波：cR?0.87?1.12? (1.8)

1??通常认为，横波声速是纵波的一半，表面波声速约为横波的90%。

兰姆波的声速对于每一介质而言，取决于薄板厚度(或缺陷深度)和频率的乘积。由于速度和频率有关，又有群速度和相速度之分。脉冲波是以群速度来传播的,连续波是以相速度来传播的。相速度是以声波〔或电磁波)沿行进路线变更相位的速度。群速度是声能(或电磁能)变更的速度。·因为脉冲波不可能只包括一个频率，而是包括一群不同频率不同幅度的正弦波之和。它的传播速度是群速度。当传播速度与频率无关时，群速度等于相速度。 2）平面波、柱面波、球面波

图1-5 平面波、柱面波、球面波

3）连续波与脉冲波

连续波是介质中各质点振动时间为无穷时的波。脉冲波是质点振动时间很短的波，超声检测中最常用的是脉冲波。对脉冲波进行频谱分析，可知它并非单一频率，而是包括多种频率成分。其中人们关心的频谱特征量主要有峰值频率、频带宽度和中心频率。

图1-6 连续波

图1-7 脉冲波

1.1.4 超声波在介质中的传播特性

1.1.4.1超声波垂直入射到平界面上的反射和透射

超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，并不改变方向。但遇到异质界面时，会发生反射和透射现象。既有一部分超声波在界面上被反射回来，另一部分透过介质交界面进入第二介质。 1）单一界面

当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波。在第二介质中产生应该与入射波方向相同的透射波。反射波和透射波的声压按一定比例分配。这个分配比例由声压反射率（声强反射率）和声压透射率（声强透射率）来表示。

图1-8 单一界面反射和透射

声压反射率r：界面上反射波的声压pr与入射波的声压p0之比称为声压反射率。

r?prZ2?Z1 (1.9) ?p0Z2?Z1声压透射率t：界面上透射波声压pt与入射波的声压p0之比。

t?pt2Z2 (1.10) ?p0Z2?Z1声强反射率R：界面上反射波的声强Ir与入射波的声强I0之比

?Z2?Z1?I?R?r??? (1.11) I0?Z?Z1??22声强透射率T：界面上透射声强It与入射波的声强I0之比。

T?It4Z2Z1 (1.12) ?I0?Z2?Z1?2从以上可以看出：声压和声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。但需要指出的是在垂直入射时，介质两侧的声波必须满足两个边界条件：一是一侧总声压等于另一侧总声压。二是两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。

上述计算公式同样适合于横波入射情况，但必须注意：在固液、固气界面上，横波将发生全反射，这是因为横波不能在液体和气体中传播。

2）薄层界面

超声波由声阻抗为Z1的第一介质，入射到Z1和Z2的交界面，然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3界面。最后进入声阻抗为Z3的介质。

图1-9 薄层界面

超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界面不同，异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射和透射波。当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次反射波、透射波就会相互干涉。由于上述原因，声压反射率和透射率的计算比较复杂。

一般来说，超声波通过异质薄层时的声压反射率和透射率不仅与介质阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度与其波长之比（d2/?2）有关。

(1)当第一、第三介质为同一介质时：

1?1?2?2?d2???m?sin???4?m??2??? (1.13) r?21?1?2?2?d2??1??m??sin???4?m???2?t?1?2?d21?1?1??m??sin2???4?m??222???? (1.14)

式中，d2异质薄层的厚度；?2异质薄层的波长；

m两种介质的声阻抗之比；m?分析式(1.13)和(1.14)，当d2?nZ1Z2。

?22（n为正整数）时，r?0 t?1；

当d2?(2n?1)?24（n为正整数）时，r最高；t?0；

当d2?0时，即d2??24时，则薄层厚度越小，透射率越大，反射率越小。

(2)当Z1?Z2?Z3时，即非均匀介质中的薄层 其声压往复透射率为：

T?4Z1Z32?Z1?Z3?2cos2?d2?2?Z1Z3?22?d2???Z?sin?2Z2??2?? (1.15)

当当d2?n?22（n为正整数）时：

T?4Z1Z3?Z1?Z3?2 (1.16)

即超声波垂直入射到两侧介质声阻抗不同的薄层时，若薄层厚度等于半波长的整数倍时，通过薄层的声压往复透射率与薄层的性质无关。

当d2?(2n?1)T?4Z1Z3?Z1Z3???Z??2?Z2??2?24（n为正整数）时，且Z2?Z1Z3时，则有：

?1 (1.17)

此为全透射情况。 当d2??24时，则薄层厚度越小，声压往复透射率越大。

1.1.4.2 超声波倾斜入射到平界面上的反射和折射

在两种不同介质之间的界面上，声波传输的几何性质与其它任何一种波的传输性质相同，即斯涅耳定律有效。不过由于声波和电磁波的反射和折射现象之间有所差异。当声波沿倾斜角到达固体介质的表面时，由于介质的界面作用，将改变其传输模式（例如从纵波转变成横波）。传输模式的变换还导致传输速度的变化，此时应以新的声波速度带入斯涅耳公式。

1）斯涅耳定律

sin?Lsin?Lsin?Ssin?Lsin?S (1.18) ????cL1cL1cS1cL2cS2式中：?为入射角，?为折射角，?为反射角，L为横波，S为纵波。

?s?L?s?L

图1-10 倾斜入射情况

当入射超声波在界面上发生反射和透射时，由于入射角的变化，使得在界面上两侧的第一介质、第二介质及界面上产生波型转换的情况将会发生变化，在第二种介质中的透射波的波型取决于入射角大小，而这些引起波型变化的入射角临界值分别称为第一临界角?I、第二临界角?II和第三临界角?III。 2）临界角

第一临界角：当cL2?cL1时，必然有?L??S。令横波透射角?L等于90°时的纵波入射角?L为第一临界角。?I?arcsin不再有折射纵波，只有折射横波。

第二临界角：如果cS2?cL1，则有?S??L，令?S?90°C。得到

cL1cL2。当?L??I，第二介质中

?II?arcsincL1cS2。当?L??II，第二介质中既没有折射纵波，也没有折射横

波，这时会在介质表面产生表面波。

第三临界角：当超声波横波倾斜入射到界面时，在第一介质中产生反射纵波和反射横波。由于同一介质中，cL1恒大于cS1，所以?L恒大于?S，随着?S增加，当?L=90°C时，介质中只存在反射横波。令?L?90°C，则有：

?L??III?arcsin

cS1cL1

图1-11 临界角

3）声压反射率和透射率

在斜入射情况下，各种类型的反射波和透射波的声压反射率和透射率，不仅与界面两侧介质声阻抗有关，而且还与入射波的类型以及入射角的大小有关。由于其理论计算公式复杂，通常借助于实验得到的几种常见界面的声压反射率和透射率图来确定检测方案。 1.1.5 超声场的特征

1）超声场的指向性和扩散角

超声波从声源（晶片辐射器）集中成束向前传播，往往集中在与晶片轴线成

?半扩散角的椎体范围内强烈辐射出去，称为超声场的指向性。

图1-12 指向性和扩散角

当晶片直径为D，超声波波长为?时，存在：

??arcsin1.22?D

?越小，指向性越好。

图1-13 声场结构

2）指向性与声源直径D和波长?的关系

有上式可以看出，当?一定时（频率一定），半扩散角与晶片直径成反比，直径大，半扩散角小，则指向性好；当直径D一定时，?越小（频率越高），半扩散角越小，指向性越好。

3）近场区、远场区和声压公式

超声场结构一般由主声束和副声束构成，主声束的截面大，能量集中，很好的指向性好，副声束的截面小，能量弱，方向易变

图1-14圆盘源的超声场轴线上的声压分布

近场：出现极大值与极小值这段声程称为超声波束的近场。

近场长度：距探头最远的声压极大值点至探头表面的距离。对圆直探头纵波，其可以表示为：N?D2 4?远场：近场以外的部分。探伤时，一般利用远场中的声学特性来发现缺陷。 声压公式：

????D2?????2p??2p0sin???x?x???sin??t?kx? （1.19）

????4?????????

1.2 超声波换能器

超声波换能器通常称为探头，主要由压电晶片组成，可发射和接受超声波。探头是超声波探伤仪的重要组成部分，既可以实现电信号与声讯号相互转换，又能够控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率。探头因其结构和使用的波型不同可分为直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、聚焦探头、水浸探头等等。 1）直探头

直探头可发射和接收纵波。直探头由插座、外壳、保护膜、压电晶片、吸声材料等组成。超声波的发射/接收均由压电晶片完成，其多为圆片形，其厚度与超声频率成反比，直径与扩散角成反比；晶片两面敷有银层，作为导电极板。保护膜多采用高硬度刚玉片，耐磨损；吸收快用钨粉、环氧树脂和固化剂等浇注，可吸收声能。 2）斜探头

可反射和接收横波。主要由压电晶片、吸收块和斜楔块组成。。晶片产生纵波，经斜楔倾斜入射到被检工件中转换为横波。

直探头在液体中倾斜入射工件时，在一定的角度下，也能产生横波。在水浸法横波探伤中，常用此方法产生横波。 3）表面波探头

可反射和接收表面波。它是斜探头的一个特例。即当入射角达到横波临界角时，在工件中便产生表面波。直探头在液体中倾斜入射工件时，在特定角度下也能产生表面波。 4）兰姆波探头

可发射和介绍兰姆波（板波）。它是斜探头的一个特例。当纵波从第一介质倾斜入射到第二介质时，入射角满足下面条件，即可产生兰姆波：

sin??cLcP

式中cL为第一介质的纵波声速；cP为兰姆波某种模的相速度；?为入射角。 5）可变角探头

它可以连续改变入射角，以产生纵波、横波、表面波和兰姆波，使用时可根据需要调整角度，以产生不同的波型。

6）双晶探头

又称为组合式或分割式探头。其两块晶片装在一个探头架内，一个晶片发射，另一个晶片接收，可以反射和接收纵波。晶片下面装有延迟块，可以使声波延迟一段时间后射入工件，从而可检测近表面缺陷，减少盲区，并可提高分辨力。两片晶片之间用隔声层分开。两片晶片声场重合部分是检测灵敏度最高的区域，一般成菱形。 7）水浸探头

可浸在水中探伤，不与工件接触，其结构与直探头相似，但不需要保护膜。 8）聚焦探头

可将超声波聚焦成细束（线状和点状），在焦点处声能集中，可推高检测灵敏度和分辨力。聚焦探头反射纵波，在水浸法探伤中，调整入射角可在工件中产生横波、纵波或兰姆波。

超声波聚焦有两种方法：一种是将压电晶片做成凹面，反射的声波直接聚焦，另一种是用声透镜的方法将声束聚焦。实际应用中，后一种方法较多。点聚焦探头灵敏度高，探伤速度慢，线聚焦探头灵敏度低一些，但增大了扫查面积。

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