钢轨探伤1章理论 - 图文

第一章 无损检测基础知识

第一节 无损检测概述

一、无损检测简介 （一）无损检测的定义

无损检测（NDT）是一门综合性的应用科学技术，它是在不改变或不影响被检对象使用性能的前提下，借助于物理手段，对材料或构件进行宏观与微观缺陷检测，几何特性度量，化学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就材料或构件使用性能做出评价的一门学科。工业领域中的无损检测类似于人们买西瓜时的“拍皮猜瓜”。买西瓜时，用手轻轻拍打西瓜外皮，听声响或凭手感，想猜一下西瓜的生熟，这是人们常有的习惯，这种并不损坏西瓜而知西瓜生熟的检测方式就是生活中的“无损检测”。不过，需要指出的是，类似“拍皮猜瓜”这些古老而简单的无损检测方法尽管至今仍在沿用，但因它们对缺陷的位置和大小做不出“基本相符”的判断，而不被视为无损检测的技术方法。真正的技术方法必须确保无损检测结果的准确性和可重复性。

（二）无损检测的作用

随着现代工业的发展，无损检测已经广泛深入到产品的设计、制造、使用等各个方面，它在产品质量控制中所起的不可取代的重要作用已为日益众多的科技人员和企业家所认同。在设计阶段，设计单位要充分考虑无损检测的实际能力，以保证结构设计要求与无损检测的灵敏度、分辨率和可靠性相一致；在制造阶段，为确保产品质量达到设计要求，同样要运用无损检测技术，根据一定标准对原料的缺陷以及非均质性进行鉴定和评价；在使用阶段，为保证使用的可靠性，使用部门必须根据设计部门规定的周期和方法及制造部门所提交的检测细则对指定零部件进行可靠的无损检测甚至于适时监控。事实上，就是用户订货，也常常通过无损检测技术进行验收检查，有

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人说，现代工业是建立在无损检测基础之上的，此并非言过其实之词，现代无损检测技术不仅形式多样，技术手段也日臻成熟，在铸件、锻件、棒材、粉末冶金制件、焊接件、非金属材料、陶瓷制件、复合材料、锅炉、压力容器、核电设备等许多领域都有较好的应用，对于改进产品的设计制造工艺、降低制造成本以及提高设备运行的可靠性等具有十分重要的意义，其作用主要有：

1．无损探伤 对产品质量作出评价。无论是铸件、锻件、焊接件、钣金件或机加工件以至非金属结构都能应用无损检测技术探测它表面或内部缺陷，并进行定位定量分析。

2．材料检测 用无损检测技术测定材料的物理性能和组织结构，能判断材料的品种和热处理状态，进行材料分选。

3．几何度量 产品的几何尺寸、涂层和镀层厚度、表面腐蚀状态、硬化层深度和应力密度都能用无损检测技术测定，根据测定结果利用断裂理论确定是否进行修补和报废处理，对产品进行寿命评定。

4．现场监视 对在役设备或生产中的产品进行现场或动态检测，将产品中的缺陷变化信息连续的提供给运行和生产部门实行监视。在高温、高压、高速或高负载的运行条件下尤其需要无损检测。例如压力容器和钢轨的探伤等。

（三）无损检测的特点 1．不破坏被检对象。 2．可实现100%的检验。

3．发现缺陷并做出评价，从而评定被检对象的质量。

4．可对缺陷形成原因及发展规律做出判断，以促进有关部门改进生产工艺和产品质量。

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5．对关键部件和关键部位在运行中作定期检查，甚至长期监控以保证运行安全，防止事故发生。

（四）无损检测的发展

从无损检测的作用和特点表明，无损检测技术是工业发展必不可少的有效工具，它必将随着工业生产的进步而发展，早期的无损检测称为无损探伤（NDI），它的作用是在不损坏产品的前提下发现人眼无法看到的缺陷，以满足工程设计中的强度要求。第二阶段称为无损检测（NDT），这个阶段始于70年代，它不但检测最终产品，而且要测量各种工艺参数，制成工件后还需知道它的组织结构、晶粒大小和残余应力等。第三阶段称为无损评价（NDE），尤其对航空、航天、核电、能源、交通、石油和化工等方面的机械产品，在加强检测同时注重产品质量的评价，确保每一件产品都是合格的。在工业发达国家已从一般无损评价发展到自动无损评价，采用计算机来进行检测和评价，尽可能减少人为因素的影响，这在超声检测的发展中成为突出，例如钢轨探伤车。这种发展趋势促使无损检测人员应具有更广的知识面，更深厚的基础理论和更高的综合分析能力。

二、常用无损探伤方法

无损探伤是无损检测（包括探伤、测量、评价）的一个重要组成部分，它是对材料、工件或组件进行非破坏性检测和分析，以发现材料和构件中非连续性宏观缺陷（如裂纹、夹渣、气孔等）为主要目的的检验。无损探伤的方法种类较多，据美国国家宇航局调研分析，认为可分六大类约70余种，但在实际应用中较普遍的为超声探伤、射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤五种常规方法，除此之外，还有红外监测、声振检测、激光全息摄影、微波探伤、同位素射线示踪等非常规探伤技术。鉴于超声波探伤在目前占有举足轻重的地位，本书将在后面予以重点介绍，以下针对其它几种

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常规探伤简要介绍基本原理、主要特点和适用场合。

（一）射线探伤（RT）

射线通常指Χ射线、γ射线、α射线、β射线和中子射线等，其中，Χ射线、γ射线和中子射线因易于穿透物质而在产品质量检测中获得了广泛应用，工业应用中的射线探伤技术大体上可以分为：射线照相探伤技术、射线实时成相探伤技术、射线层析（CT）探伤技术等，常规的射线探伤技术一般指射线照相探伤技术（以下均以此技术介绍），其基本原理（如图1－1）为：射线在穿过物质的过程中，会受到物质的散射和吸收作用，依物体材料、缺陷和穿透距离的不同，射线强度将产生不同程度的衰减，这样，当把强度均匀的射线照射到物体的一侧，使透过的射线在物体另一侧的胶片上感光，把胶片显影后，得到与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，即射线底片。通过对图像的观察分析，最终确定物体缺陷的种类、大小和分布情况。

射线探伤适用于体积型缺陷探测。如气孔、夹碴、缩孔、疏松等，对片型缺陷检测较难。

图1－1 缺陷的射线照相

（二）磁粉探伤（MT）

磁粉探伤是指把钢铁等铁磁性材料磁化后，利用缺陷部位所发生的磁极吸附磁粉的特性，显示缺陷位置的方法。如图1－2所示，把一根中间有横向裂纹的强磁性材

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料试件进行磁化后，可以认为磁化的材料是许多小磁铁的集合体，在没有缺陷的连续部分，由于小磁铁的Ｎ、Ｓ磁极互相抵消，而不呈现出磁极，但在裂纹等缺陷处，由于磁性的不连续将呈现磁极，在缺陷附近的磁力线绕过空间出现在外面，此即缺陷漏磁，缺陷附近所产生的称作为缺陷的漏磁场，其强度取决于缺陷的尺寸、位置及试件的磁化强度等，这样，当把磁粉散落在试件上时，在裂纹处就会吸附磁粉，称为缺陷磁粉迹痕，由此可以发现缺陷的部位。

磁粉探伤仅适用于铁磁材料的表面或近表面缺陷的检测，其探伤灵敏度高低受试件表面光洁度、缺陷形状和取向、磁化方法和范围等影响。磁粉探伤能确定缺陷的位置、大小和形状，但对缺陷深度确定较难。

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图1－2 磁场的形成

（三）渗透探伤（PT）

渗透探伤是指将溶有荧光染料（荧光探伤）或着色染料（着色探伤）的渗透剂施加在试件表面，渗透剂由于毛细作用能渗入到各型开口于表面的细小缺陷中，此时清除附着在表面的多余渗透剂，经干燥和施加显像剂后，在黑光或白光下观察，缺陷处

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可分别相应地发出黄绿色的荧光或呈现红色，从而能够用肉眼检查出试件表面的开口缺陷。渗透探伤的基本步骤如图1－3。渗透探伤除荧光渗透探伤和着色渗透探伤方法外，还有滤出粒子探伤法，氪气体渗透成像等。

渗透探伤适用于检测金属和非金属材料表面开口的裂纹、折叠、疏松、针孔等缺陷。它能确定缺陷的位置、大小和形状，但难于确定其深度，不适用于探测多孔性材料及材料内部缺陷。

图1－3 渗透探伤的基本操作过程

（四）涡流探伤（ET）

涡流探伤是将通有交流电的激励线圈靠近某一导电试件（如图1－4所示），由于电磁感应作用，进入试件的交变磁场可在试件中感生出方向与激励磁场相垂直的、呈旋涡状流动的电流（涡流），此涡流会转而产生一与激励磁场方向相反的磁场使原磁场有部分减少，从而引起线圈阻抗的变化，通过对线圈阻抗变化的测量，就可得知试件中产生的涡流状况，从而获悉与试件有关的一些参量。当试件内有缺陷时，涡流因流动途径的变化，使涡流磁场也相应变化，经试验线圈检出异常磁场的变化量，可获得缺陷的信息。

由于涡流是交流电，具有集肤效应，在导电试件的表面较多，随着涡流向试件内部的深入，电流按指数函数而减少，因此，涡流探伤主要适用于金属和石墨等导电材料的表面和近表面缺陷，通常能够确定缺陷的位置和相对尺寸，不适用于非导电材料

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的缺陷检测。

图1－4 涡流的产生

以上介绍了几种常用探伤方法的基本原理，实际应用当中，射线探伤和超声波探伤适合于内部缺陷探测，而磁粉、渗透、涡流探伤则适合于表面缺陷探测，它们各有其优越性，因此必须结合缺陷具体情况合理配合使用，才会收到更好的效果。几种探伤方法的比较见表1－1。

表1－1 五种常规无损探伤方法比较

项目 探伤方法 1．对确定内部缺陷大小、位置、取超声探伤 2．适用广泛、使用灵活、费用低廉 1．适用于几乎所有材料 2．探伤结果（底片）显示直观、便射线探伤 于分析 4．探伤技术和检验工作质量可以监测 1．直观显示缺陷的形状、位置、大小 2．灵敏度高，可检缺陷最小宽度约磁粉探伤 为1μm 3．几乎不受试件大小和形状的限制。 4．检测速度快、工艺简单、费用低廉 5．操作简便、仪器便于携带 1．只能用于铁磁性材料 2．只能发现表面和近表面缺陷 3．对缺陷方向性敏感 但不知道缺陷的深度 检测铸件、锻件、焊缝和机械加式零件等铁磁性材料的表裂纹） 1．检验成本较高 2．对裂纹类缺陷有方向性限制 射线的传播） 1．难于对缺陷作精确定性和定量 的复杂性有一定限制 可用于金属、非金属及复合材料的铸、锻、焊件与板材 检测铸件及焊接件等构件内部缺陷，特别是体积型缺陷（即具有一定空间分布的缺陷）， 优 点 缺 点 适 用 范 围 向、埋深、性质等比其它方法有优势 2．一般需用耦合剂，对试件形状3．探伤结果可以长期保存 3 ．需考虑安全防护问题（如Χ、γ4．能知道缺陷的位置和表面长度，面和近表面缺陷（如 - 7 -

1．只能检测开口于表面的缺陷，1．设备简单，操作简便，投资小 2．效率高（对复杂试件也只需一次渗透探伤 检验） 3．适用范围广（对表面缺陷，一般不受试件材料种类及其外形轮廓限制） 且不能显示缺陷深度及缺陷内部的形状和尺寸 2．无法或难以检查多孔的材料，检测结果受试件表面粗糙度影响 3．难于定量控制检验操作程序，多凭检验人员经验、认真程度和视力的敏锐程度 1．适于自动化检测（可直接以电信号输出） 涡流探伤 2．非接触式检测，无需耦合剂且速度快 3．适用范围较广（既可检测缺陷也可检测材质、形状与尺寸的变化等） 用于检验有色和黑色金属的铸件、锻件、粉末冶金件、焊接件以及各种陶瓷、塑料、玻璃制品的裂纹、气孔、分层、缩孔、疏松、折叠及其它开口于表面的缺陷 用于钢铁、有色金属等导电材料所制成的试件，不适于玻璃、石头和合成树脂等非金属材料 1．只限用于导电材料 2．对形状复杂试件及表面下较深部位的缺陷检测有困难，检测结果尚不直观，判断缺陷性质、大小及形状尚难

第二节 超声波探伤基础

超声波探伤是依据定向辐射超声波束在缺陷界面上产生反射或使透过声能下降等原理，通过测量回波信息和透过声波强度变化来指示伤损的一种方法。

一、超声波一般知识

人们日常所听到的各种声音，是由于各种声源（如演奏小提琴时，声源即为被擦动的那根弦）的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起的耳膜振动，牵动听觉神经，产生听觉。声源的振动有快有慢，通常用每秒内的振动次数即“频率”来衡量快慢，单位为“赫兹”（符号为Hz），必须指出，只有当频率在一定范围内的振动才能引起听觉。人们把能引起听觉的机械振动称为声波，频率大致在20Hz～20kHz（即20 000Hz，1kHz＝1000Hz）。频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20kHz的机械波称为超声波（用于探伤的超声波频率范围为0.2～25MHz，其中最常用的频段为0.5～10MHz）。生活当中，人耳听不到超声波，但蝙蝠、秋虫和海豚等却能听见并可用超声波传递信息。尤其是蝙蝠，它能发射超声脉冲，并能接受和识别从电线等障碍物或昆虫等反射回来的波，因此它在飞行时不会碰撞障碍物。超声波探伤大多采用的就是

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像蝙蝠这样的脉冲反射形式，这种反射波又叫回波。

超声波探伤可检查金属材料、部分非金属材料的表面和内部缺陷。如检查锻件中的白点、裂纹、夹渣、分层；非金属材料中的气泡、分层和粘合层中的粘合不良；焊缝中裂纹，未焊透、夹渣、气孔以及管棒和锻件中与表面成一定角度的缺陷。它之所以被广泛地应用于无损探伤。

超声波探伤的优点

1．指向性好。超声波波长很短，像光波一样，可以定向发射，因而能方便、准确地对缺陷定位。

2．穿透能力强。超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，在一些金属材料中传播时，其穿透能力可达数米，其它无损探伤手段无法比拟。

3．检测灵敏度高。一个存在于钢中的空气分层厚度为10－6 mm，反射率可超过21%，当分层厚度在10－5 mm以上时，反射率可超过94%，其灵敏度居所有无损探伤方法之首。

4．可检出各种取向的缺陷。通过应用多种波型以及各种探头作不同方向的探测，能探出工件内部和表面各种取向（与表面平行或倾斜）的缺陷。

5．检测速度快，费用低（仅耗损少量电能和耦合剂）。 超声波探伤的局限性

1．探测结果受人的因素影响。对试件中缺陷的发现与评价，主要取决于探伤人员对仪器的调节和判断。

2．探测表面要求制备。不良的探测面影响伤损检测灵敏度。 3．检测结果受工件形状、晶粒和组织不均匀性的限制。

4．定量精度差。探测出缺陷的当量或延伸度与实际缺陷大小均有一定的误差。

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（一）超声波的产生

人们把声源振动在介质（如空气等）中的传播过程，称为波动，简称波。波是物质的一种运动形式，可分为电磁波和机械波两类。电磁波是交变电磁场在空间的传播过程，如无线电波、红外线等，而机械波是指机械振动在弹性介质中的传播过程，如水波、超声波等。产生机械波需要两个必要条件：第一要有作机械振动的振源；第二要有能传递机械振动的弹性介质。探伤作业中，超声探头就是产生超声波的振源，原则上凡是能将其它形式能量转换成超声振动方式能量的方法都可以产生超声波，如机械方法、热效应法、磁伸缩法和电磁声法，在超声波探伤中应用最广的是利用某些压电材料（石英、锆钛酸铅等）的压电效应，来实现超声波的发生和接收。必须注意的是，超声波在传播过程中，实际上只是振动能量的传播，并没有产生物质的迁移，介质质点本身仅限于平衡位置附近振动。

（二）超声波的类型

超声波的分类方法很多，下面介绍几种常见的分类方法： 1．按质点的振动方向分

根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向不同，可将超声波分为纵波（压缩波）、横波（剪切波）、表面波（瑞利波）、兰姆波、爬波等。它们的比较如表1－2所示。

表1－2 几种波的比较

波的类型 简 图 质点振动特点 介质质点振动方向平行于 波的传播方向 传播介质 应 用 纵波L 固体、液体 钢板、锻件 和气体 探伤等 横波S 介质质点振动方向垂直于波的传播方向 固体 焊缝、钢管 探伤等 - 10 -

在介质表面传播时介质表表面波R 对称型（S兰姆波 型） 非对 称型 （A型） 面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向 薄板中心质点作纵向运动，上下表面质点作相位相反并对称于中心的椭圆运动 薄板中心质点作横向运动，上下表面作相位相同的椭圆运动 固体（厚度与波长相当的薄板） 固体（厚度与波长相当的薄板） 薄板、薄壁钢管（??6mm） 薄板、薄壁钢管（??6mm） 固体 钢板、锻件、 钢管探伤等 2．按振动持续时间分

根据波源振动持续时间的长短，超声波可分为连续波和脉冲波两种，如图1－5所示。其中连续波是指波源持续不断地振动所辐射的波，常用于穿透法探伤和共振法测厚。而脉冲波则指波源振动持续时间很短（微秒级，1μｓ＝10－6ｓ）、间歇辐射的波，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。

图1－5 连续波与脉冲波

3．按波的形状分

波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联成的面，其中，某一时刻波动所到达的空间各点所联成的面称为波前（波前是最前面的波阵面），任一时刻，波前只有一个。一般把波的传播方向称为波线。根据波阵面形状的不同，波又可以分为三种：平面波、柱面波和球面波。如图1－6所示，它们的特性见表1－3。

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图1－6 超声波波形 表1－3 不同波形分类及特性

波的形式 特 性 1．无限大平面（即波长与声源尺寸相比可忽略不计）作谐振动时，在各向同性的弹性介质中传播平面波 的波 2．如不考虑介质吸收波的能量，声压不随与声源的距离而变化 球面波 1．声源为点状球体，波阵面是以声源为中心的球面 2．声强与距声源距离的平方成反比 1．声源为一无限长的线状直柱，波阵面是同轴圆柱面 2．声强与距声源的距离成反比 柱面波 4．按原理分类

（1）脉冲反射法 超声波探头发射脉冲到工件内，根据反射波的情况来检测工件缺陷的方法。

（2）衍射时差法（TOFD） 采用一发一收双探头方式，利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法。

（3）穿透法 采用一发一收双探头分别放置在工件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来检测工件缺陷的方法。

（4）共振法 依据工件的共振特性来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法，此方法常用于工件测厚。

5．按显示方式分类

根据接收信号的显示方式可分为A型显示和超声成像显示。

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6．按探头数目分类

（1）单探头法 使用一个探头兼作发射和接收超声波的检测方法。 （2）双探头法 使用两个探头（一个发射，一个接收）进行检测的方法。 （3）多探头法 使用两个以上的探头组合在一起进行检测的方法，通常与多通道仪器和自动扫查装置配合。

7．按探头与工件的接触方式分类

（1）接触法 探头与工件检测面之间涂有很薄的耦合剂层，因此可以看作为两者直接接触，故称为直接接触法。

（2）液浸法 将探头和工件浸于液体中，以液体作耦合剂进行检测的方法。耦合剂可以是水，也可以是油，当水作耦合剂时，称为水浸法。

（3）电磁耦合法 采用电磁探头激发和接收超声波的检测方法，也称为电磁超声检测方法。使用这种方法时，探头与工件之间不接触。

8．按人工干预的程度分类

（1）手工检测 一般指由操作者手持探头进行的A型脉冲反射式超声检测。该方法简便实用，但检测可靠性受人为因素影响较大。

（2）自动检测 使用自动化超声检测设备，在最少的人工干预下进行并完成检测的全部过程。一般指采用自动扫查装置，或在检测过程中可自动记录声束位置信息、自动采集和记录数据的检测方式。该方法所要求的检测设备较复杂，但检测可靠性受人为因素影响较小。

（三）超声波的基本参数

1．振幅（A） 指振动质点偏离平衡位置的最大距离。

2．频率（ｆ） 振动质点单位时间（通常指1秒，以下同）内围绕平衡位置完

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成全振动的次数称为振动频率，其数值与波动频率相等。波动频率是指波动过程中任一给定质点在单位时间内通过完整波的个数。单位为赫兹（Hz）。

在实际探伤中往往会遇到重复频率的概念，其含意是指每秒钟内由脉冲发生器激励探头晶片的脉冲次数，即发射超声波的探头每秒钟向试件发射超声波的次数。为了提高探伤速度，一般要求重复频率越高越好，但过高的重复频率会导致发射和接收间的干扰，产生幻象回波，因此，重复频率应根据被检工件的大小，一次声程所需要的时间，仪器接收和发射超声波的能力，以及探伤速度等多方面因素决定。

3．周期（T） 指振动质点完成一次全振动所需要的时间。单位为秒（ｓ）。周期与频率的关系为：T?1 f4．波长（λ） 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长。波源或介质中任一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。单位为毫米（mm）或米（m）。

5．声速 （C） 声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离。也可称为波速。单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。由声速、波长和频率的定义可得：

C???f 或 ??C

f声速（C）与介质的弹性模量和介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同介质有不同的声速，介质的弹性模量愈大，密度愈小则声速愈大，对液体介质来说，当介质温度变化时，其容变弹性模量和密度会发生变化，因而声速也随着变化。另外，超声波波型不同时，介质弹性变形形式不同，声速也不一样。一般来说，在同一种固体材料中（由于液体和气体介质只能传播纵波，因而其声速不存在波型问题），纵波声速（CL）大于横波声速（CS），横波声速（CS）

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又大于表面波声速（CR）。表1－4 为一些常用材料的声速和波长。

表1－4 一些常用材料的声速和波长

材料 钢 有机玻璃 尼龙1010 水 油 空气 声速（km/s） 纵波 5.9 2.73 2.4 1.48 1.4 0.34 横波 3.23 1.43 －－ －－ －－ －－ 纵波波长（mm） 2MHZ 2.95 1.37 1.2 0.74 0.70 0.17 2.5MHZ 2.36 1.09 0.96 0.59 0.56 0.14 横波波长（mm） 2MHZ 1.615 0.715 －－ －－ －－ －－ 2.5MHZ 1.292 0.572 －－ －－ －－ －－ （四）超声场及其特征值 1．超声场概述

通常把充满超声波的空间部分称为超声场。如图1－7所示为圆盘声源（指一种圆平面状的振子）辐射的纵波声场轴线上的声压分布规律。

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图1－7 圆盘声源声束轴线上的声压分布

由图可知，波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在若干个极大极小值。距波源的距离愈近，声压极大极小值的点就愈密。声学上把由子波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用Ｎ表示。近场区长度可以用下式来计算：

D2??2D2AN???

4?4???式中：D－－为圆形压电晶片的直径；

λ－－为超声波波长；

A－－方晶片（或矩形晶片）面积。

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实际探伤中，有时近场区分布于两种不同的介质中，这时近场区长度计算与均匀单一介质不同，如图1－8所示，超声波先通过介质Ⅰ，然后进入介质Ⅱ，设介质Ⅰ的厚度为Ｌ，则介质Ⅱ的剩余近场区N为：

C1D2N?N2?L??L ？

C24?2式中：N2——近场区全部在介质Ⅱ中的近场区长度；

λ2——介质Ⅱ中的波长；

C1、C2——介质Ⅰ、Ⅱ中的波速。

图1－8 近场区在两种介质中的分布图

由于近场区存在声压极大极小值，处于声压极大值处的较小缺陷可能回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷可能回波较低，这样就可能引起误判，所以超声探伤中总是尽量避开这一区域。

至波源的距离大于近场区长度（x＞N）的区域称为远场区。在远场区中，轴线上的声压随距离增加而单调减少，在距离x＞3N时，圆盘源声束轴线上的声压与球面波的声压相差已甚小，如图1－7中虚线所示。

以上讨论的是波源轴线上的声压分布情况，对超声场中不同截面上的声压来说，其分布规律如图1－9所示，在Χ=0.5N的截面中心声压为0，中心附近的声压较高，而Ｘ≥N的各截面中心声压最高，偏离中心的声压逐渐降低。

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图1－9 超声场纵截面声压分布

2．波束指向性与半扩散角（θ0）

日常使用灯泡照明时，灯泡的光亮总是朝各个方向发散，而手电筒却能射出一束范围狭窄亮度较强的光。高频超声与低频可听声相比，就好比手电筒与灯泡一样，前者容易形成窄小的声束。以圆形平板振动声源为例，只要平板直径（D）与声波波长（λ）符合合适的比例（比如说，平板直径为7.5mm，而声波频率为100万赫），就能得到如图1－10所示的窄小的波束，像这种探头发出的超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象称为波束指向性。晶片发出的超声波束如手电筒发出的光柱类似，在靠近晶片较短的范围看作是笔直传播，经过一段距离后，按一定角度扩展辐射，非扩散的区域为近场长度（N）的1.67倍，大于1.67 N为扩散区，其优劣常用半扩散角（θ0）表示。半扩散角是指超声波定向辐射的锥角之半，即波束轴线与边缘之间的夹角，又称指向角。超声波的能量主要集中在2θ0以内的锥形区域内，此区域称为主声束，主声束边缘声压为零。

图1－10 超声场主声束和副声束

主声束旁侧的波束为副声束，副声束能量低，传播距离小。对圆盘声源辐射的纵波声场，其声束半扩散角计算式如下：

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?0?arcsin1.22上式可知，半扩散角θ0与

?D?70?D

?比值有关，相同条件下，若晶片直径（D）愈大或波D长（λ）愈短，则半扩散角（θ0 ）就愈小，波束指向性就愈好，超声波能量集中，探伤灵敏度高，分辨率好，定位精确，不过近场长度（N）也将愈大。

边长为a的方晶片声束半扩散角计算式：

?0?arcsin1.08?a?57?a

需要指出的是，上述分析主要建立在圆盘声源辐射的纵波声场基础上，对于横波发射声场（常用的超声波横波由斜探头得到），其近场区长度和半扩散角计算相对更复杂一些，可以参考相关书籍。

3．超声场的特征值

描述超声场的特征值主要有声压、声强和声阻抗。

（1）声压 超声场中某一点某一瞬时所具有的压强（P1）与该点没有超声波存在时的静态压强（P0）之差称为该点的声压（P）。单位为帕斯卡（Ｐa，1Pa＝1 N/m2）。在超声场内，各点的声压并不一样，通常某一点的声压是一个随时间按正弦函数周期变化的量，其幅值与介质密度、声速和频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于

声波的频率，故超声波的声压也远大于声波的声压。

（2）声阻抗 介质中某一点的声压与该点的振动速度之比称为声阻抗（Z）。单位为kg/（m2·ｓ），数值上声阻抗等于介质密度（ρ）与声速（C）的乘积，即Z?P???C，

V它表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。由于固体、液体和气体三者的波速和密度相差很大，因此，它们的声阻抗大不相同，即使在同一固体介质中，由于纵波、横波和表面波的声速（C）不同，因此它们的声阻抗也不一样。

（3）声强 单位时间内，垂直通过单位面积的声能量称为声强（Ｉ）。常用单位

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为erg/（cm2·s）或W/cm2 。对于平面余弦波，其平均声强（Ｉ）为：

11P2222I??CAW?ZV?

222Z由于声强的变化范围非常大，数量级可以相差很多，如人耳可闻的最弱声强（称为标准声强）为Ｉ0=10－16W/cm2，而人耳可忍受的声强达10－4W/cm2。两者相差1012倍，显然不便于比较和计算。因此常用两个声波声强之比的常用对数值来表示两者的关系，称为声强级（IL）。单位为贝尔（BeL），即IL=lgI/I0。在实用上，贝尔这个单位太大，因而常取其1/10，单位为分贝（dB）。即IL=10lgI/I0。由于声强与声压的平方成正比，所以有IL=10lg（I/I0）=20 lg（P1/P2 ）（dB）。对于放大线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正比，即任意两波高之比H1/H2等于相应的声压之比P1/P2，两者的分贝差为：

??20lgPH1?20lg1 P2H2（五）超声波的传播特性 1．波的散射

超声波在介质中传播时遇到小于波长的障碍物或其它不连续性，而使超声波向各个不同方向产生无规律反射、折射或衍射的现象称为散射。散射的结果使声能分散、穿透力降低和引起不规则的草状杂波，导致信噪比及灵敏度下降。

散射现象的强弱取决于材料内部组织、入射波波长和异质界面的平整度。当被检工件为铸件或奥凡体焊缝；探测面或反射面不平整；工件内存在与波长相当的气孔和夹杂，散射现象尤为严重。钢轨探伤中遇有轨面擦伤，轨底（轨颚）锈蚀，以及铝热焊焊缝的晶粒粗大等引起灵敏度下降、杂波增多就是散射现象的反射。

2．波的绕射

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超声波在传播过程中经过障碍物边缘或小孔时，所产生的展衍现象称为绕射（图1－11）。绕射现象取决于障碍物尺寸（D）和波长（λ）之比。当D<<λ时，声波只有绕射；当D≈λ时，有绕射和反射，且产生阴影区；当D>λ时，阴影区较大。

图1－11 绕射现象示意图

由于超声波具有绕射现象，一方面利用绕过障碍物或小孔的阴影减小或扩展进行探伤，另一方面也限制了脉冲反射法对最小缺陷的检测能力，因为缺陷的尺寸小于1/2波长时，绕射占主导地位。所以探测工件晶粒较细、表面光洁、材料衰减小时，应采用较高的频率来提高小缺陷的检测率。

3．波的叠加

当几列波在同一介质中传播并相遇时，相遇处质点的振动是各列波引起的分振动的合成，任一时刻该质点的位移是各列波引起的分位移的矢量和。相遇后的各列波仍保持它们原来的特性（频率、波长、振动方向等）不变，并按照各自原来的传播方向继续前进，好像在各自的传播过程中没有遇到其它波一样，称为波的叠加原理。

4．波的干涉

两列频率和振动方向相同、相位差恒定的波相遇时，由于波的叠加作用，使某些地方振动始终互相加强，而另一些地方振动始终互相减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉。能产生干涉现象的波称为相干波。相干波的波源称为相干波源。两列振幅相同的相干波，在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波称为驻波。

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5．波的衍射

波在传播过程中遇到障碍物时能绕过其边缘并继续前进的现象称为波的衍射或绕射。超声波在传播过程中遇到障碍物时，一方面产生反射和折射，另一方面产生绕射。如果障碍物尺寸远小于超声波波长，则超声波传播时几乎只绕射而无反射，由于绕射使反射回波减弱，因此，一般认为超声波探伤所能探测到的最小缺陷尺寸为

?/2。

6．惠更斯定理

惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中传播的规律基础上，总结了通过障碍物上小孔所形成新的波动与孔前的波动状态有关这一实验现象（如图1－12所示），并提出了著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，这些子波的包络就决定新的波阵面。

图1－12 障碍物上小孔成为新波源

用点振动源波阵面的包络来解释波动现象的惠更斯原理是介于几何声学和波动理论之间的方法，是一种工程上实用的方法，这对讨论超声场、超声波指向性及缺陷声压反射率计算和波的传播问题，具有重要的指导意义。

（六）超声波的反射、折射和波型转换

超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，部分能量反射回原介质内，称反射波，另有部分能量透过界面进入另一种介质，称透射波。界面上

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这种声能（声压、声强）的分配和传播方向的变化都遵循一定的规律。

在工业生产中常运用超声透射法对产品进行无损探测。超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收（图1－13a）。如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射（图1－13b），这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。

图1－13 超声探伤

1．超声波垂直入射单层界面时的反射和透射

当超声波从声阻抗为Z1介质垂直入射到声阻抗为Z2的介质，其界面为足够大的单一光滑平界面时，则服从表1－5所示的反射和透射规律：

表1－5 平面波垂直入射到单一平界面的反射与透射规律

项 目 概 念 界面上反射波声压Pr 与入射波声压Ｐ0 之比 界面上透射波声压Ｐt 与入射波声压Ｐ0 之比 界面上反射波声强与Ｉr 与入射波声强Ｉ0 之比 界面上透射波声强Ｉt 与入射波声强Ｉ0 之比 透射声波无损失（如固/气界面产生全反射）地反射返回到接收处的声压Pa与入射波表 达 式 反射、透射 示意简图 声压反射率（r） r?t?R?T?PrZ?Z1 ?2PZ1?Z20声压透射率（t） P2Z2 t?PZ2?Z10IrZ?Z12 ?r2?(2)I0Z1?Z2It4Z1Z2 ?I0(Z1?Z2)2声强反射率 （R） 声强透射率（Ｔ） 声压往复透射率（Ｔ） T?PaPtPa4Z1Z2 ???P0P0Pt(Z1?Z2)2 - 22 -

声压Ｐ0 之比 表1－5说明，超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。表中公式不仅适用于纵波入射，也适用横波入射（但必须注意在固／液与固／气界面上，横波将全反射）。一般情况下界面两侧的声阻抗有以下三种表现：

（1）当Z1≈Z2时，即界面两侧的声阻抗近似相等，如普通碳钢焊缝的母材与焊接金属之间的声阻抗相差很小，一般约为1%，这时可以得到r≈0，t≈1。显然，这种情况下，声压几乎全透射，无反射。因此，在焊缝探伤中，若母材与焊接金属结合面没有任何缺陷，就不会产生界面回波。

（2）当Z1 > Z2时，如钢／机油界面，计算可得反射率为95%，透射率5%，所以在试块上调试灵敏度时，如反射体（平底孔或横通孔）内渗入机油，会导致声能的透射而使反射回波略有下降。

（3）当Z1 >> Z2时，如钢／空气界面，计算可得： r≈－1，t≈0，R≈1，T≈0。显然，此时声压几乎全反射而无透射。因此，实际探伤中，探头与工件间或探头与保护膜间如不施加耦合剂，则形成固（晶片）／气界面，超声波将无法进入工件。

2．超声波垂直入射双层界面时的反射和透射

超声波探伤中，经常会遇至垂直入射双层平行界面的情况，如复合板的探伤，工件中片状缺陷的检测，探头与保护膜间的耦合，以及钢轨擦伤引起表面剥离层等，虽然声波通过每一层界面时仍服从反射和透射规律，但由于薄层中声波的叠加，使反射和透射规律更为复杂。

（1）工件中夹有片状缺陷（Z1=Z3≠Z2），它的声压反射率与缺陷厚度有关，当厚度为半波长的整数倍时，缺陷的反射声压很弱，呈现半波透声现象，为了提高缺陷声压反射率，可采取改变探伤工作频率，增加缺陷的反射声压，有利于缺陷检测，但改

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变后的频率不能是原频率的整数倍。

（2）钢轨擦伤引起的剥离层若厚度大，超声波在剥离层往复传播一次所用时间大于脉冲宽度，则能在荧光屏上显示多次反射波，如果剥离层的厚度很小，而脉冲宽度较大时，多次反射波会重叠在一起，形成宽而杂的回波。

（3）探头与保护膜之间的耦合层（Z1≠Z2≠Z3），要实现良好的透声性，就应注意耦合层材料的声阻抗和厚度的选择，一般Z2?Z1?Z3，厚度为1/4波长的奇数倍

透声性最好。如选择不恰当的耦合层或是在探头和保护膜之间加的凡士林过厚都会使探伤灵敏度下降。

3．超声波倾斜入射时的反射、折射和波型转换

当超声波倾斜入射到异质界面时，除产生反射、折射（透射）现象以外，还往往伴随着波型转换现象，即产生与入射波不同类型的反射波和折射波。这种现象只发生在斜入射且介质为固体（因为液、气体介质中只能传播纵波）的场合，并与界面两侧介质的状态有关。具体规律详见表1－6所示。

表1－6 超声波斜入射时的反射、折射和波型转换

波型 一 般 情 形 图 示 规律（表达式） 说明 1． 指不考虑有波型转换的入射情况。 2． α、γ、β－－波的入射角、反射角和折射角。 sin?sin?sin? ??C1C1C2 c1、c2－－超声波分别在两种介质中的传播速度。 3． 该表达式为超声波倾斜入射时的反射和折射定律，又称斯涅尔定律。 1． 以固－固界面分析，两种介质中都有波型转换，即经界面反射和折射后，不仅仍有纵波，还出现了横波。 2． CL1、CL2－－两介质中的纵波声速。 纵 波 入 射 sin?Lsin?Lsin?s??CL1CL1CS1?sin?Lsin?S?CL2CS2 CＳ1、CS2－－两介质中的横波声速。 γＬ、γＳ－－纵、横波反射角。 βＬ、βS－－纵、横波折射角。 αＬ－－纵波入射角。 3.. 若CL2 > CL1 ，则βＬ=90°时对应的纵波入射角称 - 24 -

为第一临界角，用αⅠ表示。若CS2 > CL1 ，则βS = 90°时对应的纵波入射角称为第二临界角，用αⅡ表示。 1. 以固－固界面分析，两种介质中都有波型转换，横 波 入 射 sin?Ssin?Lsin?S??CS1CL1CS1?sin?Lsin?S?CL2CS2即经界面反射和折射后，不仅仍有横波，而且 出现了纵波。 2. αS －－ 横波入射角。 3. .当γＬ= 90°时，对应的横波入射角称为第三临界角，用αⅢ 表示。 （1）临界角的特点 由表1－6通过计算可知： αⅠ＝arcsin

CCL1C；αⅡ＝arcsin L1；α Ⅲ = arcsin S1 。

CL1CL2CS2若第一介质中的纵波入射角αL＜αⅠ，则第二介质中既存在折射横波，又存在折射纵波。若αL=αⅠ～αⅡ，则第二介质中只存在折射横波，不存在折射纵波。这就是常用横波探头的设计原理和依据。若αL＞αⅡ，则第二介质中既无折射纵波，也无折射横波，但这时在第二介质表面形成表面波。这就是常用表面波探头的设计原理和依据。只有当第一介质为固体时，才会有第三临界角。

（2）纵波入射有机玻璃与钢界面

纵波从有机玻璃斜入射击至钢中的折射率和入射角关系见图1－14。由图可见，入射角小于28o时，钢中有折射纵波和折射横波；当入射角28o~ 62o时，钢中只有折射横波。

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图1－14 有机玻璃与钢的折射率和入射角之间关系

纵波从有机玻璃斜入射击至钢中的往复透过率见图1－15。由图可见，当入射角αL为30o~55 o（折射角βS为35o~75 o）时，折射横波声压往复透过率较大，最大为30%，在一定条件下入射角为30 o探头比50 o探头的往复透过率高。

图1－15 有机玻璃与钢界面往复透过率

（3）端角的反射

超声波在两个相互垂直平面构成的直角内反射称为端角反射（图1－16）。每次反射过程都遵循超声波的反射定律，与入射波波型相同的反射，以平行于入射方向返回，反射率的大小与入射角和入射波型有关。

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图1－16 端角反射示意图

纵波入射时，除入射角很小（0o附近）或入射角很大（90o附近）的情况外，纵波在很大范围内声压反射率均很低（见图1－17），当纵波入射角为15o~75 o间，不超过20%，这是由于纵波在端角平面上两次反射，分离出很强横波，这类横波不能沿与入射方向平行途径返回，使纵波的端角反射率很低。横波入射时，入射角在20o~34o或56o~70o范围内声压反射率为最低，当横波入射角为35o~55o间，端角反射率达100%，其原因是横波入射角均超过第三临界角。钢轨探伤中37o探头检测轨底横向裂纹就是利端角反射特性来实现。

图1－17 端角反射率

（4）工件侧壁平面的反射

对截面宽度或直径d与探头晶片尺寸可比的长直工件进行轴向纵波探测时，探头

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扩散声束中的一部分边缘声束等于以很大的纵波入射角αL斜入射工件侧壁平面，并产生纵波和变型横波S1（见图1－18），其中S1横波穿越工件成为另一侧壁平面上的入射横波，其中一部分经波型转换后成为变型纵波L2和横波S2，L2经底面反射后被探头接收。若工件足够长，则变型横波可能在工件厚度方向上作多次横穿，它们的波型转换情况与第一次横穿时类同。因为横波声速比纵波声速慢，这样经变型横波转换后探头接收到的回波显然滞后于单纯纵波传播至底返面的回波，滞后时间与变型横波横穿工件厚度的次数成正比。这些比正常纵波底面回波滞后的变型波称为迟到回波，其滞后声程△S可用下式计算：

△S=nd(CL)2?1

2CS式中：d－－工件厚度（或直径）；

n－－变型横波横穿工件次数。

图1－18 工件侧壁引起的干扰现象

钢中迟到回波的滞后声程为：△S=0.76nd；铝中迟到回波的滞后声程为：△S=0.88nd。位于工件侧壁附近的小缺陷，用与侧壁平行的声束很难检测，这是因为

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存在着工件侧壁干扰现象的缘故。这一干扰现象往往由经侧壁反射后的纵波（或横波）与不经反射的直射纵波之间的干涉引起的，其结果是干扰了直射声波的返回声压，使探测灵敏度下降。

在脉冲反射式探伤中，一般脉冲持续时间 所对应的声程不大于4λ，故只要侧壁反射声束路程大于直射纵波声束路程4λ，侧壁干扰即可避免。因此，干扰条件应满足：

2W－h=4λ

式中：W－－声束入射点到侧壁反射点距离；

H－－入射点至被探测缺陷的距离； λ－－波长。 （5）61°反射

当探头置于如图1－19所示的直角三角形工件上时，若纵波入射角?与横波反射角?的关系为：?+?=90°，则会在示波屏上出现位置特定的反射波。

图1－19 61°反射

由?＝90°－?得：sin?=cos? 由反射定律得：

Csin?sin???tan??L sin?cos?CS

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对于钢：tan??CL5900反射。 ??1.82即。??61?，所以这种反射称为61°

CS3230 61°反射的声程为：

x61?a?bCL?a?btan??BE?EC?BC CS当探头在AB边上移动时，反射波的位置不变，其声程恒等于直角三角形61°角所对的直角边长BC，

实际检测中，当探头置于如图6－12所示的11W试块上A处或类似结构的工件上时，同样会产生61°反射。

这时61°反射的声程为：

xA?d1?Rcom61?? ?d1?1.82d2?2R

CL?d2?Rsin61?? CS当探头向左平行移动到B、 C处时，还会出现两种反射回波。 B处是纵波反射角与入射角均等于45°，其声程为 XB＝d1－Rcos 45°＋d2－Rsin45° ＝d1＋d2－2Rsin45° ＝d1＋d2－1.414R C处是纵波垂直入射并反射，其声程为 Xc = d1－R

对于IIW块，d1=70mm，d2=35mm，R=25mm，探头位于A、 B、 C三处的回波声程分别为：

XA＝70＋1.82×35－2×25＝83.7 mm XB＝70＋35－1.414×25＝69.6 mm

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XC=70－25=45 mm

对于结构比较复杂的工件，如焊接结构的汽轮机大轴，为了有效的检测焊缝根部缺陷，特加工61°的斜面，利用61°反射来检测，从而获得较高的检测灵敏度。

（6）圆柱内的反射

由于圆柱形工件有一定曲率，直探头与工件直接接触时，接触面为一很窄的条形区域，从而在圆柱的横截面内产生强烈的声束扩散。圆柱曲率半径越小，扩散越大。当扩散声束与探头声轴线夹角（指向角）为30o时，扩散纵波声束经圆柱面反射两次后再返回探头接收，形成等边三角形的声束路径（见图1－20），这种三角形反射回波所经过的声程（WL）为：

3WL=d?COS30o=1.3d

2即这种等边三角形反射声度比声束轴线附近直射声束所得底面回波声程d滞后了0.3d。如果纵波扩散声束在圆柱面上发生波形转换，且一次反射横波S1再经另一侧圆柱面波形转换成二次反射纵波L2，返回探头接收，形成不等边（有变型横波）的三角形迟到回波，此时，这种三角形反射回波声程为：

WLS=d?COS?L?dCL??Sin2?L 2CS式中：?L－纵波半扩散角。对于钢工件，?L=35.6o，?S=18.8o时会产生这种三角形迟到回波，此时，其声程为WLS=1.67d。

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纵波等边三角形回波及其波形 横波的三角形回波及其波形

图1－20 圆柱体中的三角形回波

（7）曲面上的反射和透射

①平面波入射至弯曲界面上的反射回波

图（1－21）分别表示了平面入射于凹曲面和凸曲面上的两种情况，运用几何声学作图原理可以得到它们反射后将会聚于一个焦点上，焦距f=

r。式中r－凹曲面或2凸曲面的曲率半径。由图可知，对凹曲面来说，这个焦点是真实的，对凸曲面来说，则在其后面出现虚焦点，反射声波成像是从虚焦点辐射出来的。

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图1－21平面波入射至凹、凸曲面时的反射

上述分析对球面和圆柱曲面均适用，球面具有焦点，柱面具有焦轴。平面波入射于球面上产生球面反射波，在柱面上则产生柱面反射波。

②球面波入射至弯曲界面上的反射回波

图（1－22）分别表示了球面波入射于凹曲面和凸曲面上的两种情况，同理可用几何作图得到它们反射后的会聚和发散。

图1－22球面波入射至凹、凸曲面时的反射

凹曲面反射波的交点叫做实像点，凸曲面反射波在曲面背后延长线的交点叫做虚像点，b－像距，a－物距，f－焦距，r－曲率半径。它们之间的关系为：

1112?== bafr式中：正号适用于凹曲面，负号适用于凸曲面，焦距恒为正值。 ③平面波入射至曲面透镜后透射波的聚焦和发散

平面波入射至凹曲面透镜或凸曲面透镜时，它们的透射波是会聚焦还是发散，主要取决于曲面两边介质的声速，图（1－23）为平面波入射至曲面透镜时的几种情况。

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图1－23平面波入射至曲面透镜时的几种反射

（七）超声波的衰减

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。

1．衰减的原因

引起超声波衰减的原因很多，主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。但探伤中所谓的衰减仅指由介质对声波的衰减，即吸收衰减和散射衰减。具体见表1－7所示。

表1－7 衰减原因分析

衰减原因 概 念 由波束的扩散引起。即随着传播距离的增扩散衰减 加，波束截面增大，使单位面积上的能量减少。 决 定 因 素 １、 波阵面的几何形状，即波形。如平面波不存在扩散衰减，而柱面波和球面波则存在。 ２、 传播距离。距离增大，则衰减大。 必须指出，扩散衰减与传播介质无关。 １、 材料内部组织。如铸件中的铁素体和石墨颗粒、材质晶粒粗大等都可成为散射源。 ２、 入射波波长。若晶粒或缺陷的尺寸与波长相当，则散射特别严重。 ３、 异质界面的不平度。表面若不光洁，则散射较大。 由散射引起的衰减。所谓散射是指波传播散射衰减 时遇到声阻抗不同的异质界面（如粗大晶粒的界面）从而产生反射、折射和波型转换的现象。 - 34 -

介质质点振动时因克服相互间内摩擦（即吸收衰减 粘滞性）造成声能损耗而引起的衰减。这部分损耗被转换成热能向周围传播。 对于固体介质，吸收衰减相对于散射衰减可忽略不计，但对液体介质来说，吸收衰减则是主要的。 2．衰减的表示方法

表示材质衰减的方法有相对比较法和绝对法两种。相对比较法通常是在仪器灵敏度相同的情况下，对同厚度不同材料的试件测试底面回波高度，或底面回波次数，或透过波高度。底面回波高，回波次数多或透过波高，则表示材料衰减小。这种方法只能概略地比较在不同材料中超声波的衰减情况，不能定量的表示出衰减的大小。绝对法则通过测出材料的衰减系数α值来反映超声波在不同介质中的衰减程度。测定衰减系数时要求工件厚度d大于两倍近场长度，具体测定方法有多种，下面以多次脉冲反射法为例介绍。

（1）当工件厚度2N＜d≤200mm时，可用多次脉冲反射回波高度的比较来测定α，即：

???m?n?? （dB/mm）

2(n?m)d式中：m、n－－底波反射次数（n＞m）；

α－－材料的单位衰减系数；

Δm－n－－示波屏上第m、n次底波波高Bm、Bn的分贝差，?m?n?20lgBm；

Bnd－－工件厚度；

??20lgnm。

δ－－表面反射损失，

（2）工件厚度d＞200mm时，采用多次反射可能超出仪器的测定范围，所以可用底面的第一次和第二次回波的分贝差来计算衰减系数，即：

20lgB12B?20lg20lg1?6B21B2?（dB/mm）

2(2?1)d2d- 35 -

??

二、超声波探伤方法

超声波探伤方法可从多个角度来对其进行分类

1．按原理分类 共振法、穿透法、脉冲反射法、衍射时差法（TOFD）。 2．按显示方式分类 A型显示和超声成像显示（可细分为B、C、 D、S、P型显示等）。

3．按波型分类 纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。 4．按探头数目分类 单探头法、双探头法、多探头法。

5．按探头与工件的接触方式分类 接触法、液浸法、电磁耦合法。 6．按人工干预的程度分类 手工检测、自动检测。

每一个具体的超声检测方法都是上述不同分类方式的一种组合，如最常用的单探头横波脉冲反射接触法（A型显示）。每一种检测方法都有其特点和局限性，针对每个检测对象所采用的不同的检测方法，是根据检测目的及被检工件的形状、尺寸、材质等特征来进行选择的。

以下简述超声波探伤按原理分类情况 （一）共振法

若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当被检工件的厚度（δ）为声波半波长（λ/2）的整数倍，由于入射波和反射波的相位相同，在试件内可形成驻波，试件产生共振。如图1－24所示。



图1－24（1T12） 共振法测厚示意图

仪器可显示出共振频率，用相邻两个共振频率之差计算出工件厚度，则：

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??C

2(fn?fn?1)式中：δ——试件的厚度；

C——被检试件的声速； ｆｎ——第 n 点的共振频率。

像这种应用共振现象来检验工件的方法称为共振法。共振法所用设备简单，测量精确，常用于壁厚测量。此外，还可用来测量复合材料的胶合质量、板材点焊质量、均匀腐蚀量和板材内部夹层等缺陷。

（二）穿透法

它是最早采用的超声波探伤法，也叫透射法。其基本原理是：先将两个探头分别置于被测工件的两个相对面，一个探头发射超声波，超声波即透射过被测工件而被另一面的探头所接受，若被测件内有缺陷存在，由于缺陷可引起超声波的衰减，因此透射过的超声波的能量减少。根据能量减少的程度可判断缺陷的大小。穿透法分为连续穿透法和脉冲穿透法两种。脉冲穿透法如图1－25所示。其优点是：不存在探测盲区，判定缺陷方法简单，适用于连续的自动化探测较薄的工件。缺点是：探伤灵敏度低，分辨率差，不能确定缺陷的深度位置，一般需要专用的探头夹持装置。

图1－25（1T13图修改） 脉冲穿透法

（三）脉冲反射法

超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，当遇到缺陷和底面就会产生反射，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法称为脉冲反射法。它是目前应用最广泛

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的一种超声波探伤法。探伤结果一般用A型显示。脉冲反射法可分为垂直探伤法和斜角探伤法两种。

1．垂直探伤法

垂直探伤时，探头垂直地或以小于第一临界角的入射角度耦合到被测件上，在被测件内部只产生纵波。垂直探伤法在板材、锻件、铸件、复合材料等探伤中广泛应用。它又分一次脉冲反射法和多次脉冲反射法。

（1） 一次脉冲反射法。如图1－26所示，当被测件无缺陷时，示波屏上只有始波（T）和底波（B）， 当被测件中有小缺陷时，示波屏上除始波和底波外，还有缺陷波（F），当被测件中的缺陷大于声束直径时，示波屏幕上只有始波和缺陷波，底波消失。

图1－26（1T14图修改） 一次脉冲反射法

（2）多次脉冲反射法。如图1－27所示，该法是以多次底面脉冲反射信号为依据进行探伤的一种方法。探伤时，示波屏上出现波高逐次递减的多次底波。这种探伤方法可用于检测吸收性缺陷（如疏松等）。声波穿过这些缺陷不引起反射，但声波衰减很大，声波经几次底面反射并多次穿过缺陷，使声能逐渐耗尽，因而底波逐渐消失。

图1－27（1T15图修改） 多次脉冲反射法

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2．斜角探伤法

在脉冲反射探伤法中，用不同角度的斜探头在被测件中可产生横波、表面波和兰姆波的探伤法称为斜角探伤法。该方法的突出优点是可对直探头探测不到的缺陷进行探伤；可用改变入射角的方法发现不同方位的缺陷；用表面波可测得形状复杂的缺陷；兰姆波可对薄板进行探伤等。如图1－28 所示为横波探伤法， 前述已提及，探头晶片入射时，若入射角大于第一临界角而小于第二临界角，则被测件中只有折射横波传播。横波斜角探伤法特别适合对焊缝中缺陷的探伤。

图1－28（1T16图修改） 横波斜角探伤法

（四）衍射时差法

衍射时差法（Time Of Flight Diffraction，简称TOFD），是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式。该方法最早于20世纪70年代由英国原子能管理局国家无损检测研究中心的哈威尔实验的M·G·Silk根据超声波衍射现象首先提出来的。缺陷处的衍射现象如图1－29所示。

图1－29 衍射现象

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TOFD方法一般将探头对称分布于焊缝两侧。在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，因为声速小于纵波，因而一般会迟于底面反射波到达接收探头。工件中超声波传播路径如图1－30所示，缺陷处A扫描信号如图1－31所示。

TOFD检测显示包括A扫描信号和TOFD图像，其中A扫描信号使用射频波形式。而TOFD图像则是将每个A扫描信号显示成一维图像线条，位置对应声程，以灰度表示信号幅度，将扫查过程中采集到的连续的A扫描信号形成的图像线条沿探头的运动方向拼接成二维视图，一个轴代表探头移动距离，另一个轴代表扫查面至底面的深度，这样就形成TOFD图像。

图1－32所示为含埋藏缺陷的平板对接焊接接头的TOFD检测显示示意图，图中右下方为TOFD图像，右上方为从TOFD图像中缺陷部位提取的一个A扫描信号，其中包括直通波、上端点衍射波、下端点衍射波和底面反射波。

图1－33所示为X形坡口根部连续夹渣的平板对接接头的TOFD检侧显示图像。 在平板工件中，为了计算缺陷的深度与高度，可以假定探头中心间距为2S，缺陷深度为d1，缺陷距焊缝中心线的偏移量为x，如图1－34所示。

根据几何关系，有：

M?L?C?T?2to??d12??S?x??21/2??d12??S?x??21/2?

式中 C－声速；

T－超声波传播的总时间；

t0－超声波在探头楔块中传播的时间。

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假定缺陷位于焊缝中心线上，此时x=0，所得d1值最小：

图1－30 不同曲面工件中超声波传播路径 a）平板工件 b ）凸面工件 c）凹面工件

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图1－31 缺陷处A扫描信号

图1－32 TOFD检测显示示意图（含埋藏缺陷）

图1－33 TOFD检测显示图像（X形坡口根部连续夹渣）

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图1－34 缺陷深度计算图

d1?c2?T?2to??S2 42若以直通波为参考起点，假定xd1??0，则缺陷深度为：

122tc?4tcS2??1/2

式中t －缺陷上端点的衍射波与直通波间的传播时间差；

c－声速；

2S－探头中心间距。

缺陷下端点与扫查面间的距离以d2表示，同理可计算出缺陷下端点的深度度d2。 则缺陷的自身高度为：

h?d2?d1

TOFD的扫查方式一般分为非平行扫查、平行扫查和偏置非平行扫查三种。三种扫查方式示意图分别知图1－35、图1－36和图1－37所示。非平行扫查指探头运动方向与声束方向垂直的扫查方式，一般指探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向的扫查方式，可作为初始的扫查方式，用于缺陷的快速检测和缺陷长度测定，可大致测定缺陷高度，但无法确定缺陷距焊缝中心线的偏移量。偏置非平行扫查指偏移焊缝中心线一定距离的非平行扫查，该扫查方式可增大检测范围，提高缺陷高度测量的精度，改进缺陷定位并有助于降低表面盲区高度。平行扫查指探头运动方向与声束方向平行的扫查方式，对已发现的缺陷进行平行扫查，可改进缺陷定位和缺陷高度测

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定的准确性，并为缺陷定性提供更多信息。

与脉冲反射法超声检测和射线检测相比，TOFD的主要优点在于：（1）缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关，缺陷检出率高；（2）超声波束覆盖区域大；（3）缺陷高度测量精确；（4）实时成像，快速分析；（5）缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度；（6）快速、安全、方便。

图1－35 非平行扫查 图1－36 平行扫查

图1－37 偏置非平行扫查

但TOFD也存在其局限性，主要有：（1）由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的宽度，处于此范围的缺陷波难以被发现，因此在扫查面和底面存在几毫米的表面盲区；（2） TOFD信号较弱，易受噪声影响；（3）倾向于“过分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等；（4） TOFD数据分析对检测人员要求高。

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（五）电磁耦合法

采用电磁超声探头激发和接收超声波的检测方法，通常称为电磁超声检测（EMAT）。探头与工件之间既无耦合剂，也不相互接触。

1．电磁超声产生的机理

铁磁性物质具有类似结晶体的结构，在铁的正离子中央有被电子云包围的铁的负离子。其相邻的原子之间由于电子自旋而产生元磁矩，在元磁矩之间有相互作用力，它驱使相邻的元磁矩平行排列在同一方向上，形成磁畴，磁畴间的相互作用很小。铁磁性材料的磁化现象可从微观和宏观两个方面来分析。微观磁化强度由上述相互作用理论所给出的自发磁化强度的数值决定，亦即磁畴的磁化强度；而宏观磁化强度则是所有磁畴的微观磁化强度之和（矢量和），它可以是从零到微观磁化强度的饱和值。在工程技术中，主要是利用铁磁性材料的宏观磁化强度，即在没有外磁场作用时，各个磁畴互相均衡，材料总的磁化强度等于零；当有外磁场作用时，这一平衡受到破坏，磁畴的磁化强度矢量都转向外磁场方向与外磁场平行，材料即呈现磁饱和现象。在磁化过程中各磁畴之间的界限发生移动，因而产生机械变形，这种现象称为磁致伸缩效应。反之，在外力作用下，引起铁磁性材料内部发生应变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，从而使磁畴磁化强度矢量转动，因而铁磁性材抖的磁化强度也发生相应的变化，这种由于应力使铁磁性材料磁化强度变化的现象，称为逆磁致伸缩效应。

可见，在一般铁磁性材料中，同时存在磁致仲缩与逆磁致仲缩现象。此外，由于电磁感应的存在，材料形变而产生的磁场，必然会在材料中感应一个电场，所以可以预抖，在铁磁性材料中的任何机械振动都会伴随着产生一个电磁振动，这两种振动产生的波相互耦合在一起，就会形成电磁超声。

2．电磁超声激发和接收

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电磁超声能用于铁磁材料的检测，必须既能方便地在材料中激发电磁超声，又方便地接收。

例如，对于电磁超声测厚，可采用如下方法：采取永磁体在钢板表面建立一垂直于钢板表面的磁场B，B值可达5 000 Gs以上。在永磁体与钢板之间布置线圈，线圈匝数为50－100，线圈平面垂直于磁场，如图1－38所示。

某一时刻在线圈中加一高压窄脉冲，脉冲波形如图1－39所示，共电压幅度U为500~1000V，脉宽△t为0.1?s左右。强大的脉冲电压在线圈中产生一定的脉冲电流，并在周围产生很强的电磁场。辐射到钢板表面的电磁场，会在钢板表面产生垂直于由永磁体产生的恒磁场B的涡旋电流I。磁场B、涡旋电流I及钢板三者之间的关系如图1－40所示。

图1－38 电磁超声模型 图1－39 脉冲信号图

根据电磁学知识，此涡旋电流I必然受到磁场B的作用而产生作用力F，作用力F的方向平行于钢板表面，指向涡流中心，如图1－41所示。这一作用力持续时间非常短暂，大约等于脉冲电压的脉宽，作用力引起的电磁振动向钢板内传播，方向如图1－41所示。从图中可以看出，作用力F与传播方向相互垂直，此电磁振动是横波。此波到达底面后，有部分透出钢底面，但大部分被反射回来到达钢表面，这部分波称为回波，回波所携带的磁场被线圈接收到。由于电磁超声在钢表面的透射比较弱，钢板中的电磁声可以多次在钢板内来回反射。因此线圈中接收的回波信号将是一系列脉冲串，若采用1 000倍的脉冲放大器对回波信号进行放大，10 mm厚钢板的回波信号

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如图1－42a所示；S1为一次回波，S2为二次回波，Sn为n次回波，Sn与Sn+1之间的时间差th（单位：s），可反映钢板的厚度。图1－42b所示是回波信号经电压比较器后，获得的对应脉冲序列信号。

图1－40 磁场与涡流的关系 图1－41 钢板内F与B的关系

图1－42 回波信号图

3．电磁超声的特点和现状

常规的超声检测和测厚给无损检测工作者带来最大的不便就是需对检测对象的表面进行处理，使其达到一定的表面粗糙度。电磁超声检测与常规方法相比无需机械和液体耦合，进行锅炉、压力容器和压力管道检测时对沾染或结渣轻微的表面无须进行处理，大大减少了辅助性工作量；由于电磁超声探头与工件有一定的距离，因此还可能应用于高温在线检测；同时电磁超声检测速度快，适用于连续生产线的自动检则。综合而言，电磁超声技术具有广阔的发展空间。

目前，电磁超声可以像传统的压电晶片换能器一样，在铁磁性金属件中产生纵波、横波、料声束以及聚焦声束，可同常规的超声检测一样来检查工作中的缺陷。美国材

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料与试验协会为美国电力研究所研制的电磁超声测厚装置可测厚达1mm，准确度为0.05mm；我国的电磁超声检测技术也发展很快，EMAT装置已在钢管自动化检测、钢板自动化检测中进入实用化阶段。但是，电磁超声的缺陷检出能力和信噪比与常规的压电晶片换能器超声检测相比，还有待于进一步研究和提高。

三、超声波远场规则反射体的反射规律 （一）各种规则反射体的反射及其反射声压

如前所述，在远场区中，声束轴线上的声压变化随距离的增加呈单调下降，远场中的入射声压Ｐ基本可按球面波的声压变化规律计算：

?D2AP?P0?P0

4?x?x式中：D－－晶片直径；

A－－晶片面积，如果方晶片，可直接用面积代入，从而简化了运算。 1．大平面（底面）的反射（图1－43所示）

远场中的大平底B，离声源距离为XB，则大平底上的入射声压为：

?D2 P?P04?XB式中：XB－－声程；

λ－－波长。

若把大平底看作镜面反射，则反射到晶片的声压PB，相当于传播2XB声程，则为入射声压的一半，则大平底上的反射声压PB为：

1XD21PB?P??P0?

24?XB2 - 48 -

图1－43 大平底面的反射

2．圆形（平底孔底面）或方形平面的反射（图1－44）

离探头晶片距离X处，有一直径Φ的平底孔（Φ< D）则入射声压为：

?D2 P?4?X?把平底孔看作为一个直径（Φ）为的新声源，则入射声压Ｐ就是新声源的起始声压，所以晶片上接受到的平底孔声压PΦ为：

?D2??2A?A P??P0??P02?24?X?4?X??X?式中：A－－晶片面积；

AΦ－－平底孔面积，对于方形或其它平面，只要按其面积代入。

图1－44 平底孔底面的反射

3．圆柱面的反射

若圆柱体直径为φ，长度为Ｌ，晶片至反射体距离为Xφ，当φ/λ≥2时，则有两种情况：

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（1）长横孔（图1－45所示）

当圆柱体φ的长度大于声束直径时，其入射声压Ｐ为：

?D2P?

4?X?反射声压Pφ为：

?D21?P? ??P04?X?22X?式中：φ－－长横孔直径。

长横孔的反射波具有柱面波的性质，因此其反射声压的后一部分与孔径平方根成正比，与声程平方根成反比。

图1－45 长横孔侧面的反射

（2）短横孔（图1－46所示）

当圆柱体?短的长度Ｌ小于声束直径时，反射声压??短为：

P?短?短?D2L?P0?

4?X?短2X?短?式中：φ短－－短横孔直径。

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