【正文】 超聲波測厚儀從工作原理上可分為 脈沖反射式 和共振式，前者應用較多。 一般為 20～ 200 kHz， 也有用 2～ 5 MHz 的 。 一般而言 ， 根據(jù)板厚 、 焊縫重要程度等確定不同的檢驗等級 。 發(fā)現(xiàn)缺陷后 ， 即可采用三角法對其進行定位計算 。 焊縫形式有對接 、 搭接 、 T型接 、 角接等 。 如采用穿透法，兩個探頭分別放在復合材料的兩側(cè)，面對面一發(fā)一收，粘合良好時，接受的超聲能量大，否則聲能小。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 （四）復合材料檢測 復合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同的材料軋制或粘合在一起制成的。 鑄件檢測常采用的超聲檢測方法有直接接觸法、 液浸法、 反射法和底波衰減法。與鍛件相比，對超聲波的衰減大，穿透性較差。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 鍛件超聲檢測的特點 鍛件可采用 接觸法 或 液浸法 進行檢測 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 鍛件缺陷的定量 對小聲束直徑的缺陷，常使用 當量法 。鋼熱加工過程中，鋼中含有氫氣的氣孔會沿加工方向被拉長形成微裂紋，進而引起鋼材的強度、塑性、沖擊韌性的降低，即發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象。軸類鍛件以圓周檢測為主 ， 必要時輔以兩端面的檢測；方形鍛件 ， 應在相互垂直的兩個端面上檢測 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 一 、 （ 一 ） 鍛件的種類和規(guī)格很多 ， 常見的類型有：餅盤件 、 環(huán)形件 、 軸類件和筒形件等 。 聲阻抗盡量和被探測材料的聲阻抗相近 。 探頭晶片尺寸對檢測的影響主要是通過其對聲場特性的影響體現(xiàn)出來的 。 頻率的選擇可以這樣考慮：對于小缺陷 、 近表面缺陷或薄件的檢測 ， 可以選擇較高頻率；對于大厚度試件 、 高衰減材料 ， 應選擇較低頻率 。 （ 5） 室外現(xiàn)場檢測時 ， 應選擇重量輕 ， 熒光屏亮度好 ， 抗干擾能力強的便攜式超聲波檢測儀 。 對于給定的任務 ， 在選擇超聲波檢測儀時 ，主要考慮的是該任務的特殊要求 ， （ 1） 所需采用的超聲頻率特別高或特別低時 ， 應注意頻帶寬度 。 ④ 掃查 。 但各種超聲檢測技術(shù)又都存在著通用的技術(shù)問題 。 液浸法的缺點是當耦合層較厚時 ， 聲能損失較大 。 （ 3）脈沖反射法的缺點： ① 單探頭檢測，易出現(xiàn)盲區(qū)； ② 由于探頭的近場效應，不適用于薄壁件和近表面缺陷的檢測； ③ 缺陷波的大小與被檢缺陷的取向關(guān)系密切，易漏檢； ④ 因聲波往返傳播，故不適用于衰減大的材料。 采用一個探頭兼做發(fā)射和接收器件 ， 接收信號在探傷儀的熒光屏上顯示 ， 并根據(jù)缺陷及底面反射波的有無 、大小及其在時基軸上的位置來判斷缺陷的有無 、 大小及方位 。 直射聲束穿透法 (a) 無缺陷； (b) 有缺陷 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 透射法檢測的優(yōu)點： ① 在試件中聲波單向傳播，適合檢測高衰減的材料； ② 對發(fā)射和接收探頭的相對位置要求嚴格，須專門的探頭支架。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 應用共振現(xiàn)象對試件進行檢測的方法叫共振法。 在液浸法檢測中 ， 通過液體實現(xiàn)耦合 ， 此時液體也是耦合劑 。 耦合劑就是為了改善探頭和試件間聲能的傳遞而加在探頭和檢測面之間的液體薄層 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 第一章 超聲波檢測 標準試塊 (校準試塊 ): 用以測試探傷儀的性能 、調(diào)整檢測靈敏度和聲速的測定范圍 。 有些形狀可在試樣上人工制作，從而可作為人工模擬反射體， 用于儀器的調(diào)整和缺陷的評價。 這種按一定的用途設計制作的具有簡單形狀人工反射體的試件即稱為 試塊 。 而當探頭直徑小于 5mm時 ， 檢測靈敏度顯著下降 ， 不宜采用 。 其中最常用的是接觸式縱波直探頭 、 接觸式橫波斜探頭 、 雙晶探頭 、 水浸探頭與聚焦探頭等 。 探頭是組成檢測系統(tǒng)的最重要的組件 ， 其性能的好壞直接影響超聲檢測的效果 。 以上分類中 ， 模擬式和數(shù)字式 A型脈沖反射式超聲波檢測儀在工程實際中應用最為廣泛 ， 其型號有 CTS2 CTS2 JTS CST3等 。 C型顯示原理圖 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 （ 3） 按超聲波的通道分類：可分為單通道和多通道檢測儀 。 該方式可以 直觀地顯示出被探工件任一縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息 。 可以認為該方式顯示的是沿探頭發(fā)射聲束方向上一條線上的不同點的回波信息 。 (1) 超聲波檢測儀的作用 。 由這些設備組成一個綜合的超聲檢測系統(tǒng) ， 系統(tǒng)的總體性能不僅受到各個分設備的影響 ， 還在很大程度上取決于它們之間的配合 。 盡管實際聲場與簡化分析結(jié)果有所差異 ， 但在遠場區(qū)是基本符合的 。 按幾何關(guān)系 ， 可得到非擴散區(qū)的長度 b為 Nb ? 第一章 超聲波檢測 圓盤聲源非擴散區(qū)示意圖 第 6章 常用無損檢測方法 實際聲源的聲場 簡化計算時假定聲源是均勻 、 連續(xù)激發(fā)的 ， 而實際探頭多是非均勻激發(fā)的脈沖波源；簡化計算時假定介質(zhì)是液體介質(zhì) ， 實際檢測對象多為固體介質(zhì) 。 聲源的直徑越大 ， 波長越短 ， 則聲束指向角越小 ， 指向性越好 。 第一章 超聲波檢測 圓盤聲源聲場指向性示意圖 第 6章 常用無損檢測方法 設 a為圓形聲源的半徑 ， x為空間任一點 M到聲源中心的距離 ， θ為 M點與聲源中心的連線與聲源軸線的夾角 。時的聲壓振幅 pmax(0)之比，它表達了聲場中聲壓 p的振幅與方向角 θ之間的變化關(guān)系，以 Dc表示： 第一章 超聲波檢測 J1—— 第一類一階貝塞爾函數(shù)： 第一類貝塞爾函數(shù)，記作 Jn（ x），用 x的偶次冪的無窮和來定義，數(shù) n稱為貝塞爾函數(shù)的階，它依賴于函數(shù)所要解決的問題。 在聲場中， xN的區(qū)域為聲源的 遠場區(qū) 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 二、近場區(qū)、遠場區(qū)和超聲波的指向性 由軸線上聲壓公式，經(jīng)數(shù)學推導，可以得到最后一個聲壓極大值點距聲源距離的表達式： 當 Dλ時， λ/4可以忽略，從而得到近場長度的簡化計算公式如下，可用于實際工作中近場長度的估算： ?42DN ?442 ?? ??DN 第一章 超聲波檢測 圓盤聲源軸線上的聲壓分布 近場區(qū) 遠場區(qū) 圖中標有 “ P球 ” 的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線 ， 可以看出 ， 距離大于 3N 以后 ， 圓盤聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近 。 圓盤聲源遠場中任一點的聲壓推導 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 根據(jù)疊加原理 ， 圓盤聲源軸線上任何一點處的聲壓等于聲源上各點輻射的聲壓在該點的疊加 。 另一方面 ， 聲源上各點發(fā)出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調(diào)變化的 。如果壓力是一種高頻震動，則產(chǎn)生的就是高頻電流。 將晶片接于高頻電源時 ， 晶片兩面便以相同的相位產(chǎn)生拉伸或壓縮效應 ， 發(fā)射超聲波的晶片恰如活塞做往復運動一樣輻射出聲能 。 3 水浸聚焦探頭是根據(jù)平面波入射到 c1c2的凸曲面上時透射波將產(chǎn)生聚焦的原理設計制作的。如曲面為球面，則透射波陣面為球面，透射波好像是從焦點出發(fā)的球面波；曲面為柱面時，則透射波好像是從焦軸出發(fā)的柱面波。折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關(guān) ， 而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān) 。反射波波陣面為球面，凹球面的反射波好像從實焦點出發(fā)的球面波，凸球面的反射波好像從虛焦點出發(fā)的球面波。的聲線沿原方向返回 ， 稱為 聲軸 ；其余聲線的反射角則隨著距聲軸距離的增大而增大 。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 聲壓往復透射率 超聲波傾斜入射時，聲壓往復透射率等于兩次相反方向通過同一界面的聲壓透射率的乘積，即 toatoappppppT ?? 第一章 超聲波檢測 見圖 110。但在超聲檢測中，關(guān)心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。時的橫波入射角稱為第三臨界角 ， 用表示 αⅢ 。 或：第二介質(zhì)中既無折射縱波 ， 又無折射橫波 ， 介質(zhì)的表面將產(chǎn)生表面波 。 當入射波為縱波 ， 第二介質(zhì)為固體 ， 且 cS2cL1時 ， 使橫波折射角達到 90176。 當入射波為縱波 ， 且 cL2cL1時 ， 折射角大于入射角 ， 使縱波折射角達到 90176。 折射角與入射角之間的關(guān)系符合斯涅耳定律 。 當介質(zhì) 1為液體或氣體時，則入射波和反射波只能為縱波 。s Law(光的折射定律）：光入射到不同介質(zhì)的界面上會發(fā)生反射和折射。 稱為 反射角 。時，薄層愈薄，聲壓往當 4d 22 ??第 6章 常用無損檢測方法 二 、 超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射 當超聲波相對于界面入射點法線以一定的角度傾斜入射到兩種不同介質(zhì)的界面上時 ， 在界面上會產(chǎn)生 反射 、 折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象 。 在兩個界面上的反射和透射 d2 第 6章 常用無損檢測方法 （ 1） 當?shù)谝?、 三介質(zhì)為同一介質(zhì)時 )2(s)m1(m4111t)2(s)m1(m411)2(s)m1(m41r222222222222??????dindindin????透射率反射率由上兩式可知： 愈大。但在固液 、 固氣界面上 ， 橫波將發(fā)生全反射 ， 這是因為橫波不能在液體和氣體中傳播 。 R為反射波聲強 (Ir)和入射波聲強 (I0)之比； T為透射波聲強 (It)和入射波聲強 (I0)之比 。 單一界面 當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 一 、 超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時 ， 將一直向前傳播 ， 不改變方向 。 （ 2）散射衰減：散射是由于物質(zhì)的不均勻產(chǎn)生的，不均勻材料含有聲阻抗急劇變化的界面，在這兩種物質(zhì)的界面上，將產(chǎn)生聲波的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，必然導致聲能的降低。 引起衰減的原因主要有三個方面：一是聲束的擴散；二是由于材料中的晶?；蚱渌⑿☆w粒引起聲波的散射；三是介質(zhì)的吸收 。 板波的聲速與其他波型不同 ， 其相速度隨頻率變化而變化 ， 具有頻散特性 。 在給定的材料中 ， 頻率越高 ， 波長越短 。 第一章 超聲波檢測 相速度隨頻率變化而變化的現(xiàn)象被稱為 頻散 。 聲速又可分為 相速度和群速度 。脈沖反射式超聲診斷儀顯示的人體組織斷面聲像，實質(zhì)上是人體組織中聲阻抗差別的空間分布圖。實驗證明，氣體、液體與金屬之間的特性聲阻抗之比大約為 1:3000:8000。 第一章 超聲波檢測 1 15 N dB8 6d N P??第 6章 常用無損檢測方法 聲波在介質(zhì)中的傳播是由其聲學參量 （ 聲速 、 聲阻抗 、 聲衰減系數(shù)等 ） 決定的 ， 因此需要研究介質(zhì)的聲參量 。4060分貝屬于我們正常的交談聲音 。聲強級的單位為貝爾 BeL，即 IL=lg(I/ I0) 貝爾（ BeL） 在實際應用過程中，貝爾這個單位太大，常用分貝（ dB）作為聲強級的單位。以平面縱波在均勻的各向同性固體介質(zhì)中傳播時 ,有 2m2222112121 cVcpcAI m ???? ???由上式可知，超聲場中，聲強與角頻率平方成正比。 超聲場中某一點在某一瞬時所具有的壓強p1與沒有超聲波存在時同一點的靜態(tài)壓強 P0之差稱為該點的聲壓 ，用 p表示 ,單位為帕， Pa，即 )Pa(01 ppp ?? 第一章 超聲波檢測 第 6章 常用無損檢測方法 對于平面余弦波， 可以證明： ??????ApxtApm c]2)2(c o s [c???