【正文】 高而增加，當溫度高于該值時，聲速隨溫度升高而降低。固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的溫度、應力、均勻性有關(guān)，溫度增加，聲速降低；應力增加，聲速增加；鑄鐵中材質(zhì)的均勻性對聲速的影響較大。對于無限大固體介質(zhì)，縱波聲速為： （215） 對于無限大固體介質(zhì)，橫波聲速為： （216）對于無限大固體介質(zhì)，表面波聲速為： （217）上述各式中，E為介質(zhì)的楊式模量；為介質(zhì)的泊松比，為介質(zhì)的密度。超聲波在細棒中以膨脹波的形式傳播，稱為棒波。 板波的聲速板波的聲速具有頻散的特性，其相速可用雙曲線函數(shù)的形式表達，如下：對稱型板波： （219）非對稱型板波： （220）式中， 為板厚；為頻率；。超聲波衰減是很復雜的問題，傳播介質(zhì)的不同、傳播條件的不同、超聲波的波形不同，其衰減規(guī)律也不同。介質(zhì)質(zhì)點間的內(nèi)摩擦、熱傳導、材料中的位錯運動、磁疇運動等都是導致吸收衰減的原因。 散射衰減超聲波在介質(zhì)中傳播遇到障礙物，當障礙物的尺寸與超聲波的波長相當或更小時，便會產(chǎn)生散射衰減。產(chǎn)生散射衰減的因素主要有兩種情況。另一種是晶粒尺寸與超聲波波長相當?shù)亩嗑Р牧显斐缮⑸渌p。 擴散衰減隨著聲波傳播距離的增加 ，聲場的聲壓分布是不同的，聲波將會擴散，從而單位面積上超聲波能量和聲壓將會逐漸減少，這種隨著波陣面的擴散而引起的超聲波能量和聲壓的減少，稱為擴散衰減。對于平面波，由于其波陣面為平面，波束不擴散，因此不存在擴散衰減。除了上述三種主要的衰減之外，材質(zhì)的聲能衰減還有其他一些因素，如在強磁性材料中由于磁疇壁引起的衰減；電子的相互作用引起的衰減；應力與交變應力產(chǎn)生晶格錯位引起的衰減；殘余應力造成聲場紊亂而引起的衰減等。超聲波在氣體介質(zhì)中衰減最為嚴重，在液體介質(zhì)中次之，在固體介質(zhì)中衰減最小。另外，超聲波在金屬中傳播時，散射衰減與金屬的晶粒尺寸有很大的關(guān)系，晶粒尺寸越大，其散射作用越強，進而使衰減也更加厲害。在實際應用中，應盡量不要使超聲波在氣體介質(zhì)中傳播。另外，降低檢測頻率以減少吸收也可以抑制吸收衰減。因此，無論是提高探傷儀的反射電壓，還是增加增益，“林狀回波”也要同時增強，故得不到有效的缺陷波信號。但是降低頻率卻要影響檢測靈敏度。 衰減系數(shù)的測定 薄件衰減系數(shù)的測定薄工件只存在介質(zhì)衰減，只要多次比較反射回波高度，就可測定其衰減系數(shù)： （222）式中，、為超聲波的底面反射次數(shù)；、為和次底面反射波的高度；為試塊的厚度。第三章 超聲探傷儀、探頭、耦合劑、試塊 超聲探傷儀超聲波探傷儀是超聲波檢測中的關(guān)鍵主體設(shè)備，它的作用是產(chǎn)生電磁振蕩，然后加在探頭上，使其產(chǎn)生超聲波，同時將探頭接收的返回信號進行處理，通過脈沖波和圖像的形式顯示在顯示屏上，從而進一步分析檢測對象的缺陷情況。第一類儀器指示的是聲的穿透能量，常用于穿透法。影響缺陷的可檢性的因素很多，如缺陷相對于波束的取向、缺陷面積與波束面積之比、缺陷與探頭之間的距離等等，另外工件幾何形狀的微小變化就可以引起接收信號幅度的變化，因此這類儀器應用范圍不廣。第三類儀器指示的是反射聲波的幅值和運行時間，常用于脈沖反射法，是目前使用得最為廣泛的超聲波檢測方法。表31為常用脈沖反射式超聲波探傷儀的主要參數(shù)。橫坐標代表聲波的傳播時間（或者距離），縱坐標代表反射波的幅度，由反射波的位置可以計算缺陷的位置，由反射波的幅度可以估算缺陷的大小。B型顯示探傷儀：B型顯示是以圖像形式顯示在熒光屏上，主要顯示反射面在工件縱截面上的分布。C型顯示儀：C型顯示也是一種圖像顯示，主要顯示反射面在平面視圖上的分布。當探頭在試件表面按一定的形式（螺旋形、平行線）移動以對整個試件表面進行掃查后，探頭接收脈沖波的幅度以光點、亮度表示，因而探頭在工件表面上移動時，在屏上即可得到整個體積內(nèi)缺陷或界面的頂視圖。 探頭 探頭的定義及作用原理能將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲音頻振動形式能量的器件均可用來發(fā)射超聲波，當其具有可逆效應時又可用來接收超聲波，這類元件稱為超聲換能器。 探頭的分類探頭的種類有很多，由于探傷的目的不同、探傷的條件不同、被檢測工件的材質(zhì)和形狀不同，探頭種類各種各樣，根據(jù)不同的使用情況分為不同的類型。直探頭的入射波束與被檢工件表面垂直，而斜探頭的入射波束與被檢工件表面成一定的角度，即入射角。l 按照晶片數(shù)目分類：根據(jù)探頭制造過程中壓電片的數(shù)量可將探頭分為單晶探頭、雙晶探頭和多晶片探頭。直接接觸式探頭工作時在探頭和工件之間有一層薄薄的耦合劑。直射聲束（縱波）接觸型、斜射聲束（橫波）接觸型及雙晶接觸型探頭在宏觀缺陷檢測方面的典型應用見下表32。其中直探頭和斜探頭用得普遍，下面介紹一下最為常用的直探頭和斜探頭的特點及其工作原理。直探頭常用于鋼板、鍛件等上下兩表面平行的工件及其軸件的檢測，檢測鋼板的厚度范圍為20250mm。超聲波（縱波）垂直入射到工件的平界面上，超聲波從直探頭的發(fā)射點發(fā)射，然后進入軸件中垂直傳播，到達底面（由鋼與空氣組成的界面）時，大部分超聲波反射回來，被探頭所接收。圖31 直探頭(縱波)的應用 斜探頭利用探頭內(nèi)的透聲楔塊使聲束傾斜于工件表面，然后射入到工件內(nèi)部的探頭稱為斜探頭。它可在工件中產(chǎn)生橫波、縱波和表面波，還可以在薄板中產(chǎn)生板波。斜探頭常常用來檢測焊縫，由于焊縫余高凸凹不平，且高出鋼板水平面，因此通常選用斜探頭(橫波) 檢測。圖32 斜探頭(橫波)的應用在上圖中 L1—一次波聲程；；L2—二次波聲程；；P1——次波跨距；；P2—二次波跨距；；—板厚。在焊縫檢測時，一次波聲程[如圖33(a)所示]常用于厚板焊縫檢測，但是不易發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)上部的缺陷；二次波聲程[如圖33(b)所示]常用于中厚板、薄板的焊縫檢測。當探頭與被檢工件直接接觸時，即采用直接接觸法檢測時，為了提高耦合效果，常常在探頭與被檢工件的接觸面之間涂抹一層透聲介質(zhì)，即為耦合劑。此外，耦合劑還有減少摩擦的作用。下面介紹一下這幾種耦合方式： 液體耦合在探頭與被檢工件之間涂抹一層液體，從而排除二者之間的空氣來實現(xiàn)聲能的傳遞，這種耦合方式成為液體耦合。 空氣耦合空氣耦合具有很大的局限性，檢測范圍很小，只能進行一些外部測量、距離測量等?？諝怦詈铣暀z測常采用的頻率范圍是（25250）kHz。 耦合層厚度耦合層的厚度對于耦合也有很大程度的影響，對于接觸法而言，當耦合層的厚度時，耦合層越薄耦合效果越好；當耦合層度厚度等于的整數(shù)倍時，透聲效果高，反射的回波也高，如圖34所示。對于聲阻抗小的耦合劑，粗糙度越差，耦合效果也越來越差，如圖35所示。圖35 表面粗糙度對耦合的影響 干壓耦合干壓耦合就是在探頭下面塞塑料墊或者軟橡膠，用力地壓向工件，實質(zhì)就是用軟性材料取代了液體耦合劑。在選擇耦合劑時，不要讓耦合劑對工件、探頭造成腐蝕破壞等影響，對人體也要沒有過度的危害作用。液浸檢測中常用水作為耦合劑，但要加入潤濕劑和防腐劑，因為水容易流失，不易潤濕工件，還容易使工件生銹；甘油的聲阻抗大，耦合效果較好，但是使用前要用水稀釋，容易形成腐蝕坑；機油和變壓油的附著力、黏度、潤濕性都較適當，也無腐蝕性，因此是最常用的耦合劑。表33 幾種常用液體耦合劑的特性名稱縱波速度縱波聲特性阻抗密度甘油（100%）機油水玻璃（33%體積）水 試塊 試塊的定義和標準在超聲波檢測之前，按照不同用途設(shè)計并制造出的各種形狀簡單的人工反射體，統(tǒng)稱為試塊。試塊的制造要求符合ZBY232和JB4126的規(guī)定。試塊在超聲檢測中占有重要的地位。IIW是國際焊接學會的縮寫，它是1985年國際焊接學會推薦使用的標準試塊。 校驗標準試塊它是中國壓力容器焊縫超聲檢測所規(guī)定的標準試塊CSKⅠＡ，在IIW（國際焊接學會制定的標準試塊）基礎(chǔ)上進行修改和創(chuàng)新的校驗標準試塊。 對比標準試塊它主要用來調(diào)整檢測范圍，確定探傷的靈敏度，通過與對比標準試塊比較，進而來判斷缺陷的大小、形狀等，以便對缺陷進行分級。如圖36所示：圖36 CSKⅠＡ試塊CSKⅠＡ試塊的用途有很多，例舉如下：l 適用于厚度范圍8—300mm的焊縫探傷；l 使用厚度尺寸25測定超聲波探傷儀的水平線性、垂直線性和動態(tài)范圍；l 使用尺寸85,91,100來測定直探頭的分辨力；l 使用厚度尺寸25和100調(diào)整縱波檢測范圍和掃描速度；l 使用有機玻璃塊測定探傷儀和直探頭的穿透能力；l 使用和圓孔測定斜探頭的折射角；l 使用R100測定探傷儀的和斜探頭的組合靈敏度； CSKⅡA試塊它是中國JB473094標準推薦，用于壓力容器焊縫橫波探傷的試塊，主要以對比為主。圖37 CSKⅡA試塊CSKⅡA試塊的用途如下：l 測試和校驗探傷儀和探頭的靈敏度余量、始波寬度、盲區(qū)、分辨力等；l 調(diào)節(jié)探傷靈敏度；l 用于厚度范圍8—120mm的焊縫探傷；l 繪制直探頭距離波幅曲線和面積波幅曲線。CSKⅢA試塊有7個距探測面不同深度的的平底孔，為避免試塊斷面和側(cè)面反射的影響，在試塊側(cè)面短橫孔處加工了兩個R10的圓弧槽；圖38 CSKⅢA試塊 CSKⅣA試塊CSKⅣA試塊也為中國JB4730—94標準推薦，如圖39所示。圖39 CSKⅣA試塊第四章 超聲波檢測方法在實際檢測工作中，利用超聲波檢測的方法多種多樣，各種方法的操作也不盡相同，但它們在探測條件、耦合與補償、儀器的調(diào)節(jié)、缺陷的定位、定量、定性等方面卻存在一些通用的技術(shù)問題，因此，在實踐過程當中要熟練掌握這些通用技術(shù)。 脈沖反射法超聲波探頭反射脈沖波到被檢測工件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測工件缺陷的方法，稱為脈沖反射法。它是目前使用最廣泛的一種超聲檢測方法。缺陷回波法：根據(jù)儀器示波屏上顯示的缺陷波形進行判斷的檢測方法，它是反射法的基本方法。若工件沒有缺陷，超聲波可順利傳播到達底面，顯示圖像只有發(fā)射脈沖信號T和底面回波信號B兩個信號，如圖41（a）所示。 圖41 缺陷回波法示意圖底波高度法：當工件的材質(zhì)和厚度沒有改變時，底面回波高度應該是沒有什么改變的；如果工件內(nèi)部存在缺陷，則底面回波高度會下降甚至消失，如圖42所示，根據(jù)底面回波高度的變化就可判斷工件內(nèi)的缺陷情況，這種檢測方法稱為底面波高度法。如果工件存在缺陷，則由于在缺陷處超聲波的反射以及散射而增加了聲能損耗，底面回波次數(shù)相應減少，打亂了各次底面回波高度依次衰減的規(guī)律，并顯示出缺陷回波，如圖43（b）、（c）所示。它主要用于厚度不大、形狀簡單、探測面與底面平行的工件的檢測，缺陷檢出的靈敏度低于缺陷回波法。它常常采用雙探頭，一個用于發(fā)射，一個用于接收，分置在工件兩側(cè)，圖44（a）為無缺陷時的波形，圖44（b）為有缺陷時的波形。依據(jù)工件的共振特性來判斷缺陷情況和工件厚度的變化情況稱為共振法。根據(jù)下面的公式可計算出工件的厚度。 按波型分類在檢測過程中，根據(jù)檢測所采用的波型，可將超聲波檢測分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等。 縱波法利用直探頭發(fā)射縱波進行檢測的方法，稱為縱波法。垂直法又可分為單晶探頭反射法、雙晶探頭反射法和穿透法。垂直法主要用于鑄造、鍛壓、軋材及其制品的檢測，該法對與探測面平行的缺陷的檢出效果最佳。另外，由于垂直法檢測時波型和傳播方向保持不變，所以對缺陷進行定位比較方便。由于入射波束與探測面有一定的夾角，所以又稱斜射法。檢測其他工件時，則經(jīng)常作為一種有效的輔助手段，用以發(fā)現(xiàn)垂直檢測法不易發(fā)現(xiàn)的缺陷。表面波波長比橫波還短，衰減也很大。表面波法主要用于表面光滑的工件的近表面缺陷的檢測，對近表面的裂紋缺陷比較敏感。主要用于薄板、薄壁管等形狀簡單的工件的檢測。但是檢出靈敏度受到的限制較大，例如儀器工作條件、波的形式等等。單探頭法操作簡便，能夠檢測出大多數(shù)缺陷，是目前最常用的一種檢測方法。 雙探頭法使用兩個探頭（一個用于發(fā)射、一個用于接收）進行檢測的方法稱為雙探頭法。雙探頭法又可以根據(jù)兩個探頭排列的方式和工作的方式進一步分為并列式、交叉式、V型串列式、K型串列式、串列式等。 多探頭法使用兩個以上的探頭成對地組合在一起進行檢測的方法，稱為多探頭法。如圖45所示。 接觸法在探頭與工件探測面之間的有很薄的耦合劑層，可以看作是兩者直接接觸，這種檢測方法稱為直接接觸法。但是，接觸法檢測時，要求探測面的表面粗造度要小。耦合劑可以是水，也可以是油。探頭也不易磨損，耦合穩(wěn)定，探測結(jié)果重復性好，便于實現(xiàn)自動化檢測。全浸沒式適用于體積不大，形狀復雜的工件檢測；局部浸沒式適用于大體積工件的檢測。通過檢測人員直接手持探頭對工件進行檢測的方法，稱為手工檢測法。 自動檢測通過設(shè)備裝置來控制探頭進行自動檢測的方法，稱為自動檢測法。但是也有一些缺點，例如檢測方法復雜，成本高，設(shè)備重，不易隨便移動等等。在實際檢測工作中，應根據(jù)工件結(jié)構(gòu)形狀、加工工藝和技術(shù)情況要求等來選檢測擇儀器和探頭。目前國內(nèi)外檢測儀種類繁多，性能也是多種多樣，檢測前應優(yōu)先選用性能穩(wěn)定、重復性好和可靠性好的儀器。l 對定量要求很高的工件，選擇垂直性好，衰減器精度高的儀器。l 為了有效地發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應選用盲區(qū)小、分辨力好的儀器。 探頭的選擇超聲波檢測中，超聲波的發(fā)射和接收都是通過探頭來實現(xiàn)的。檢測前應根據(jù)被檢對象的形狀、衰減和技術(shù)要求來選擇探頭。 探頭類型的選擇探頭的種類很多，常用有縱波直探頭、橫波斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、聚集探頭等?？v波直探頭只能發(fā)射和接收縱波，波束軸線垂直于探測面，主要用于鍛件、鋼板的檢測；橫波斜探頭通過波形轉(zhuǎn)換實現(xiàn)橫波檢測，主要用于焊縫缺陷（如焊縫中的未焊透、夾渣、未熔合等缺陷）的檢測；表面波探頭一般用于探測工件表面的缺陷；雙晶探頭用于探測工件的近表面