【正文】 儀器與設(shè)備 ? 1．超聲波探頭 ? 超聲波探頭實(shí)際上是一種機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的換能器，大多數(shù)是利用壓電效應(yīng)制作的，其功能在于發(fā)生和接收超聲波。 ? 根據(jù)超聲波波型的不同，探頭可分 為縱波探頭（又稱直探頭或平探頭）、 橫波探頭（斜探頭）和表面波探頭等。 ? 根據(jù)診斷方法可分為接觸式探頭和 水浸式探頭。 45 ? 2．超聲波診斷儀 ? 超聲波診斷儀種類繁多，常見的分類如下： ? （ 1）按發(fā)射波連續(xù)性分 ? 有連續(xù)波探傷儀，共振式連續(xù)波探傷儀，調(diào)頻式連續(xù)波探傷儀，脈沖波探傷儀。 ? （ 2）按缺陷顯示方式分 ? 有 A型顯示探傷儀， B型顯示探傷儀， C型顯示探傷儀。 ? （ 3）按通道分 ? 有單通道探傷儀，多通道探傷儀。 ? 目前使用最多的是脈沖反射式超聲波探傷儀。 46 ? 三 、 超聲探傷技術(shù) ? 1． 脈沖反射法 ? （ 1） 直接接觸縱波脈沖反射法 ? 將探頭置于被測面上 ， 電脈沖激勵的超聲脈沖經(jīng)耦合劑進(jìn)入工件 ， 傳播到工件底面 ， 如底面光滑 ， 則脈沖反射回探頭 ， 聲脈沖又變換回電脈沖 ， 由儀器顯示 。 47 ? 儀器顯示屏上的時基線與激勵脈沖是同步觸發(fā)的 ， 在時基線的始端出現(xiàn) “ 始波 ” （ 見圖 516） ， 當(dāng)探頭接收到底面反射波時 ， 時基線上出現(xiàn)一 “ 底波 ” 。 時基線上從掃描到的時間信為脈沖在工件中的傳播時間 ， 據(jù)此可算出其厚度 。 如果工件中有缺陷 ， 探頭接收到的缺陷反射 “ 傷波 ” 將顯示在時基線上 ， 故可利用 、 之間的距離關(guān)系 ， 判斷出缺陷的部位及其大小 。 ? 缺陷位置 BFLLtx ?48 ? （ 2）脈沖反射橫波脈沖反射法 ? 利用橫波探頭進(jìn)行缺陷診斷時，有時用一個探頭兼作發(fā)射和接收，即單斜探頭法。也有分別用發(fā)射探頭、接收探頭的，即雙斜探頭法，如圖 516（ b）所示。橫波在工件中傳播時，遇到工件表面將產(chǎn)生多次反射，直至聲能衰減殆盡，如圖 516（ c）所示。 49 ? 2． 共振法 ? 應(yīng)用共振現(xiàn)象診斷工件缺陷的方法稱為共振法 。探頭把超聲波輻射到工件 H后 ， 通過連續(xù)調(diào)整發(fā)射頻率 ， 改變波長 。 當(dāng)工件的厚度為超聲波半波長的整數(shù)倍時 ， 在工件的兩個側(cè)壁間超聲能量將發(fā)生振蕩 ， 從而在工件中產(chǎn)生駐波 ， 其波腹在工件的表面上 。 用共振法測厚時 ， 在測得共振頻率 f和共振次數(shù)n后 ， 可用下式計算工件厚度 δ ? 此法常用于壁厚的測量 ， 另外 ， 在工件中若存在較大的缺陷或厚度改變時 ， 將使共振現(xiàn)象消失或共振點(diǎn)偏移 。 可用此現(xiàn)象診斷復(fù)合材料的膠合質(zhì)量 、板材點(diǎn)焊質(zhì)量 、 均勻腐蝕量和板材內(nèi)部夾層等缺陷 。 fn22???? ??50 ? 3． 穿透法 ? 穿透法測量如圖 517所示。這種方法采用兩個探頭，一個探頭發(fā)射超聲能量，另一個探頭接收超聲能量。由于透過被檢零件的超聲能量取決于零件內(nèi)部的狀態(tài)，存在有嚴(yán)重的疏松或氣穴時，大部分能量就會反射或散射，因此另一探頭所接收到的能量就會有不同程度的減少。根據(jù)熒光屏上比較發(fā)射脈沖和接收脈沖的幅值 AT與 AR，就可以判斷材料的粘結(jié)質(zhì)量和檢查出內(nèi)部的缺陷。 ? 圖 a是探頭直接和被檢零件接觸的方式； b為用水作耦合劑的方式。為了取得較好的效果，可以用鈦酸鋇制作發(fā)射探頭，用硫化鋰制作接收探頭，常用的超聲波頻率為 ～ 。 51 ? 四、應(yīng)用實(shí)例 ? 1. 管壁腐蝕監(jiān)測 ? 管道的管壁腐蝕情況是化工、煉油和動力廠設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的重要項目，常用的方法是用回波脈沖法。但由于被檢零件的兩側(cè)表面不平行，反射脈沖的幅值降低，反射脈沖的數(shù)目減少，特別是管道外徑小時更為嚴(yán)重。因此，這種方法只適用于外徑大于 20mm的管道。 ? 如圖 518所示，當(dāng)管壁受到嚴(yán)重的腐蝕時，由于內(nèi)壁形狀不規(guī)則，回波信號將變寬、數(shù)目減少。一般情況下，往往只有第一個回波才能夠清楚地分辨出來，用它可以確定管壁的壁厚。當(dāng)管壁進(jìn)一步受 到腐蝕時，第一個回波與 發(fā)射波脈沖已難以區(qū)分， 由于散射和干涉的作用， 回波的幅值也將大為減少。 52 ? 2. 活塞裂紋診斷 ? 國外曾經(jīng)用超聲方法成功地檢查了一批1200kW柴油機(jī)活塞在運(yùn)行過程中內(nèi)部的裂紋情況，在只揭蓋不拆卸的前提下查出了帶裂紋的活塞。 ? 可以看出，用超聲方法對活塞進(jìn)行現(xiàn)場探查有如下的優(yōu)點(diǎn)：（ 1）靈敏度高，反應(yīng)快，可以迅速確定缺陷的位置；（ 2）滲透力強(qiáng)，可以檢測原材料；（ 3）只需從一個方向檢查活寒．不需拆開機(jī)器。 53 ? 超聲診斷目前被廣泛地應(yīng)用在鍛、鑄件的缺陷診斷、焊縫的缺陷診斷以及關(guān)鍵件的在線監(jiān)測上。 ? 超聲診斷的缺點(diǎn)是： ? （ 1）當(dāng)樣件的幾何形狀復(fù)雜時，解釋信號比較困難； ? （ 2）當(dāng)材料晶粒較粗時，回波信號比較弱； ? （ 3）解釋超聲圖像技術(shù)性較強(qiáng)。 54 第四節(jié) 聲發(fā)射故障診斷 ? 一 、 基本原理 ? 當(dāng)材料受力作用產(chǎn)生變形或斷裂時 ， 或者構(gòu)件在受力狀態(tài)下使用時 ， 以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射 ， 聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象 。如果釋放的應(yīng)變能足夠大 ， 就能發(fā)射出可以聽得見的聲音 ， 如彎曲錫片時 ， 會聽到噼啪聲 。 但人耳聽不到大多數(shù)金屬材料的塑性變形和斷裂的聲發(fā)射 ，因為聲發(fā)射的信號很微弱 ， 需要借助靈敏的電子儀器 ， 才能檢測出來 。 利用儀器檢測 、 分析聲發(fā)射信號 ， 和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù) 。 55 ? 二 、 產(chǎn)發(fā)射信號的特征及表示方法 ? 聲發(fā)射作為一種能量釋放過程 ， 其能量的大小一般可表現(xiàn)為聲發(fā)射率的高低 ， 即單位時間發(fā)出聲發(fā)射脈沖的數(shù)目 ， 信號幅度的大小 ， 以及頻率成分的寬窄 。 下面介紹聲發(fā)射信號的特征及其表示方法 。 ? 1． 計數(shù)與計數(shù)率 ? 裂紋每向前擴(kuò)展一步 ， 就釋放一次能量 ， 產(chǎn)生一個聲發(fā)射信號 ， 于是傳感器就接收到一個聲發(fā)射波 ， 其波形如同阻尼振蕩的波形 ，我們稱之為一個聲發(fā)射事件 。 而聲發(fā)射計數(shù)可以分為事件計數(shù)和振鈴計數(shù) 。 56 ? 圖 520為一突發(fā)型聲發(fā)射信號記錄 ， 我們通過此圖介紹計數(shù)的方法 。 一般的事件計數(shù)處理方法 ， 只注意了事件的頻度 ， 而較少涉及信號的幅度 ， 因此它只是著重反映了裂紋擴(kuò)展的步進(jìn)次數(shù) 。 而振鈴計數(shù)是計算聲發(fā)射事件中越過門檻電壓的振蕩次數(shù) ， 門檻電壓可按不同材料的實(shí)際情況來設(shè)定 ，在儀器上是可調(diào)的 。 如圖中 ， 在該事件中 ， 振鈴數(shù)為 5。 由此可見 ， 聲發(fā)射波諧振幅度越大 ， 振鈴數(shù)就越多 ， 因此振鈴計數(shù)在一定程度上反映了聲發(fā)射信號的幅度 。 57 ? 2． 幅度與幅度分布 ? 古典力學(xué)認(rèn)為，振蕩的能量與振蕩幅度的平方成正比，故可用聲發(fā)射信號的幅度作為聲源釋放能量的量度，其值可采用峰值和有效值。 ? 幅度分布就是按信號幅度的大小范圍分別對聲發(fā)射信號進(jìn)行事件計數(shù)。把儀器的動態(tài)范圍分為若干等級，每個等級有一定的電平范圍，若把聲發(fā)射事件按幅度分類的等級分別計數(shù)，就稱為事件分級幅度分布，如圖 5－ 22所示。若把聲發(fā)射事件按越過各等級低端電壓的事件數(shù)進(jìn)行累計計數(shù)，則稱作為累計幅度分布。 58 ? 3． 能量和能量率 ? 在聲發(fā)射技術(shù)中 ， 多采用振鈴計數(shù)法 。 但此法有下列缺點(diǎn)：振鈴計數(shù)隨信號頻率而變；僅能間接地考慮信號的幅度；計數(shù)和重要的物理量之間沒有直接的聯(lián)系 。 因此 ， 提出了能量測量的方法 。 ? 據(jù)此，將聲發(fā)射信號的幅度平方，然后進(jìn)行包絡(luò)檢波，求出檢波后的包絡(luò)線所圍的面積，作為信號所包含能量的量度。 ? 能量量度的另一種方法是測量事件的寬度，把能量與事件寬度聯(lián)系起來。 ? 能量的測量方式有三