超声波讲稿(相关知识部分)-UT

超声波讲稿（相关知识部分）前言：

1．什么是超声波：

人耳听不见（人耳可听见16-20000Hz ），即频率大于2万赫兹(2×104 Hz)的机械波（超声波）

2．工业超声波探伤频率：1-5M Hz

a ．粗晶材料（奥氏体不锈钢，大的锻件，铸件）用1-2 M Hz

b ．细晶材料（厚度不大的钢板、锻件，薄的焊缝）用4-5 M Hz ，常用5 M Hz

c ．其它材料：2-3 M Hz 常用2.5 M Hz

3．金属材料用高频超声波原因：

a ．指向性好（即Df C

D 7070==λθ）：

－声能集中，可以传播很远，检测深度大。

－距离分辨力好，相邻缺陷分辨率高。

b ．f 大即λ小，检测灵敏度高（可达到

2小λ）

9.1超声波的发生及其性质：

1、超声波的发生和接收

（1）（机械）振动和波动：

a.振动——是物质在平衡位置附近的往复（周期性）运

动。

b.波动——是振动状态或振动能量的传播，不是物质的

迁移。

（2）超声波产生的条件：

a.振动源（波源）——晶片振动

b.能传播波的介质——弹性介质

（3）压电效应：

a. 正压电效应: 交变（拉、压）应力——交变电场（接

受超声波）

b.逆压电效应: 交变电场——振动（晶片）（发射超声

波）

（4）压电晶片：

a.常用的压电晶片：

石英——单晶体、稳定性好、耐高温（550℃）

硫酸锂——单晶体、接收性能好

锆钛酸铅——多晶体、灵敏度高、发射性能好

钛酸钡——多晶体、发射性能好

铌酸锂——单晶体、耐高温（1200℃）

b.单晶直探头常用锆钛酸铅制作（PZT）

双晶探头常用PZT+硫酸锂，高温探头用铌酸锂和石英。

c.晶片参数：频率常数

N L

晶

晶＝δ

2、超声波的种类(仅指波型)：

（1）纵波–––振动方向与波传播方向平行

（2）横波–––振动方向与波传播方向垂直（只

能在固体中传播）

（3）表面波–––长轴是横波,短轴是纵波的合

成，在表面下2 λ内传播的椭圆振动

（只能在固体中传播）

在表面下λ处，振幅减为1/5，能量减为1/25

在表面下2λ处，振幅减为1/100，能量减为

1/10000

（4）板波：充满板内，各种模式的纵、横波

（5）爬波：表面下纵波

－当纵波λ射角在第一临界角（有机斜楔/钢为27°36）附近时产生

－检测深度与（晶片×频率）的乘积大小有关

（6）探头：

a．直探头（纵波）

①阻尼块：

②保护膜（按声阻抗Z大力分为硬、软保护膜）

硬保护膜—适用于表面光洁度高的工件

软保护膜—适用于表面粗糙工件

b．斜探头：（直探头+斜楔）

①斜楔（作用有二方面）

< C L2件)

波型转换(C

表面开槽：减少探头杂波

②K值（折射角的正切函数）：t↗→k↗；斜楔磨损时，

磨前k↘，磨后k↗。

C．双晶探头（双直，双斜）：发射与接收分开

①是一个粗糙的聚焦探头，

②杂波少、盲区小，可检测近表面缺陷。

③近长区长度小（延迟块的使用）

④检测深度取决于晶片的倾角

d. 聚焦探头(线聚焦、点聚焦)

①灵敏度高（聚焦区声能集中－主要参数有

焦点位置、焦拄长度和焦拄宽度）

②声束窄（焦拄宽度小），横向分辨率高

③定位精度高

Δ聚焦探头的焦距总是小于近场长度

3．声速（波速）

（1）常用的声速参数：

C L 钢=5900米/秒 C S 钢=3230米/秒

C L 有机=2730米/秒 C 水=1500米/秒

（2）与声速有关的参数：

a ．与材料种类有关，

ρ（密度）↗→C ↗， E （弹性）↗→C ↗

b ．与波型有关：C L ：C S ：C t =1.8 : 1 : 0.9（对于钢材）

c ．与温度（t ↗→c ↘,只有水例外）有关，

与应力(F ↗(拉应力)→c ↗)有关。

与介质尺寸有关。

4．频率、波长、声速相互关系：

C=f ?λ

（1）λ——质点完成一次全振动波传播的距离。

或者波线上相邻两振动相位相同质点间的距离。

（2）f ——波动过程中，每秒内通过某点波的个数。

（3）C ——波在1秒内传播的距离。

5．超声波的特征量：

图1振动曲线

（1）声压——超声场中某点瞬间压强与无超声波存在时同

一点静压强之差。

m m c c Af c A P νρρπρω?=?=??=2＝Z V m

即声压 p 与频率f 成正比

（2）声强——垂直于超声波传播方向上，单位时间，单位

面积通过的声能。

c Z I P p m m ρ22122

=?= 即声强正比于频率f 2 （3）声阻抗——声压的幅值与质点振动速度的幅值的比值

（表示介质的声学性质）

①与材料的种类有关ρ

②与波型有关C

③与温度有关t ↗→C ↘→Z ↘

Δ质点的振动速度V m ≠波速C

Δ质点的振动频率f=波传播的频率f

（4）分贝Δ–––1

2122020H H =P P =?g g （仪器垂直线性好时）

a ．已知波高为H 2=90%和H 1=15%，求H 2/H 1的分贝

m m

P Z C V ρ==

差Δ？解：分贝6.1515

90202012==H H =?g g b ．已知波高差6db, 求=H H 1

2？解：=H H 122010?， H 2=H 11206

210H =?

即两波高差一倍

6．异质界面的反射和透射

（1）垂直入射：

a.声压反射率γ(Pr/Pe)和透射率t(Pd/Pe)

1212Z +Z Z -Z =γ 1222Z +Z Z =t

b.声强反射率R(Ir/Ie)和声强透射率T(Id/Ie)

1212???? ??Z +Z Z -Z =R T ()21

2124Z +Z Z Z = c.边界条件：由力的平衡：P O +P r =P t 由于波的连续性，两侧振动速度的振幅相等：

m t r o V =Z P =Z P -P 2

1 r+1=t ； R+T=1

Δ超声波在钢中传播到底面遇到空气100%反射；

Δ超声波从钢传到水中时，88%的声能反射，12%

进

图2 纵波垂直入射

入水中；

d.均匀介质中的异质薄层：(相当于钢板中的均匀夹层) Z 1=Z 3≠Z 2 λ1=λ3≠λ2

Δ当d=22n

λ时 t=1、

Δ当d=2

(21)4n λ-时 t 很小、r 很大（2）斜入射：

a.反射和折射定律：

211

11S S L L S S L L C Sin C Sin C Sin C Sin β

βαα=== b.纵波斜入射：

图3纵波斜入射时的反射和折射

第一临界角2L C （纵波）全反射，2

1L L

I C C Sin -=α 第二临界角C 2S （横波）全反射，2

1S L C C Sin

-∏=α L 2

λ2 Z 2 d

Δ因此2L C 必须大于1L C 才有第一临界角，即工件的纵波

声速必须大于斜楔的纵波声速，才能实现纯横波探伤。 Δ如果C 2S <1L C 即没有第二临界角，因此第二介质的横

波声速必须大于第一介质的纵波声速，才会产生表面波。

c .横波入射：当横波入射，L C '全反射时，对应S α叫第三临

界角

αIII 1

S L C Sin C -'=即只有固体才会有第三临界角（钢中的αIII ＝33.20 ）

d.对于有机斜楔探头检测钢工件时：

αI =27°36′ αII =57°48′

即纵波入射角在27°36′~57°48′实现纯横波探伤

实用β=38°~80° K=0.78~5.07

（3）平行声束在曲界面上的传播规律：（速度快、角度大）

介质1 介质2

7.指向性：（1）直探头的指向角

a.圆晶片指向角Df C D D Sin o 707022.11=≈=-λ

λθ (方晶片指向角a a Sin o λλ

θ57

1≈=-) b.未扩散区：b=1.64N (N=λ42D

)

c.声束宽度：

图5 指向角，未扩散区，声束宽度

（2）斜探头的指向角：

a.纵向θ

上＞θ下使6dB 测高增加误差 b.横向θ

左=θ右测长同直探头

8．近场区和远场区：

（1）圆盘源的声压曲线： ???

????????? ??-+=x D x Sin P P o x 4222λπ N=λ42

（2）远场区：X ≥3N 接球面波规律，P X =P 0X F D λ

△频率越高，指向性越好。

△小晶片指向性差，大晶片指向性好。

△近场区越大，指向性越好。

△盲区不是近场区，是脉冲宽度＋阻塞效应。

△近场区缺陷定量不准。

图7 圆盘形声源轴线

上声压分布，

N —近场长度。

△当量计算法适用于X ≥3N 时，小于声束截面尺寸W 的缺陷的当量计算。

△只要当缺陷某个方向的尺寸大于声束截面尺寸W 时，就能用移动探头法测长。

9、小物体的声波反射

（1）遇到不同尺寸的障碍物时的桡射和反射：

a.当λ≥d 时，桡射（衍射），无反射。

b.当λ≈d 时，既桡射，又反射。

c. 当d 》λ时，只有反射，形成声影。

（2）缺陷的反射率：

a.光滑表面：00~100%， 2.50~10%, 120~0.1%

b.粗糙表面：00~100%， 800~10%

（凹凸度<λ31为光滑面）。

△ 当探头指向性好，缺陷指向性差时，缺陷定位准确。 △ 当探头指向性差，缺陷指向性好时，缺陷定位差。 △ 裂纹反射波幅不一定总是很高(与裂纹面的方向有关)。 △ 检测裂纹不宜采用较高的频率。

10、标准反射体的反射声压（X ≥3N ）

（1）大平底，P B=2

1P X （同等厚度的实心圆柱体） X

1α， X~6db ，

（2）平底孔，X

=ΦX ΦλF P P 22X Φα， X~12db ， Φ~12db （3）长横孔，P ?=P X X 8φ 23

21X φ

α， X~9db ，?~3db

（4）球孔，P d =P X X d 4 2X

d α， d~6db X~12db （5）圆柱曲底面，P

凸=P B R r 、 P 凹=P B r R 、

P 凸

9.2超声检测的原理：

1．纵波探伤：（直探头） a.定位时，应读脉冲前沿（不能读峰

值或后沿）

b.适用于钢板、锻件、铸件

c.检测与探测面平行或稍有倾斜的

缺陷

2、横波探伤（斜探头）：

适用于焊缝,钢管以及大锻件和厚钢板的辅助检测，检测与探测面垂直或与探测面倾斜较大的缺陷，主要用于焊缝。

（1）扫描线三种调试方法：

a.水平调试（中薄板焊缝） δ≤20mm ；

图9 直探头定位示意图

L=S.Sin β=S.

21K K +

=K.d b.垂直调试（较厚焊缝）δ＞20mm

d=S.Cos β=S.2

K +

由tg β=K

从右图的直角三角形可看出，

sin β=21K K +

Cos β=211

K +

c.声程调试（形状复杂工件）

如曲面焊缝， S

（2）调试扫描线的几种试块

a.CSK-IA CSK-IIIA

b.R40半圆试块

c.Ⅱw 试块

(3)焊缝探伤时的伪缺陷波

a 仪器杂波。

图10 斜探头检测时缺陷定位示意图 K

b探头杂波

c耦合剂反射波

d焊缝表面沟槽反射波、自动焊表面山形反射波，焊缝

上下错位引起的反射波，单面焊焊瘤反射波等

⑷迟到波、变形波：

a直探头轴向检测直径为d的细长工件，迟到波的位置出现在底波后0.76d×n(n=1、2、3、4…)

b直探头径向检测直径为d的园拄工件，三角反射波的位置出现在底波后0.3d和0.67d

9.3试块：

1.试块的用途

（1）确定合适的探伤方法

（2）确定探伤基准灵敏度：（JB/T4730）

a.钢板：

δ≤20mm 双晶直探头，大平底50%-10db

δ＞20mm 单直探头，Φ5平底孔50%

b.锻件：Φ2平底孔

c.焊缝：纵向缺陷评定线

横向缺陷评定线-6dB

d.钢管：60°尖角槽80%

（3）检测仪器，探头性能：

a.仪器：垂直线性，水平线性，动态范围，衰减器精度

b.探头：K值，前沿长度，双峰，水平偏差。

c.系统：盲区，远场分辨力(直≥30db 斜≥6db) ,有效

灵敏度余量≥10 dB ，始脉冲宽度

(5MHz ) L≤10mm；(2.5 MHz ) L≤15mm. 2．试块种类：

（1）调节仪器及测试探头性能的试块：CSK-IA，半圆试块，Ⅱw试块……等。

（2）纵波用试块：Φ5平底孔（CBII），阶梯试块(CBI)，CS-I （Φ2）、CS-II（Φ2、Φ3、Φ4、Φ6）试块……等。

（3）横波用试块：CSK-IA、CSK-ⅡA、CSK-IIIA 、CSK-ⅣA、600尖角槽试块……等。

（4）标准试块系统性能校准和检测校准，对比试块检测校准，（JB/T4730的分类）

（5）自然缺陷试块

3．试块的要求：

（l）材质要求

试块的声速C应与被探工件基本一致，且材质均匀，没有大于φ2mm平底孔当量的缺陷。

（2）试块的表面光洁度和几何尺寸要求

－对比试块应与被探工件具有相同的表面光洁度。

－标准试块表面光洁度一般在?5－?6。

－几何尺寸应消除试块边界造成的回波干扰。即试块宽度

b≤2 X/D0

9.4检测工艺

1、探伤方法分类：

（1）找原理分类

a.脉冲反射法：

①缺陷回波高度法：

用回波幅度判断缺陷大小，可进行当量计算、比较

或测长（6dB法）

②底波高度法：

F/B，F/BF，F/B G 用缺陷波与底波高的比值

表示缺陷的大约尺寸。

△相同的F/BF值，缺陷离探头越近，则缺陷的尺寸越小。（当X≥1.64b）

△相同尺寸的缺陷，缺陷离探头越近，则F/BF的值越大。（当X≥1.64b）

△底波高度法主要用于检测小于声束宽度的缺陷。

③底面多次回波法：

观察衰减规律P X =P0 eα x来确定材料有无缺陷，晶粒度……等

b.穿透法：利用缺陷挡住声束多少程度来发现缺陷。

①缺点＜小缺陷漏检不能定位

②优点＜

没有盲区，可检测薄工件检测速度快，易于实现自动化

c.共振法：利用驻波来判断缺陷或测厚（老式测厚仪）（2）按显示方法分类：

a. A显示：幅度显示

提供信息：幅度~缺陷大少

声程~缺陷位置（时间）

b. B显示：纵截面显示

提供信息深度

纵截面面积（长×高）

c. C显示：水平截面显示

提供信息水平截面面积（长×宽）

无深度

（3）按波型分类：

a.纵波：钢板、锻件、铸件、奥氏体不锈钢焊缝（波长

长，穿透力强，可用于粗晶材料）

b.横波：焊缝，钢管及厚钢板、厚锻件辅助检测（波长

短，衰减快，检测深度小，不适用粗晶材料）

c.表面波：表面开口缺陷，时延法可较精确检测开口裂

纹的高度

d.板波：用于δ6mm以下的薄板

e.爬波：检测粗糙表面(角焊缝、堆焊)的近表面缺陷（4）探头数目：

a.单探头（收、发共用）

b.双探头（一收、一发）

①双晶直探头——δ20mm以下的钢板，δ45mm

以下的锻件，堆焊层未结合

②双晶斜探头——薄壁小径管焊缝，堆焊层焊缝 ③串列扫查或TOFD 法——厚焊缝（坡口角度小于

5度的未熔合和垂直于表面的面状缺陷）

－使用串列式检测法不论缺陷位置的深度多少，超声波的总声程不变。而且对不同深度缺陷的探测灵敏度也基本不变。被探得缺陷的坐标可根据两个探头之间的距离b 来确定。

a=TK-b/2

d=T-b/2k

c.多探头：多对探头交替发、收，适用钢板自动化检测

（5）按接触方法分类：

a.直接接触法：

①用一层薄的耦合剂（≤4

）

②特点：探伤简便，适用于手工操作，灵敏度高；

工件表面粗糙度控制在6.3μm ，探头易磨损；

耦合效果与接触力有关（1~2Kg ）

串列式检测