[2019-01-11]

超聲波探傷儀是一種便攜式工業(yè)無損探傷儀器，它能夠快速、便捷、無損傷、精確地進(jìn)行工件內(nèi)部多種缺陷（裂紋、疏松、氣孔、夾雜等）的檢測、定位、評(píng)估和診斷。既可以用于實(shí)驗(yàn)室，也可以用于工程現(xiàn)場。廣泛應(yīng)用在鍋爐、壓力容器、航天、航空、電力、石油、化工、海洋石油、管道、軍工、船舶制造、汽車、機(jī)械制造、冶金、金屬加工業(yè)、鋼結(jié)構(gòu)、鐵路交通、核能電力、高校等行業(yè)。

儀器原理

超聲波在被檢測材料中傳播時(shí),材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對(duì)超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)稱為超聲檢測。超聲檢測方法通常有穿透法、脈沖反射法、串列法等。

數(shù)字式超聲波探傷儀通常是對(duì)被測物體（比如工業(yè)材料、人體）發(fā)射超聲，然后利用其反射、多普勒效應(yīng)、透射等來獲取被測物體內(nèi)部的信息并經(jīng)過處理形成圖像。

多普勒效應(yīng)法

是利用超聲在遇到運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)發(fā)生的多普勒頻移效應(yīng)來得出該物體的運(yùn)動(dòng)方向和速度等特性；

透射法

是通過分析超聲穿透過被測物體之后的變化而得出物體的內(nèi)部特性的，其應(yīng)用還處于研制階段；

反射法

超聲波探傷儀這里主要介紹的是應(yīng)用最多的通過反射法來獲取物體內(nèi)部特性信息的方法。

反射法是基于超聲波在通過不同聲阻抗組織界面時(shí)會(huì)發(fā)生較強(qiáng)反射的原理工作的，正如我們所知道，聲波在從一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)的時(shí)候在兩者之間的界面處會(huì)發(fā)生反射，而且介質(zhì)之間的差別越大反射就會(huì)越大，所以我們可以對(duì)一個(gè)物體發(fā)射出穿透力強(qiáng)、能夠直線傳播的超聲波， 超聲波探傷儀 然后對(duì)反射回來的超聲波進(jìn)行接收并根據(jù)這些反射回來的超聲波的先后、幅度等情況就可以判斷出這個(gè)組織中含有的各種介質(zhì)的大小、分布情況以及各種介質(zhì)之間的對(duì)比差別程度等信息（其中反射回來的超聲波的先后可以反映出反射界面離探測表面的距離，幅度則可以反映出介質(zhì)的大小、對(duì)比差別程度等特性），超聲波探傷儀從而判斷出該被測物體是否有異常。 在這個(gè)過程中就涉及到很多方面的內(nèi)容，包括超聲波的產(chǎn)生、接收、信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理等。

其中產(chǎn)生超聲波的方法是通過電路產(chǎn)生激勵(lì)電信號(hào)傳給具有壓電效應(yīng)的晶體（比如石英、硫酸鋰等），使其振動(dòng)從而產(chǎn)生超聲波；而接收反射回來的超聲波的時(shí)候，這個(gè)壓電晶體又會(huì)受到反射回來的聲波的壓力而產(chǎn)生電信號(hào)并傳送給信號(hào)處理電路進(jìn)行一系列的處理，超聲波探傷儀最后形成圖像供人們觀察判斷。

這里根據(jù)圖像處理方法（也就是將得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成什么形式的圖像）的種類又可以分為A型顯示、M型顯示、B型顯示、C型顯示、F型顯示等。

A型顯示是將接收到的超聲信號(hào)處理成波形圖像，根據(jù)波形的形狀可以看出被測物體里面是否有異常和缺陷在那里、有多大等， 超聲波探傷儀主要用于工業(yè)檢測；

M型顯示是將一條經(jīng)過輝度處理的探測信息按時(shí)間順序展開形成一維的"空間多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖"，適于觀察內(nèi)部處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體，超聲波探傷儀如運(yùn)動(dòng)的臟器、動(dòng)脈血管等；

B型顯示是將并排很多條經(jīng)過輝度處理的探測信息組合成的二維的、反映出被測物體內(nèi)部斷層切面的"解剖圖像"（醫(yī)院里使用的B超就是用這種原理做出來的），超聲波探傷儀適于觀察內(nèi)部處于靜態(tài)的物體；

C型顯示也是一種圖象顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都是靠機(jī)械掃描來代表探頭在工件表面的位置。探頭接收信號(hào)幅度以光點(diǎn)輝度表示，因而，當(dāng)探頭在工件表面移動(dòng)時(shí)，熒光屏上便顯示出工件內(nèi)部缺陷的平面圖象，但不能顯示缺陷的深度。

C型顯示、F型顯示用得比較少。

超聲波探傷儀檢測不但可以做到非常準(zhǔn)確，而且相對(duì)其他檢測方法來說更為方便、快捷，也不會(huì)對(duì)檢測對(duì)象和操作者產(chǎn)生危害，所以受到了人們?cè)絹碓狡毡榈臍g迎，有著非常廣闊的發(fā)展前景。

所有應(yīng)用程序的工業(yè)超聲檢測,探傷是最古老和最常見的。 自1940年代以來,物理定律支配聲波的傳播通過固體材料被用來檢測隱藏的裂縫,孔隙,孔隙度、和其他內(nèi)部不連續(xù)金屬、復(fù)合材料、塑料和陶瓷。 高頻聲波反映缺陷的可預(yù)測的方式,產(chǎn)生獨(dú)特的回波模式可以顯示和記錄的便攜式儀器。 超聲波測試是完全無損和安全,這是一個(gè)良好的測試方法在許多基礎(chǔ)制造業(yè),過程,和服務(wù)行業(yè),特別是在應(yīng)用程序涉及焊接和金屬結(jié)構(gòu)。 本文簡要介紹了超聲波探傷的理論和實(shí)踐。 它僅用于主題的概述。 更多詳細(xì)信息可以發(fā)現(xiàn)在最后列出的參考。

1. 基本理論:聲波通過媒介只是旅行組織的機(jī)械振動(dòng),這可能是一個(gè)固體、液體或氣體。 這些波將以特定的速度穿過一個(gè)給定的媒介或速度,在一個(gè)可預(yù)測的方向,當(dāng)他們遇到邊界具有不同介質(zhì)將反映根據(jù)簡單的規(guī)則或傳輸。 這是物理學(xué)的原理是超聲波探傷。

頻率:一個(gè)特定頻率的聲波振動(dòng),或數(shù)量的振動(dòng)周期每秒,我們?cè)谑煜さ那驁鼋?jīng)驗(yàn)范圍的可聽見的聲音。 人類聽覺延伸到最大的頻率大約每秒振動(dòng)20000次(20 KHz),而大多數(shù)的超聲波探傷應(yīng)用程序利用500000年和10000000年之間的頻率周期每秒(500千赫至10 MHz)。 在兆赫的頻率范圍,聲能不旅行有效地通過空氣或其他氣體,但是它自由傳播通過大多數(shù)液體和常見的工程材料。

速度:聲波的速度取決于不同的媒介是旅游,受到介質(zhì)的密度和彈性性能的影響。 不同類型的聲波(參見下面的傳播模式)將在不同的速度旅行。

波長:任何類型的波將波長有關(guān),即在波周期的任意兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的距離,因?yàn)樗ㄟ^媒介傳播。 波長與頻率和速度的簡單的方程

λ= c / f

在哪里

波長λ=

c =聲速

f =頻率

波長是一個(gè)限制因素,控制信息的數(shù)量,可以來源于一波的行為。 在超聲波探傷,公認(rèn)的檢測下限是1/2波長小缺陷。 任何小于那將是無形的。 超聲波測厚的理論最小可測厚度一個(gè)波長。

傳播方式:聲波在固體可以存在于各種傳播模式定義的類型的運(yùn)動(dòng)。 縱波和橫波是最常見的模式應(yīng)用于超聲波探傷。 表面波和板波也在某些場合使用。

——一個(gè)縱向或壓縮波的特點(diǎn)是粒子運(yùn)動(dòng)和波傳播方向相同,作為活塞從一個(gè)來源。 可聽見的聲音存在縱向波。

——一個(gè)剪切或橫波的特點(diǎn)是粒子運(yùn)動(dòng)與波傳播方向垂直。

——一個(gè)表面或瑞利波有一個(gè)橢圓粒子運(yùn)動(dòng)和它在材料的表面,滲透的深度大約一個(gè)波長。

——一盤或蘭姆波的振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的模式薄板材料的厚度小于一個(gè)波長和波充滿整個(gè)橫截面的介質(zhì)。

聲波可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一個(gè)。 最常見,產(chǎn)生橫波測試材料通過引入縱向波在選角。 這是進(jìn)一步討論下角梁測試在第四節(jié)。

變量限制聲波的傳播:遠(yuǎn)處,一波又一波的一個(gè)給定的頻率和能量水平將取決于旅行的材料。 作為一般規(guī)則,材料很難和均勻傳遞聲波更有效地比那些柔軟和異構(gòu)或顆粒。 三個(gè)因素支配的距離聲波將旅行在一個(gè)給定的媒介:光束傳播,衰減和散射。 隨著光束傳播,前緣變得更廣泛,與波的能量分布在更大的區(qū)域,并最終能量消散。 衰減是能量損失與聲音通過媒介傳播,本質(zhì)上是能量被吸收的程度作為波前往前移動(dòng)。 從晶界散射隨機(jī)反射聲音的能量和類似的微觀結(jié)構(gòu)。 頻率下降,光束傳播增加但衰減和散射的影響降低。 對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用程序時(shí),應(yīng)該選擇換能器頻率優(yōu)化這些變量。

反射邊界:當(dāng)能量穿越聲材料遇到邊界與另一個(gè)材料,一部分能量會(huì)反射回來,一部分將通過。 反射的能量或反射系數(shù)與相對(duì)兩種材料的聲阻抗。 聲阻抗是材料屬性定義為密度乘以音速在給定的材料。 任何兩種材料的反射系數(shù)的比例入射能量的壓力可以通過公式計(jì)算

R =反射系數(shù)(反射能量的比例)

Z1 =第一材料的聲阻抗

Z2 =第二材料的聲阻抗

常見的金屬/空氣的邊界在超聲波探傷的應(yīng)用程序中,反射系數(shù)接近100%。 幾乎所有的聲能反映裂紋或其他在波的路徑不連續(xù)。 這是基本原則,使超聲波探傷。

反射和折射的角度:聲能在超聲頻率高度定向和聲音梁用于探傷是定義良好的。 在聲音反射邊界的情況下,反射角等于入射角。 一聲束撞到一個(gè)表面在垂直入射將直接反射。 一聲束撞到一個(gè)表面在一個(gè)角度將反映在同一角度。

橫截面的典型傳感器接觸

超聲波探傷的典型傳感器利用一個(gè)活躍的元素由一個(gè)壓電陶瓷,復(fù)合,或聚合物。 當(dāng)這個(gè)元素是由高壓電脈沖興奮,它在特定光譜的頻率和振動(dòng)產(chǎn)生聲波。 當(dāng)它被傳入的聲波振動(dòng),就會(huì)生成一個(gè)電脈沖。 元素的前表面通常是由耐磨護(hù)板保護(hù)它免受傷害,背面是連著的支持材料,機(jī)械地抑制了振動(dòng)聲音生成過程完成后。 因?yàn)槁暷茉诔曨l率不旅行有效地通過氣體,液體或凝膠通常是一層薄薄的耦合傳感器和試樣之間使用。

有五種類型的超聲波傳感器探傷中常用應(yīng)用程序:

接觸傳感器——顧名思義,接觸傳感器用于直接接觸試樣。 他們介紹聲能垂直于表面,通常用來定位孔隙,孔隙度、裂縫或分層平行的外表面部分,以及測量厚度。

角梁傳感器——角梁傳感器結(jié)合使用塑料或環(huán)氧楔形(角梁)引入橫波還是縱波在指定的角度對(duì)試樣表面。 它們通常用于焊接檢查。

延遲線傳感器-延遲線傳感器將塑料波導(dǎo)或延遲線有源元件和試樣。 他們是用來改善表面附近的決議和高溫測試,延遲線保護(hù)有源元件的熱損傷。

浸沒式傳感器——浸傳感器被設(shè)計(jì)成幾聲能量進(jìn)入試樣通過一個(gè)水柱或水浴。 它們用于自動(dòng)掃描應(yīng)用程序的情況下,也需要聚焦束大幅提高缺陷解決。

對(duì)偶元素傳感器——雙重元素傳感器利用單獨(dú)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的元素在一個(gè)單一的組裝。 他們通常用于應(yīng)用程序涉及到粗糙表面、粗粒材料,檢測的點(diǎn)蝕或孔隙度,他們提供良好的耐高溫。