超聲波檢測技術1.超聲波檢測原理簡介1.1原理：利用超聲波在缺陷界面的反射來進行對缺陷的定位、定量和定性。（同聲納、雷達定位）1.2超聲波的產生和接受產生：逆壓電效應：使用高頻電壓作用于壓電晶片，使之產生高頻的機械振動。超聲波檢測技術1.超聲波檢測原理簡介1第二章超聲波檢測技術教材課件2接受：壓電效應：將機械振動作用于壓電晶片產生電荷，以電能的形式進入儀器。接受：3晶片視頻晶片視頻4第二章超聲波檢測技術教材課件5探頭（換能器）：直探頭斜探頭雙晶探頭聚焦探頭探頭（換能器）：6第二章超聲波檢測技術教材課件7第二章超聲波檢測技術教材課件8WallthicknessmeasurementwithadigitalthicknessgaugeinpracticeWallthicknessmeasurementwit9第二章超聲波檢測技術教材課件10第二章超聲波檢測技術教材課件11第二章超聲波檢測技術教材課件12第二章超聲波檢測技術教材課件13斜探頭檢測斜探頭檢測14直探頭斜探頭直探頭斜探頭15雙晶探頭雙晶探頭16第二章超聲波檢測技術教材課件17聚焦水浸探頭聚焦水浸探頭181.3超聲波的特征1.3.1頻率高f＞20KHz,檢測使用范圍為0.3MHz～10MHz,常用1～5MHz，可作為直線傳播，可使用幾何光學的理論，討論反射、透射等實際問題。1.3.2波長短如c=5900m/s，2.5MHz，λ=2.36mm。

屬于毫米波，超聲波傳播距離長，探測厚度大，大大超過X-ray，穿透能力強。

1.3超聲波的特征191.3.3具有波形轉換的能力可以使用縱波檢測還可以使用于橫波檢測,討論波形的傳播路徑。主要波形：縱波（Longitudinalwaves）橫波(TransversewavesorShearwaves)1.3.4檢測靈敏度高可檢測的最小缺陷為波長的一半。1.3.3具有波形轉換的能力201.3.5超聲波聲場的近場和指向性近場：聲源軸線上的聲壓有若干極大值與極小值，最后一個聲壓極大值至聲源的距離稱為近場長度N，N=Rs2/λ=Ds2/(4λ)=Fs/(πλ)1.3.5超聲波聲場的近場和指向性21第二章超聲波檢測技術教材課件22N=Rs2/λ=Ds2/(4λ)=Fs/(πλ)式中Ds----圓盤源直徑，Fs----圓盤源面積非圓盤源可用Fs源面積作近似計算。(3)討論N∝Ds

，N∝（1/λ），N∝Fs；f↑，λ↓，N↑N=Rs2/λ=Ds2/(4λ)=Fs/(πλ)式中D23指向性：聲束集中向一個方向輻射的性質，叫做聲場的指向性。定量描述：用θ0稱，為半擴散角（或指向角），2θ0范圍內的聲束叫做主聲束。θ0=arcsin(1.22λ/Ds)。

指向性：24討論：θ0∝λ，θ0∝（1/Ds

）；f↑，λ↓，θ0↓,N↑

邊長為2d和2b的矩形聲源輻射的縱波聲場半擴散角按下式計算：平行于2b邊的平面內半擴散角：θ0≈57λ/(2b)（度）平行于2d邊的平面內半擴散角：θ0≈57λ/(2d)（度）討論：θ0∝λ，θ0∝（1/Ds）；f↑，λ↓251.4超聲波檢測方法1.4.1穿透法一收一發探頭，兩平行面檢測，會漏檢（缺陷距底面距離大于聲影長度）。1.4超聲波檢測方法261.4.2共振法連續波，用于測厚。δ=nλ/2,n共振次數。c=fλ,δ=c(fn-fn-1)/21.4.2共振法271.4.3脈沖反射法（A型為主）向工件中發射脈沖，脈沖遇到界面產生反射，根據反射信號來確定缺陷的存在，完成定位、定量和定性。1.4.3脈沖反射法（A型為主）28（a）射頻顯示;（b）視頻顯示

（a）射頻顯示;（b）視頻顯示291.4.4相控線陣（phasedarray）1.4.4相控線陣（phasedarray）30第二章超聲波檢測技術教材課件31第二章超聲波檢測技術教材課件32（4）相控陣聲波發射和返回示意圖（4）相控陣聲波發射和返回示意圖33第二章超聲波檢測技術教材課件34UltrasonicTOFD

（Time-of-flightdiffraction）UltrasonicTOFD

（Time-of-fligh35探頭探頭TOFD原理1.波形衍射當超聲波作用于一條長裂紋缺陷時，在裂紋縫隙產生衍射，另外在裂紋表面還會產生反射。TOFD就是利用聲束在裂紋兩個端點或端角產生的衍射波來對缺陷進行定位定量。探頭入射波反射波衍射波探頭被測工件探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭探頭TOFD原理1.波形衍射當超聲波作用于一條長裂紋缺陷36發射探頭接收探頭被測工件2.TOFD掃查焊縫形成的A掃脈沖圖像直通波上端點下端點底波發射探頭接收探頭被測工件2.TOFD掃查焊縫形成的A掃脈沖圖37TOFD掃描成像－+－+發射探頭接收探頭TOFD的成像并非是缺陷的實際圖像顯示，而是通過掃查時探頭所接收到的A掃圖形轉換為黑白兩色的灰度圖，為了能有更清晰的圖像因些要求至少256級的灰度分辨率＋100%0%－100%利用灰階度來表示振幅，當回波處于0位時用中間灰色表示，當波形向正半周變化時向100%灰度（白色）漸變，當波形向負正半周變化時向-100%灰度（黑色）漸變A掃圖像D掃圖像直通波上端點下端點底波TOFD掃描成像－+－+發射探頭接收探頭TOFD的成像并非是38連續掃查時得到的掃描圖像(非平行掃查)(縱向掃查)A掃波形D掃圖像直通波底波連續掃查時得到的掃描圖像(非平行掃查)(縱向掃查)A掃波形D39有缺陷時掃描圖像A掃圖像D掃圖像上端點下端點有缺陷時掃描圖像A掃圖像D掃圖像上端點下端點40TOFD掃查機構TOFD掃查機構41標準（報批稿）承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測Ultrasonictimeofflightdiffractiontechnique

JB/T4730.10－2007標準（報批稿）承壓設備無損檢測422超聲波檢測通用技術2.1檢測前的準備工作標準的選擇儀器的選擇耦合劑的選擇探頭的選擇探頭種類，大小和頻率斜探頭入射角、折射角和K值2超聲波檢測通用技術2.1檢測前的準備工作43探頭的類型常用的探頭型式有縱波直探頭、橫波斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、聚焦探頭等。一般根據工件的形狀和可能出現缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的型式，使聲束軸線盡量與缺陷垂直。晶片尺寸探頭圓晶片尺寸一般為φ10～φ30mm，晶片大小對探傷也有一定的影響，選擇晶片尺寸時要考慮以下因素。（1）由θ0=arcsin(l.22λ/D)可知，晶片尺寸增加，半擴散角減少，波束指向性變好，超聲波能量集中，對探傷有利。（2）由N＝D2/(4λ)可知，晶片尺寸增加，近場區長度迅速增加，對探傷不利。

探頭的類型44（3）晶片尺寸大，輻射的超聲波能量大，探頭未擴散區掃查范圍大，遠距離掃查范圍相對變小，發現遠距離缺陷能力增強。探傷面積范圍大的工件時，為了提高探傷效率宜選用大晶片探頭。探傷厚度大的工件時，為了有效地發現遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭。探傷小型工件時，為了提高缺陷定位定量精度宜選用小晶片探頭。探傷表面不太平整，曲率較大的工件時，為了減少耦合損失宜選用小晶片探頭。頻率大小超聲波探傷頻率在0.5～1OMHz之間，選擇范圍大。一般選擇頻率時應考慮以下因素：（1）由于波的繞射，使超聲波探傷靈敏度約為λ/2，因此提高頻率，有利于發現更小的缺陷。（3）晶片尺寸大，輻射的超聲波能量大，探頭未擴散區掃查范圍大45（2）頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區分相鄰缺陷。（3）由θ0=arcsin(l.22λ/D)可知，頻率高，波長短，則半擴散角小，聲束指問性好，能量集中，有利于發現缺陷并對缺陷定位。（4）由N=D2/(4λ)可知，頻率高，波長短，近場區長度大，對探傷不利。（5)由αs=C2Fd2f4可知，頻率增加，衰減急劇增加。對于晶粒較細的鍛件、軋制件和焊接件等，一般選用較高的頻率，常用2.5～5.0MHz，對晶粒較粗大的鑄件、奧氏體鋼等宜選用較低的頻率，常用0.5～2.5MHz。如果頻率過高，就會引起嚴重衰減，示波屏上出現林狀回波，信噪比下降，甚至無法探傷。一般在保證探傷靈敏度的前提下盡可能選用較低的頻率。（2）頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區分相鄰缺陷。46探頭K值探頭的K值對探傷靈敏度、聲束軸線的方向，一次波的聲程（入射點至底面反射點的距離）有較大的影響。對于用有機玻璃斜探頭探傷鋼制工件，βs＝40°（K＝O.84）左右時，即探傷靈敏度最高。探頭K值47

K值大，β大，一次波的聲程大，當工件厚度較小時，應選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場區探傷。當工件厚度較大時，應選用較小的K值，以減少聲程過大引起的衰減。便于發現深度較大處的缺陷。在焊縫探傷中，還要保證主聲束能掃查整個焊縫截面。對于單面焊根部未焊透，還要考慮端角反射問題，應使K=O.7～1.5，因為K＜0.7或K＞1.5，端角反射率很低，容易引起漏檢。

482.2線性調節（掃描線調節）2.2.1概念儀器示波屏上時基掃描線的水平刻度值τ與實際聲程x（單程）的比例關系,即τ:x=1:n稱為掃描速度或時基掃描線比例。如掃描速度1:2表示儀器示波屏上水平刻度1小格表示實際聲程2mm。如掃描速度2:1表示儀器示波屏上水平刻度2小格表示實際聲程1mm。2.2線性調節（掃描線調節）492.2.2縱波掃描速度的調節縱波探傷一般按縱波聲程來調節掃描速度。具體調節方法是：將縱波探頭對準厚度適當的平底面或曲底面，使兩次不同的底波分別對準相應的水平刻度值。

如探測厚度為100mm工件，掃描速度為1:4，現利用IIW試塊調節。將探頭對準試塊上厚為100mm的底面，調節儀器“深度微調”、“脈沖移位”旋鈕,使底被B2、B4分別對準水平刻度50、100，這時掃描線水平刻度值與實際聲程的比例正好為l:4。2.2.2縱波掃描速度的調節50第二章超聲波檢測技術教材課件512.2.3橫波掃描速度的調節橫波探傷時，缺陷位置可由折射角β和聲程x來確定，也可由缺陷的水平距離l和深度d來確定。2.2.3橫波掃描速度的調節52

橫波掃描速度的調節方法有三種：聲程調節法、水平調節法和深度調節法。（1）聲程調節法聲程調節法是使示波屏上的水平刻度值τ與橫波聲程x成比例，即τ:x=1:n。這時儀器示波屏上直接顯示橫波聲程。按聲程調節橫波掃描速度可在IIW、CSK-IA、IIW2、半圓試塊以及其它試塊或工件上進行。橫波掃描速度的調節方法有三種：聲程調節法53第二章超聲波檢測技術教材課件54第二章超聲波檢測技術教材課件55第二章超聲波檢測技術教材課件56（2）水平調節法水平調節法是指示波屏上水平刻度值τ與反射體的水平距離l成比例,即τ:l=1:n。示波屏水平刻度值直接顯示反射體的水平投影距離（簡稱水平距離），多用于薄板工件焊縫橫波探傷。按水平距離調節橫波掃描速度可在CSK-ⅠA試塊、半圓試塊、橫孔等試塊上進行。

（2）水平調節法57（3）深度調節法深度調節法是使示波屏上的水平刻度值τ與反射體深度d成比例，即τ:d=1:n，這時示波屏水平刻度值直接顯示深度距離。常用于較厚工件焊縫的橫波深傷。深度調節橫波掃描速度可在CSK-ⅠA試塊、半圓試塊和橫孔試塊等試塊上調節。

（3）深度調節法582.3檢測靈敏度的調節和校準探傷靈敏度是指在確定的聲程范圍內發現規定大小缺陷的能力，一般由產品技術要求或有關標準確定。探傷靈敏度太高或太低都對探傷不利。靈敏度太高，示波屏上雜波多，判傷困難，靈敏度低，容易引起漏檢。靈敏度可通過調節儀器上的[增益]、[衰減器]、[發射強度]等靈敏度旋鈕來實現。2.3檢測靈敏度的調節和校準59調整探傷靈敏度的常用方法有試塊調整法和工件底波調整法兩種。試塊調整法將規定的人工缺陷的最高反射回波達基準高，這時靈敏度就調好了。工件底波調整法利用工件底波調整探傷靈敏度是根據工件底面回波與規定的同深度的人工缺陷（如平底孔）回波波高差值調整探傷靈敏度。調整探傷靈敏度的常用方法有試塊調整法和工件底波60第二章超聲波檢測技術教材課件612.4掃查方式（1）鋸齒形掃查：探頭沿鋸齒形路線進行掃查。掃查時，探頭要作10°～15°轉動，每次前進齒距d不得超過探頭晶片直徑。（2）左右掃查與前后掃查：當用鋸齒形掃查發現缺陷時，可用左右掃查和前后掃查找到回波的最大值，用左右掃查來確定缺陷沿焊縫方向的長度；用前后掃查來確定缺陷的水平距離或深度。（3）轉角掃查：利用它可以推斷缺陷的方向。（4）環繞掃查：它可用于推斷缺陷的形狀。環繞掃查時，回波高度幾乎不變，則可判斷為點狀缺陷。（5）平行或斜平行掃查：為了檢驗焊縫或熱影響區的橫向缺陷，但靈敏度要適當提高。（6）串列式掃查：在厚板焊縫探傷中，與探傷面垂直的內部未焊透、未熔合等缺陷用單一K值斜探頭很難探出，可采用兩種不同K值探頭探傷，也可采用串列式掃查探傷。2.4掃查方式62第二章超聲波檢測技術教材課件63第二章超聲波檢測技術教材課件642.5缺陷位置的測定超聲波探傷中缺陷位置的測定是確定缺陷在工件中的位置，簡稱定位。一般可根據示波屏上缺陷波的水平刻度值與掃描速度來對缺陷定位。2.5缺陷位置的測定65縱波（直探頭）探傷時缺陷定位儀器按1:n調節縱波掃描速度，缺陷波前沿所對的水平刻度值為τf，則缺陷至探頭的距離xf為：xf=nτf。例如：用縱波直探頭探傷某工件，儀器按1:2調節縱波掃描速度，探傷中示波屏上水平刻度值70處出現一缺陷波，那么此缺陷至探頭的距離xf為：

xf=nτf=2×70=140mm

縱波（直探頭）探傷時缺陷定位66橫波探傷平面時缺陷定位橫波斜探頭探傷時，波束軸線在探測面處發生折射，工件中缺陷的位置由探頭的折射角和聲程確定或由缺陷的水平和垂直方向的投影來確定。由于橫波掃描速度可按聲程、水平、深度來調節，因此缺陷定位的方法也不一樣。橫波探傷平面時缺陷定位67例：用β=40°的探頭探測T＝30mm的對接焊縫，儀器按聲程1∶l調節掃描速度，探傷中在示波屏水平刻度60處出現一缺陷波，求此缺陷在焊縫中的位置。解：由已知得一、二次波的聲程為x1=T/cosβ=30/cos40°=39.2mmx2=2x1=78.4mm39.2mm＜xf＝60mm＜78.4mm可見此缺陷是二次波發現的，因此有lf＝xfsinβ=60×sin40°≈38.6（mm）hf＝2T-xfcosβ＝2×30-60×cos40°≈14（mm）答：此缺陷的水平距離為38.6mm，深度為14mm。例：用β=40°的探頭探測T＝30mm的對接焊縫，儀器按聲程682.6缺陷定量缺陷定量包括確定缺陷的大小和數量，缺陷的大小指缺陷的面積和長度。常用的定量方法有當量法、底波高度法和測長法三種。當量法和底波高度法用于缺陷尺寸小于聲束截面的情況，測長法用于缺陷尺寸大于聲束截面的情況。2.6缺陷定量缺陷定量包括確定缺陷的大小和數量，692.6.1當量法當量試塊比較法當量計算法當量AVG曲線法;2.6.1當量法當量試塊比較法70當量法概念所謂“當量法”就是將缺陷波與某一規則形狀的反射體的回波相比較，當缺陷的波高與同樣探測條件下規則形狀反射體的波高相等時，該反射體的尺寸即稱為所發現缺陷的當量尺寸。當量法概念71當量法概念所謂“當量法”就是將缺陷波與某一規則形狀的反射體的回波相比較，當缺陷的波高與同樣探測條件下規則形狀反射體的波高相等時，該反射體的尺寸即稱為所發現缺陷的當量尺寸。當量法概念722.6.2底波高度法底波高度法是利用缺陷波與底波的相對波高來衡量缺陷的相對大小。當工件中存在缺陷時，由于缺陷反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高與底波高之比就愈大。1．F／BF法

2．F／BG法3．BG／BF法2.6.2底波高度法底波高度法是利用缺陷波與73ReflectorswithdifferentareasandtheirechoesReflectorswithdifferentarea742.6.3測長法

當工件中缺陷尺寸大于聲束截面時，一般采用測長法來確定缺陷的長度。測長法是根據缺陷波高與探頭移動距離來確定缺陷的尺寸，按規定的方法測定的缺陷長度稱為缺陷的指示長度。

1）相對靈敏度測長法相對靈敏度測長法是以缺陷最高回波為相對基準、沿缺陷的長度方向移動探頭，降低一定的dB值來測定缺陷的長度。

2.6.3測長法當工件中缺陷尺寸大75AlargereflectorinthesoundbeamStraightbeamprobeonthereflectorboundryTopviewwithreflectorforextension.Alargereflectorinthesound76第二章超聲波檢測技術教材課件77第二章超聲波檢測技術教材課件782）絕對靈敏度測長法絕對靈敏度測長法是在儀器靈敏度一定的條件下，探頭沿缺陷長度方向平行移動，當缺陷波高降到規定位置時（如圖所示B線），探頭移動的距離，即為缺陷的指示長度。3）端點峰值法探頭在測長掃查過程中，如發現缺陷反射波峰值起伏變化，有多個高點時，則可以缺陷兩端反射波極大值之間探頭的移動長度來確定為缺陷的指示長度2）絕對靈敏度測長法792.7缺陷的等級評定按選用的方法標準對已經定位和定量的缺陷進行等級評定，并按驗收標準作出被檢對象合格與否的判定。2.7缺陷的等級評定803.超聲波檢測的應用3.1板材3.2鍛件3.3焊縫3.4管道3.5其他3.超聲波檢測的應用3.1板材81

管件超聲波檢測

液浸法檢測

入射角聚焦水浸探頭水層管件超聲波檢測液浸法檢測82第二章超聲波檢測技術教材課件83第二章超聲波檢測技術教材課件84UltrasonicArraysUltrasonicArrays85RubberTyreTestStructureTransducerAxleBearingandshaftsealWaterTheRapidscan1Array-WheelSensor1NDTSolutionsltd,Chesterfield,UK(tel:+44(0)1246267550,email:r.freemantle@)RubberTyreTestStructureTrans86Array-WheelEvaluationPrototypeCommercialversionArray-WheelEvaluationPrototyp87CompositeStringerInspectionMaterial–Quasi-isotropicCFRPDimensions–960x590mmThickness–10-20mmSamplesuppliedbyAirbusUKCompositeStringerInspectionM8