超聲波檢測基礎知識第一章超聲波檢測超聲波檢測定義：使超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。超聲檢測的優點：（1）適用于金屬、非金屬和復合材料等多種制件的無損檢測；（2）穿透能力強，可對較大厚度范圍內的試件內部缺陷進行檢測。如對金屬材料，可檢測厚度為1?2mm的薄壁管材和板材，也可檢測幾米長的鋼鍛件;（3）缺陷定位較準確；（4）對面積型缺陷的檢出率較高；（5）靈敏度高，可檢測試件內部尺寸很小的缺陷；（6）檢測成本低、速度快，設備輕便，對人體及環境無害，現場使用較方便。超聲檢測的局限性：（1）對試件中的缺陷進行精確的定性、定量仍須作深入研究；（2）對具有復雜形狀或不規則外形的試件進行超聲檢測有困難；（3）缺陷的位置、取向和形狀對檢測結果有一定影響；（4）材質、晶粒度等對檢測有較大影響；（5）以常用的手工A型脈沖反射法檢測時結果顯示不直觀，且檢測結果無直接見證記錄。超聲波檢測的適用范圍：從檢測對象的材料來說，可用于金屬、非金屬和復合材料；從檢測對象的制造工藝來說，可用于鍛件、鑄件、焊接件、膠結件等；從檢測對象的形狀來說，可用于板材、棒材、管材等；從檢測對象的尺寸來說，厚度可小至1mm，也可大至幾米；從缺陷部位來說，既可以是表面缺陷,也可以是內部缺陷。1.1超聲波檢測的基礎知識超聲波聲波：頻率在20?20KHz之間；次聲波：頻率低于20Hz；超聲波：頻率大于20KHz。方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能,在水中傳播距離遠,可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。超聲波被應用于無損檢測，主要是因為有以下特性：（1）超聲波在介質中傳播時，遇到界面會發生反射；（2）超聲波指向性好，頻率越高；指向性越好；（3）超聲波傳播能量大，對各種材料穿透力強。超聲場及介質的聲參量1） 描述超聲場的物理量（1）聲壓超聲場中某一點在某一瞬間所具有的壓強，與沒有超聲場存在時同一點的靜態壓強之差，稱為該點的聲壓。單位為Pa。p二p1-p0 3）（2）聲強在超聲波傳播的方向上，單位時間內介質中單位截面積上的聲能叫做聲強。常用I表示，單位為W/cm2。(1.2)I=-pcA2?2=-p2丄=-pcV2

2 2mpc2m(1.2)（3）分貝引起聽覺的最弱聲強稱為標準聲強（I二10-16W/cm2）。將某一聲強與標準0

聲強取常用對數得到二者相差的數量級，稱為聲強級，用IL表示：IL=lg（I/I°） （1.3）聲強級的單位為貝爾，實際應用中，貝爾單位太大，常用分貝來表示聲強級的單位dB,其為貝爾的十分之一。2）介質的聲參量聲波在介質中的傳播是由其聲學參量（包括聲速、聲阻抗、聲衰減等）決定的,因而深入研究介質的聲參量具有重要意義。（1）聲阻抗超聲波在介質中傳播時，任何一點的聲壓p與該點速度振幅V之比稱為聲阻抗，常用Z表示，單位為kg/（cm2-s）Z二匕 （1.4）V聲阻抗表示聲場中介質對質點振動的阻礙作用。在同一聲壓下，介質的聲阻抗越大，質點的振動速度越小。介質不同，聲阻抗不同。同一種介質，如果波形不同，聲阻抗也不同。當超聲波由一種介質傳入另一種介質時，或者從介質的界面反射時，主要取決于這兩種介質的聲阻抗。氣體、液體、固體的聲阻抗差別很大，實驗測定，其聲阻抗之比接近于1：3000：8000。（2）聲速聲波在介質中傳播的速度稱為聲速。在同一種介質中，波形不同，其傳播速度也各不相同。超聲波的聲速還取決于介質的特性（如密度、彈性模量）。聲波分為相速度和群速度。相速度：是聲波傳播到介質的某一選定的相位點時，在傳播方向上的聲速群速度：是指傳播聲速的包絡上，具有某種特性的點上，聲波在傳播方向上的速度。群速度是波群的能量傳播速度，在非頻散介質中，群速度等于相速度。■TcK （1.5）P超聲波的傳播1）超聲波的分類縱波橫波按質點的振動方向與聲波的傳播方向之間的關系分類＜表面波板波VI平面波按波面的形狀分類V柱面波球面波I連續波按振動持續的時間分類I連續波［脈沖波根據介質中質點的振動方向和聲波的傳播方向，超聲波的波形可分為以下幾種（1）縱波質點的振動方向和傳播方向一致的波形稱為縱波。如圖1-1所示。它能在固體、液體、氣體中傳播，在探傷中用于縱波探傷法。質點振 卜一 動方向? t?????????tt聲波傳播方向 一圖1-1縱波（2）橫波質點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波。如圖1-2所示。它只能在固體中傳播，用于橫波探傷法。質點振動方向質點振動方向圖1-2橫波（3）表面波（瑞利波）質點的振動介于縱波和橫波之間，沿著固體表面傳播，振幅隨深度增加而迅速衰減的波稱為表面波。如圖1-3所示。表面波質點振動軌跡為橢圓。質點位移的長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。它用于表面波探傷法。(4)蘭姆波(板波)蘭姆波只產生在有一定厚度的薄板內，在板的兩表面和中部都有質點的振動，聲場遍布整個板的厚度，沿著板的兩表面及中部傳播，所以又稱為板波。如果兩表面質點振動的相位相反，中部質點以縱波的形式振動則稱為對稱性蘭姆波。如果兩表面質點振動的相位相同，中部質點以橫波的形式振動，則稱為非對稱性蘭姆波。如圖1-4所示。蘭姆波可檢測板厚及分層、裂紋等缺陷。還可以檢測材料的晶粒度和復合材料的粘合質量。圖1-4蘭姆波超聲波在介質中以一定的速度傳播。縱波、橫波、表面波的傳播速度，取決于介質的彈性常數和介質密度。蘭姆波的傳播速度除與介質的彈性常數有關外，還與介質的厚度和蘭姆波的頻率有關。在無限大的固體介質中，各種波的傳播速度為：K+4/3G縱波：c二 (1.6)厶PiG橫波：c= (1.7)S\P表面波：cR=0.87+1.12卩 （1?8）R1+卩通常認為，橫波聲速是縱波的一半，表面波聲速約為橫波的90%。蘭姆波的聲速對于每一介質而言，取決于薄板厚度（或缺陷深度）和頻率的乘積。由于速度和頻率有關，又有群速度和相速度之分。脈沖波是以群速度來傳播的,連續波是以相速度來傳播的。相速度是以聲波〔或電磁波）沿行進路線變更相位的速度。群速度是聲能（或電磁能）變更的速度。?因為脈沖波不可能只包括一個頻率，而是包括一群不同頻率不同幅度的正弦波之和。它的傳播速度是群速度。當傳播速度與頻率無關時，群速度等于相速度。2）平面波、柱面波、球面波御 ⑹ ?圖1-5平面波、柱面波、球面波3）連續波與脈沖波連續波是介質中各質點振動時間為無窮時的波。脈沖波是質點振動時間很短的波，超聲檢測中最常用的是脈沖波。對脈沖波進行頻譜分析，可知它并非單一頻率，而是包括多種頻率成分。其中人們關心的頻譜特征量主要有峰值頻圖1-6連續波

圖1-7脈沖波超聲波在介質中的傳播特性.1超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射超聲波在無限大介質中傳播時，將一直向前傳播，并不改變方向。但遇到異質界面時，會發生反射和透射現象。既有一部分超聲波在界面上被反射回來另一部分透過介質交界面進入第二介質。1）單一界面當超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時，將在第一介質中產生一個與入射波方向相反的反射波。在第二介質中產生應該與入射波方向相同的透射波反射波和透射波的聲壓按一定比例分配。這個分配比例由聲壓反射率（聲強反射率）和聲壓透射率（聲強透射率）來表示。圖1-8單一界面反射和透射圖1-8單一界面反射和透射聲壓反射率r:界面上反射波的聲壓p與入射波的聲壓p之比稱為聲壓反r0射率。(1.9)p Z-Z(1.9)r=r= 2 1p Z+Z02 1聲壓透射率t:界面上透射波聲壓p與入射波的聲壓p之比。t0

(1.10)p 2Z(1.10)t=J= 2-pZ+Z021聲強反射率R：界面上反射波的聲強I與入射波的聲強I之比r0R0(1.11)(Z-ZR0(1.11)—2 1IZ+Z21聲強透射率T：界面上透射聲強I與入射波的聲強I之比。t0T=f (1?12)I VZ+Z)2021從以上可以看出：聲壓和聲強的分配比例僅與界面兩側介質的聲阻抗有關但需要指出的是在垂直入射時，介質兩側的聲波必須滿足兩個邊界條件：一是一側總聲壓等于另一側總聲壓。二是兩側質點速度振幅相等，以保持波的連續性。上述計算公式同樣適合于橫波入射情況，但必須注意：在固液、固氣界面上，橫波將發生全反射，這是因為橫波不能在液體和氣體中傳播。薄層界面超聲波由聲阻抗為Z的第一介質，入射到Z和Z的交界面，然后通過聲112阻抗為Z的第二介質薄層射到Z和Z界面。最后進入聲阻抗為Z的介質。3223圖1-9薄層界面

223超聲波通過一定厚度的異質薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同，異質薄層很薄，進入薄層內的超聲波會在薄層兩側界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射和透射波。當超聲波脈沖寬度相對于薄層較窄時，薄層兩側的各次反射波、透射波就會相互干涉。由于上述原因，聲壓反射率和透射率的計算比較復雜。一般來說，超聲波通過異質薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質阻抗和薄層聲阻抗有關，而且與薄層厚度與其波長之比(d/九)有關。22(1)當第一、第三介質為同一介質時：2sin22nd、222sin22nd、22sin2「2丿2nd、2(1.13)(J丿111r1)2(2nd)1+—m——sin2241m丿(\丿2(1.14)式中，d異質薄層的厚度；九異質薄層的波長;22m兩種介質的聲阻抗之比；m兩種介質的聲阻抗之比；分析式(1?13)和(1?14)，當d二n-2(n為正整數)時，r沁0t沁1；22當d2二(2n-1)孑(n為正整數)時…最高」t0；當dt0時，即d＜紅時，則薄層厚度越小，透射率越大，反射率越小。2 2 4(2)當Z豐Z豐Z時，即非均勻介質中的薄層123其聲壓往復透射率為：

4ZZ1_3—ZZ￥

Z4ZZ1_3—ZZ￥

Z丿2.2兀dsm2 2(1.15)當當d2二n孑（n為正整數）時:(1.16)4ZZ(1.16)(Z+Z)213即超聲波垂直入射到兩側介質聲阻抗不同的薄層時，若薄層厚度等于半波長的整數倍時，通過薄層的聲壓往復透射率與薄層的性質無關。\ 當d二（2n-1）-2（n為正整數）時，且Z=,ZZ時，則有:2 4 2 1 34ZZZ+-1—4ZZZ+-1—3—ZZ￥—1—3(1.17)此為全透射情況。當d24時，則薄層厚度越小，聲壓往復透射率越大。.2超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射在兩種不同介質之間的界面上，聲波傳輸的幾何性質與其它任何一種波的傳輸性質相同，即斯涅耳定律有效。不過由于聲波和電磁波的反射和折射現象之間有所差異。當聲波沿傾斜角到達固體介質的表面時，由于介質的界面作用，將改變其傳輸模式（例如從縱波轉變成橫波）。傳輸模式的變換還導致傳輸速度的變化，此時應以新的聲波速度帶入斯涅耳公式。1）斯涅耳定律(1.18)sinasinysinysinpsinp(1.18)L= L= S= L= ScS1式中：a為入射角，p為折射角，y為反射角，L為橫波，S為縱波。

面上兩側的第一介質、第二介質及界面上產生波型轉換的情況將會發生變化，在第二種介質中的透射波的波型取決于入射角大小，而這些引起波型變化的入射角臨界值分別稱為第一臨界角a、第二臨界角a和第三臨界角IIIa。III2）臨界角第一臨界角：當C〉C時，必然有P>P。令橫波透射角0等于90°時L2L1 LSL的縱波入射角a為第一臨界角。a的縱波入射角a為第一臨界角。aL不再有折射縱波，只有折射橫波。c二arcsin—Lc=a，第二介質中IL2第二臨界角：如果c>c，則有0>a，令p二90°C。得到S2 L1 SL Sca=arcsinL-。當a=a，第二介質中既沒有折射縱波，也沒有折射橫II c L11S2波，這時會在介質表面產生表面波。第三臨界角：當超聲波橫波傾斜入射到界面時，在第一介質中產生反射縱波和反射橫波。由于同一介質中，c恒大于c，所以a恒大于a，隨著aL1 S1 LSS增加，當a=90°C時，介質中只存在反射橫波。令a=90°C，則有：LLa=aL IIIca=aL III=arcsin亠cL1

3*(/?)血=§0臨界角<c)?l3*(/?)血=§0臨界角<c)?l圖1-11臨界角3）聲壓反射率和透射率在斜入射情況下，各種類型的反射波和透射波的聲壓反射率和透射率，不僅與界面兩側介質聲阻抗有關，而且還與入射波的類型以及入射角的大小有關由于其理論計算公式復雜，通常借助于實驗得到的幾種常見界面的聲壓反射率和透射率圖來確定檢測方案。超聲場的特征1）超聲場的指向性和擴散角超聲波從聲源（晶片輻射器）集中成束向前傳播，往往集中在與晶片軸線成0半擴散角的椎體范圍內強烈輻射出去，稱為超聲場的指向性。圖1-12指向性和擴散角當晶片直徑為D，超聲波波長為九時，存在:

D0越小，指向性越好。圖1-13聲場結構2）指向性與聲源直徑D和波長九的關系有上式可以看出，當九一定時（頻率一定），半擴散角與晶片直徑成反比，直徑大，半擴散角小，則指向性好；當直徑D一定時，九越小（頻率越高），半擴散角越小，指向性越好。3）近場區、遠場區和聲壓公式超聲場結構一般由主聲束和副聲束構成，主聲束的截面大，能量集中，很好的指向性好，副聲束的截面小，能量弱，方向易變近場：出現極大值與極小值這段聲程稱為超聲波束的近場。近場長度：距探頭最遠的聲壓極大值點至探頭表面的距離。對圓直探頭縱波其可以表示為：N二D24九遠場：近場以外的部分。探傷時，一般利用遠場中的聲學特性來發現缺陷。

聲壓公式：\D21聲壓公式：\D21——+x2—x1.19)1.2超聲波換能器超聲波換能器通常稱為探頭，主要由壓電晶片組成，可發射和接受超聲波。探頭是超聲波探傷儀的重要組成部分，既可以實現電信號與聲訊號相互轉換，又能夠控制超聲波的傳播方向和能量集中的程度，當改變探頭入射角或改變超聲波的擴散角時，可使聲波的主要能量按不同的角度射入介質內部或改變聲波的指向性，提高分辨率。探頭因其結構和使用的波型不同可分為直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、可變角探頭、聚焦探頭、水浸探頭等等。1）直探頭直探頭可發射和接收縱波。直探頭由插座、外殼、保護膜、壓電晶片、吸聲材料等組成。超聲波的發射/接收均由壓電晶片完成，其多為圓片形，其厚度與超聲頻率成反比，直徑與擴散角成反比；晶片兩面敷有銀層，作為導電極板。保護膜多采用高硬度剛玉片，耐磨損；吸收快用鎢粉、環氧樹脂和固化劑等澆注，可吸收聲能。2）斜探頭可反射和接收橫波。主要由壓電晶片、吸收塊和斜楔塊組成。。晶片產生縱波，經斜楔傾斜入射到被檢工件中轉換為橫波。直探頭