超声波技术在无损检测上的应用
一、 摘要
1. 关键词
超声波技术 无损检测 材料内部缺陷 评价
2.摘要
介绍简单的超声波无损检测原理及其试验方法，对超声波无损检测过程
进行总结，并对超声波无损探测技术进行探讨，未来展望。

二、 论文内容
1. 背景
超声波是频率在HzHz12410~102的声波，具有波长短、易于定向发射、
不易被干扰等优点。超声波测试把超声波作为一种信息载体，已在海洋探
查与开发、无损检测与评价、医学诊断等领域发挥着不可取代的独特作用。
在检测中，利用超声波检测固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参
数测量等。
2. 论述
1) 主要理论
某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产
生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的
表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电
效应。当晶体不受外力作用，其正负离子向相
反方向移动，于是产生了晶体的变形，这就是
逆压电效应。
超声换能器中的压电晶片采用在室温下仍具有
压
电效应，逆压电效应的压电陶瓷，当被施与电压时，便会产生震荡，并产生超
声波。震动过程中其振幅逐渐减少，因此发射出一个超声波波包，已被称为脉
冲波。在检测过程中，散射波被同一换能器接收，并产生震荡电压，电压放大
后可由示波器显示。
超声波换能器亦被称为超声波探头，主要分为直探头和斜探头两种。其中直探
头产生纵波，斜探头产生横波和表面波，而横波只能在固体介质中传播。各探
头存在延迟，其中直探头延迟一般较小，在测量精度要求不高时，可以忽略。
直探头测量缺刻深度时缺刻深度tCHL
斜探头进行探测时，如果测量得到超声波在材料中传播的距离为M则其深度H

（a） 晶体振动
(b) 脉冲波
和水平距离L为tanMH cotML
2) 实验方法

1）探头延迟与试块声速的测量：
❖ 将探头放在试块的正面。图1-1为示波器接收
得到的超声波信号。S称为始波，t0为电脉冲施加
在压电晶片的时刻，也是发射超声波始波的初始时
刻，B1称为试块的1次底面回波， t1是超声波传
播到试块底面，又发射回来，被同一个探头接收的
时刻。因此， t1对应于超声波在试块内往复传播
的时间； B2 称为试块的2次底面回波，它对应超
声波在试块内往复传播到试块的上表面后，部分超
声波被上表面反射，并被试块底面再次反射，即在
试块内部往复传播两次后接收到的声波。

此时，直探头的延迟为1202ttt，纵波声速为122ttLCL其中L为试
块深度。
2）直探头探测缺陷深度
将直探头对准缺刻，观察波形，则可以得到

缺刻深度：20ttCHcL其中LC为纵波声速，

ct为缺陷C回波，0
t
为直探头延迟

3）斜探头测量缺陷深度和水平距离
这里我们以CSK-IB铝试块上的D孔定位为例

A、B为试块中的两个横孔，距试块边沿距离分别为A，B孔的水平距离
分
别
为

BA
xx、
间

的
水
平
距
离
为
L
，
让
斜探头先后对准A,B找到最大回波，测量它们的回波时间BAtt、,探头前

S始
波

S始
波

t
1

B1
B

2

t
2
t0

缺
陷
波

t

1

t

2

B
2

t0

B1

S
沿到试块边沿的水平距离为BALL、，A,B孔的深度分别问BAHH、,他
们的深度差为H，则有：
LLLSAB

斜探头的折射角为 )arctan(HS,
试块中的声速cos)(2ABttHC
斜探头延迟：cos20CHttBB
探头的前沿距离)(tan0BBBxLHL
再把探头对准D孔，找到最大回波，测量DDtL、则有：

D孔深度2cos)(0ttCYDD
D孔离试块前沿水平距离 tan0DDDYLLx
这样就实现了D孔的定位。
三、 结论

对于材料缺陷深度的测量，首先应测出所用设备的本身属性和待测材料属
性，如延迟，材料中纵波声速等，然后就可以用如上方法，测出材料中的缺
陷深度。
同样的，在运用超声波探测对材料中未知缺陷的深度和水平距离定位的过程
中，首先也要通过对材料中已知最少两点的定向测定得出探头的延迟，折射
角，以及待测材料中的声速，在通过如上方法就可以实现材料中未知缺陷的
定位。
可见，运用超声波具有波长短、易于定向发射、不易被干扰等特点，就可以
进行材料、结构内部不连续状态（缺陷）的检测与评估，以及测量材料特性。
前者如各种加工工艺产生和引入的缺 陷，包括检测和评价铸造、锻压、焊
接产品内部和表面的裂纹、气孔、分层、夹渣、未焊合、缩孔、疏松、白点
等，粘接、胶接、钎焊等连接接头的弱结合、局部连 接不良等。后者包括
晶粒度、弹性模量、泊松比、应力水平等的无损测量。
综上，超声波无存检测具有以下效益：
1.在产品制造过程中，早发现缺陷，及时采取补救措施或报废，避免或减少
损失。
2.控制产品质量，减少运行故障，减少用户索赔，提高产品在用户心目中的
地位，具有很大的近期和长远的经济效益和社会效益。
3.评价在役缺陷，适当延寿，延长产品和结构的服役时间。
4.方便、迅速地获得材料的性能参数，节省时间、人力、物力和财力。
超声波无损检测与评价技术有着方便快捷、对人体无危害等优点，用于产
品的质量控制、运行监测、寿命评估等，能带来巨大的经济效益和社会效益，
已在世界各主要工业国家得到重视和应用。我国在这方面起步较晚，但近年
来也加快了步伐。这一技术可望用于航天、航空、石化、汽车、电厂、钢结
构等部门，小到产品零件如发动机曲轴，大至大型金属结构如电站锅炉、管
道，在制造过程中、制造完成后、安装、在役监控、维修中都可以使用。另
外，还可用于实验 室研究及材料在役检查中的定量分析与评价，如材料晶
粒度、应力、管壁厚度等的测量。
超声无损检测展望：
1超声波探伤
近代探伤技术最重要的发展是定量化程度的提高，因此探头的标准化，系列
化是关键，故使超声探伤换能器性能标准化，已摆到13程上，并引起质量
监督部门的重 视。超声波探伤正沿着使携小型化、智能化、数字彩色等方
向发展。1993年浙江大学现代制造：[程研究所在国内首次开发成功了九自
由度智能化超声扫查系 统，该系统具有复杂表面扫查功能和A扫描、B扫
描、C扫描显示方式。并可通过与高档微机的交互功能，实现对扫查参数、
扫查过程的预设置。实现了中断续扫、 实时分析、局部缩放等高级功能。
98年，国内外首创取得高分子构件表面应力检测及可视化成果并开发出相
应的应用系统。02年，圈内首创开发成功10自由度 大型复杂曲面工件超
声彩色成像系统。
2超声波无损检测
资料表明，超声无损检测在液压系统中应用甚少，故将非接触超声检测应用
于液压系统是人们期待开辟的新领域和探讨的重要课题。液压系统的建模、
辨识和性能分 析及故障检测中，用超声波流量计对高压小管径的压力管路
进行动态流量测量占有非常重要的地位。而目前的超声波流摄计只能适用于
较大(30ram以上)管 径。这类流量计不适于液压系统的状态监测，所以提高
小管径超声波流量汁的测量准确度将是今后探索研究的方向。而压力这一重
要参数，目前检测中应用大多是接 圈式有损检测方法，故从管外壁利用超
声波技术检测压力具有广阔的开发和应用前景，最有生命力。因此，西安第
二炮兵工程学院研制的GWCY型超声波管外测压 仪和沈阳建筑工程学院
研制的FJCY超声波非接触测压故障仪均有待 _f进一步提高性能，开发应
用市场。
3超声波无损评价
国外工业发达国家的无损检测技术，目前已逐步由NDI和NDT向NDE过
渡，即用材料超声波无损评价来代替超声波无损探伤和超声波无损检测，并
且向自动超声波无损评价(ANDE)和定嫩超声波无损评价(QNDE)的方向发
展和应用。

2010年11月20日
参考文献：牛原 《大学物理实验》 北京交通大学出版社 2010年5月
《先进的超声波无损检测和评价系统》 北方技术网
张俊这．无损检测技术及应用【M】．北京：科学出版社，2003、
莫润杨．超声聚焦探头缺陷检测能力探讨[J]．无损检测，2000、2