声源向一个确定的方向集中辐射超声波束 的性质就是声源的声束指向性。声束指向 性反映了声场中声能的集中程度和几何边 界。超声探伤要求定量定位所用的超声场 必须具有良好的声束指向性。
主声束的边界与声源轴线的夹角就称为半 扩散角，通常用θ表示。
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半扩散角θ
若声束半扩散角越小，则超声波的辐射能 量越集中，声束指向性就越好，对缺陷的 定位精度越高，对不同缺陷分辨力及检测 的灵敏度也越高。
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探头种类 和结构
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探头型号的组成
基本频率 晶片材料 晶片尺寸 探头种类 特征 2.5P20Z 5P6×6K2.5
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B型显示是一种图象显示，屏幕的横坐标代表探头的扫查轨迹，
纵坐标代表声波的传播距离，因而可直观地显示出被探工件任一纵 截面上缺陷的分布及缺陷的深度。
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C型显示也是一种图象显示，屏幕的横坐标和纵坐标都代表探头在
工件表面的位置，探头接收信号幅度以光点辉度表示，因而当探头在工 件表面移动时，屏上显示出被探工件内部缺陷的平面图象，但不能显示 缺陷的深度。
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超声场的扩散
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第三章 仪器、探头和试块
第一节 超声波探伤仪
一、概述 1、仪器的作用 2、仪器的分类
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脉冲波 按超声波的连续性分类 连续波
调频波
按显示方式分类
A型显示 B型显示 C型显示
按通道分类ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
单通道 多通道
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A型显示是一种波形显示，探伤仪的屏幕的横坐标代表声波的
传播距离，纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定 缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。
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二、超声波探伤仪工作原理
A型显示探伤仪
同步电路
扫描电路
T
B
F
发射电路
接收 放大电路
电源
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主要组成部分及作用 ➢ 同步电路： ➢ 扫描电路： ➢ 发射电路： ➢ 接收电路： ➢ 显示电路： ➢ 电源：
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同步电路 产生数十至数千个脉冲， 触发探伤仪扫描电路和发射电路
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扫描电路 产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板上
在波源附近存在着这样一个区域，声波并没有扩 展，声束可以看成是一个圆柱体，离波源不同距 离处的平均声压基本不变，就称为非扩散区。
非扩散区是一个圆柱形区域，其长度b=1.64N，N 为近场区长度。在非扩散区（x≤b），超声波的 波阵面为平面，形成平面波声场，其声压不随与 声源的距离的变化而变化。
当x>b时，超声波声束扩展；当x>3N时，超声波 声束以球面波传播。
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发射电路 产生几百至上千伏的电脉冲，加于发
射探头，激励压电晶片振动，发射超声波
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接收电路 由衰减器、射频放大器、检波器和视频
放大器等组成
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主要控制旋钮及功能
增益
发射强度 工作方式选择
衰减器
深度范围 脉冲位移(延迟)
抑制
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数字探伤仪的特征与应用
常用的A扫描数字超声仪，稳定性好， 使用方便
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探头种类 和结构
斜探头可分为纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头，常用的是横 波斜探头。
横波斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝 、汽轮机叶轮等。
当斜探头的入射角大于或等于第二临界角时，在工件中产生表面波， 表面波探头用于探测表面或近表面缺陷。
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探头种类 和结构
双晶探头有两块压电晶片，一 块用于发射超声波，另一块用 于接收超声波。根据入射角不 同，分为双晶纵波探头和双晶 横波探头。 双晶探头具有以下优点： ➢灵敏度高 ➢杂波少盲区小 ➢工件中近场区长度小 ➢探测范围可调 双晶探头主要用于探伤近表面 缺陷。
得较高的发射、接收灵敏度； ➢ 频率常数N较大，介电常数ε较小，以便获得较高
的频率； ➢ 居里温度Tc较高，声阻抗Z适当
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三、探头种类 和结构
直探头 斜探头 表面波探头 双晶探头 聚焦探头 高温探头 、电磁探头……
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探头种类 和结构
直探头用于发射和接收纵波，主 要用于探测与探测面平行的缺陷， 如板材、锻件探伤等。
直径为D的圆形晶片激发波长为的超声波时 的半扩散角表示为θ=70λ/D(度)
边长为a的正方晶片激发波长为超声波时的 半扩散角表示为 θ=57λ/a(度)
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θ0
副瓣
12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
10
10.17
8 7.02
6
4
3.83
2
0
2
Dc
4 6 8 10 12
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非扩散区b
εKθm==C=——转输———换入AEE—t —贮损的 的—能 能—量 量— N=tfo=CL/2
居里温度Tc
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超声波探头对晶片的要求
➢ 机电耦合系数K较大，以便获得较高的转换效率； ➢ 机械品质因子θm较小，以便获得较高的分辨率和较
小的盲区； ➢ 压电应变常数d33和压电电压常数g33较大，以便获
超声仪器使用要点
(1) 开启电源 (3) 测入射点 (5) 扫描比例 (7) 粗探在先 (9) 指示长度 (11)校准两点
(2) 工件测厚 (4) 测折射角 (6) DAC曲线 (8) 细探在后 (10) 平行检查 (12) 关机清场
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第三节 探头
探头的作用、原理 一、压电效应——某些晶体材料在交变
超声检测
董金华
IBCC 160816
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圆盘源辐射的纵波声场
圆平面晶片辐射声源的中心轴线上的声压分布，在距声源较近处，由 于压电晶片上的各个点辐射源到轴线上同一点的声波的相位差会引起 声波的干涉现象而使得瞬时声压存在着若干个周期性的极大值和极小 值，这使得不同的点上的声压变化很大，由该区域的回波信号无法正 确获取缺陷的有关信息。该区域被称为超声近场区。
拉压应力作用下，产生交变电场的效 应称为正压电效应。反之，当晶体材 料在交变电场作用下，产生伸缩变形 的效应称为逆压电效应。正、逆压电 效应通称为压电效应。
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二、压电材料主要性能
压电应变常数d33 压电电压常数g33
d33= —ΔUt—(m/V) g33= —Upp—(Vm/N)
介电常数ε 机电耦合系数K 机械品质因子θm 频率常数N
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近场区长度N
波源轴线上最后一个声压极大值至波源的 距离称为近场区长度，用N表示。
当D»2λ，有N=(D²-λ²)/4λ=D²/4λ 尽量避免在近场区探伤定量。 当距波源距离X＞3N时，声压与距离间的关
系接近线性，近似球面波的规律。
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声束指向性θ
表征声源辐射场特征的另一个重要特性是 声束的指向性。