超声波探伤1 序言1.1 超声波检测技术的发展简史尽管自古就对声学开展了研究，但是直到十九世纪中后期人类才知道存在自己听不到的高频声音（即超声波）。

有趣的是，超声波的具体应用与 1912 年泰坦尼克号邮轮的沉没这一著名海难直接相关，当时所提出的及时发现水下冰山和障碍物的要求刺激了超声波的应用，其中英国科学家提出的利用超声波的束射性可以发现远距离水下目标的思想虽然未能付诸实施，但是直接推动了超声检测的研究和应用。

一次世界大战后期，为了探测另一类更为危险的水下障碍物――潜水艇，超声波技术的实际应用再一次得到了有力推动，当时所发展的压电超声发生装置和石英晶体换能器等一直是超声检测的技术基础。

超声波应用于材料的无损检测领域起源于二十世纪二十年代末三十年代初，苏联和德国的科学家几乎同时报导了超声波在材料检测方面的应用，从此开创了一个全新的领域。

二十世纪四十年代的整个十年都是在二次世界大战中度过的，战争对于技术发展的迫切要求再次成为超声检测技术进步的推动力。

探测潜艇的超声波声纳得以广泛应用，但是其回波检测的思想对于短距离材料检测而言实在是超越了当时的电子技术水平，因此只能采用连续波透射法，这种探伤方法有很大的局限性，仅限于一些专业学院作研究用途或装置在少数几个冶金研究室内。

战争以后，随着对超声波探伤原理和特性的不断深入了解，特别是脉冲反射法的应用、纵波、横波、板波和表面波相继发现并成功应用，超声波在无损检测方面优点也得以充分体现，因此在二十世纪四十年代末超声波探伤开始被用于解决一些严格的质量问题，并在冶金制造业得到了越来越广的应用。

二十世纪六七十年代，随着半导体技术和计算机信息技术的进步，超声波探伤仪器和装备不断小型化，并出现了由电池供电的便携式超声波探伤仪器，同时新材料技术的发展也使新型的性能更为优越的压电材料得以广泛应用，相关的探伤方法、探伤标准和基准等也趋于成熟，因此超声波探伤在对产品质量有严格要求的航空航天、原子能工业、石油化工业、锅炉和压力容器行业、冶金制造业以及建筑业等得到了全面应用，成为最为重要和广泛应用的无损检测方法。

1.2 超声波检测在厚板制造领域的应用厚板超声波探伤是厚板质量检查的重要手段，五矿营钢宽厚板厂在剪切线入口、特厚板区域均设有超声波探伤工序。

尤其是剪切线入口处从德国NDT公司引进的在线自动超声波探伤设备，代表了现代中厚板超声波探伤的先进技术水平。

厚板的超声波探伤一般采用纵波脉冲反射法，其中厚度为 5~50mm 的中厚板通常采用双晶直探头和水膜耦合法探伤，以减少表面盲区并提高检测灵敏度，而厚度在 50mm 以上的厚板则采用单晶直探头和直接接触耦合法。

对于表面状况不佳的特厚板甚至需要采用透射法来进行有效检测。

另外对于一些要求非常高的钢板，有时也需要利用斜探头横波检测钢板的表面裂缝类缺陷。

同时超声波还可用于钢板厚度的精确测量，利用手提式超声波测厚仪可以对修磨后的钢板剩余厚度进行快速准确测量。

对于更薄的钢板，通常采用板波检测的方法。

2 超声波探伤的基本原理用超声波对金属进行探伤时，必须首先对超声波用于金属探伤的原理有所了解，也就是说，从金属探伤这一角度出发，应对金属中超声波的产生、超声波在金属中的传布以及超声波在金属中与缺陷的相互作用有所了解。

2.1 超声波的基本概念2.1.1 什么是超声波（1）超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中传播而形成的波动，通常以其波动频率 f 和人的可闻频率加以区分超声波与其它声波种类：次声波 f<20Hz 人耳不可闻声波 20Hz≤f≤20KHz 人耳可闻超声波 20KHz≤f≤103MHz 人耳不可闻特超声波 f>103MHz 人耳不可闻超声波探伤用的频率为 0.25MHz~15MHz，金属材料超声波探伤常用频率为0.5MHz~10MHz，其波长约10mm~0.5mm。

由于超声波频率比可闻声波高得多，因此其波长短，加上它在固体中传播时传递能量较大，这样使得超声波传播时具有某些与光波类似的特性，为此也常常借用光学原理来研究和解释超声波的物理现象。

（2）超声波具有以下几个特性。

(1) 束射特性超声波波长短，声束指向性好，可以使超声能量向一定方向集中辐射。

(2) 反射特性超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面会产生反射、透射或折射，而反射特性正是脉冲反射法的探伤基础。

(3) 传播特性超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小、振速高，因此其声压声强均比可闻声波大，传播距离远，可检测范围大。

(4) 波型转换特性超声波在两个声速不同的异质界面上容易实现波型转换，从而为各种波型（纵波、横波、板波、表面波）探伤提供了方便。

人们正是利用了超声波的这些特性，发展了超声波探伤技术。

2.1.2 超声波的波型(1) 纵波 L当弹性介质受到交替变化的拉伸、压缩应力作用时，受力质点间距就会相应产生交替的疏密变形，此时质点振动方向与波动传播方向相同，这种波型称为纵波，也可叫做“压缩波”或“疏密波”，用符号L表示。

图6-1 就是纵波波型示意图。

凡是能发生拉伸或压缩变形的介质都能够传播纵波。

固体能够产生拉伸和压缩变形，所以纵波能够在固体中传播。

液体和气体在压力作用下能产生相应的体积变化，因此纵波也能在液体和气体中传播。

(2) 横波 S当固体弹性介质受到交变的剪切应力作用时，介质质点就会产生相应的横向振动，介质发生剪切变形；此时质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波，也可叫做剪切波，用符号S表示。

图6-2 为横波波型示意图。

在横波传播过程中，介质的层与层之间发生相应的位移，即剪切变形；因此能传播横波的介质应是能产生剪切弹性变形的介质。

自然界中，只有固体弹性介质具有剪切弹性力，而液体和气体介质各相邻层间可以自由滑动，不具有剪切弹性力（即剪切弹性模量G=0），所以横波只能在固体中传播，气体和液体中不能传播横波和具有横向振动分量的其他波型。

(3) 表面波当固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时，质点作相应的纵横向复合振动；此时质点振动所引起的波动传播只在固体介质表面进行，故称表面波。

表面波是横波的一个特例。

(4) 板波板波又称兰姆波，它是板厚与波长相当的弹性薄板状固体中传播的声波。

在板波传播过程中，质点的振动遍及整个板厚，板波沿着板的两个表面和中部传播，按板中振动波节的型式可分为对称型（S 型）和非对称型（A 型）两种。

实际探伤中，板波主要用于探测薄板如薄壁管内的分层、裂纹等缺陷，以及检测复合材料的结合状况等。

2.1.3 波速与波长在超声波探伤中，声速是缺陷定位的基础。

波动在单位时间内的传播距离就是波动传播的速度，声学中又可将波速叫做声速。

从波动的定义可知：相位相同的相邻振动质点之间的距离称为波长，用字母λ表示；质点在其平衡位置附近来回振动一次，超声波就向前传播了f²λ的距离（f表示频率），该距离就是每秒钟传播的距离，也就是波速（声速），用符号C表示。

上述定义表明，声速：C =λ f 或λ= C/f （6-1）影响超声波声速的主要因素是波型、传播介质的弹性性能、工件的尺寸和温度等，而与频率无关。

但是对于兰姆波的波速并非常数，是传布模式的函数；且与频率有关。

2.1.4 声压及分贝的概念(1)、声压声压是声波传播过程中介质质点交变振动的某一瞬时所受的附加压强，用符号 P 表示。

声压的单位是帕斯卡（Pa）。

其表达式为：P =ρc v （6-2）式中：ρ－介质密度v－介质振速c－介质声速声压与A型脉冲反射式探伤仪示波屏上的回波高度存在线性关系。

(2)、声强级和分贝声强级即声强的等级，用来衡量声强的大小等级，如噪声声强级，声响度级，超声声强级等。

一般来说，人耳可闻的最弱声强为 I0=10-16W/cm2、，称为标准声强，而人耳可忍受的最大声强可达10-4W/cm2，两者相差1012倍，因此常用对数来表示声强级：声强级的单位为贝尔（Bel），因此贝尔的单位比较大，工程上应用时将其缩小10 倍后以分贝为单位，用符号dB表示。

如果采用声压级表示，则声压级Lp为：如果超声波探伤仪具有较好的线性，则两个回波的声压级为：2.2 超声波的产生2.2.1 超声波的获得超声波的获得是利用某些物质特定的物理效应来实现的。

自然界中，在一定条件下，可以把一种形式的能量转换成另一种形式的能量。

因此，原则上凡是能将其他形式能量转换成超声振动方式的能量都可以用来发生超声波，例如利用机械冲击和摩擦产生超声波的机械方法；利用物体表面突然受热时，由于热膨胀产生机械应力而发生超声波的热效应法；利用铁磁材料在交变磁场中产生交变机械变形而产生超声波的磁致伸缩法；利用通有交变电流的线圈靠近导体，用电磁力作用于工件表面而产生超声波的电磁超声法等。

在超声探伤中应用最多的是利用某些单晶体或多晶陶瓷声电、电声转换效应――压电效应来获得超声波。

大家知道，某些电介晶体（如石英，锆钛酸铅，铌酸锂等），通过纯粹的机械作用，使材料在某一方向（如厚度）伸长（或缩短），这时晶体表面产生电荷效应而带正或负电荷，这种效应现象称为正压电效应。

当在这种晶体的电极上施加高频交变电压时，晶体就会按电压的交变频率和大小，在厚度方向伸长或缩短，产生机械振动而辐射出高频声波――超声波，晶体的这种效应称为负压电效应。

具有正、负压电效应的晶体称为压电体。

从上述可见，压电效应是可逆效应，正是晶体的这种可逆性，我们就可以用压电晶体来制作超声波换能器，实现超声波和电脉冲之间的相互转换，使发射超声波和接收到的超声波以电信号的形式在仪器上显示出来，从而达到超声波探伤的目的。

2.2.2 超声场充满超声波的空间叫做超声场，在实际探伤中超声场是一个复杂的分布，有以下几个重要概念需要了解：一是近场长度 N，在近场内超声波的分布规律非常复杂，一般探伤时不采用近场区，近场长度与晶片尺寸和超声频率有关，晶片尺寸越大，频率越高，近场长度越大，在探伤时可能的近场盲区就越大；一是声束扩散角θ，扩散角也与超声波的频率和晶片尺寸有关，频率越高、晶片尺寸越大，扩散角越小，超声声束的指向性越好，因此近场长度与扩散角是相互矛盾的。

2.3 超声波垂直入射时的反射和透射规律厚板的超声波探伤通常采用直探头纵波探伤法，因此了解超声波垂直入射时的反射和透射规律对于深入了解厚板超声波探伤非常关键。

由于斜探头横波探伤法在厚板中应用较少，因此斜入射时的反射、折射等规律不再介绍。

2.3.1 单一平面界面的垂直入射当超声波垂直入射于平面界面时，主要考虑超声波能量经界面反射和透射后的重新分配和声压的变化，此时的分配和变化主要决定于两边介质的声阻抗Z1和Z2。

（3）1. Z1》Z2超声波从固体入射至空气中，声压反射系数接近于1，声压透射率接近0。

这一情况对于探头晶片也是如此，因此超声探头若与工件硬性接触而无液体耦合剂，而工件表面粗糙，则相当于将晶片置于空气中，声压将产生全反射而不会透射入工件，这也就是超声波探伤为何需要耦合剂的原因。