第二節(jié) 超聲波探傷基礎(chǔ)
超聲波探傷是依據(jù)定向輻射超聲波束在缺陷界面上產(chǎn)生反射或使透過聲能下降等原理，通過測(cè)量回波信息和透過聲波強(qiáng)度變化來指示傷損的一種方法。
一、超聲波一般知識(shí)
人們?nèi)粘Ｋ牭降母鞣N聲音，是由于各種聲源（如演奏小提琴時(shí)，聲源即為被擦動(dòng)的那根弦）的振動(dòng)通過空氣等彈性介質(zhì)傳播到耳膜引起的耳膜振動(dòng)，牽動(dòng)聽覺神經(jīng)，產(chǎn)生聽覺。聲源的振動(dòng)有快有慢，通常用每秒內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)即“頻率”來衡量，單位為“赫茲”（符號(hào)為Hz），必須指出，只有當(dāng)頻率在一定范圍內(nèi)的振動(dòng)才能引起聽覺。人們把能引起聽覺的機(jī)械振動(dòng)稱為聲波，頻率大致在20Hz～20kHz（即20000Hz，1kHz＝1000Hz）。頻率低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波，頻率高于20kHz的機(jī)械波稱為超聲波（用于探傷的超聲波頻率范圍為0.2～25MHz，其中最常用的頻段為0.5～10MHz）。生活當(dāng)中，人耳聽不到超聲波，但蝙蝠、秋蟲和海豚等卻能聽見并可用超聲波傳遞信息。尤其是蝙蝠，它能發(fā)射超聲脈沖，并能接受和識(shí)別從電線等障礙物或昆蟲等反射回來的波，因此它在飛行時(shí)不會(huì)碰撞障礙物。超聲波探傷大多采用的就是像蝙蝠這樣的脈沖反射形式，這種反射波又叫回波。
超聲波探傷可檢查金屬材料、部分非金屬材料的表面和內(nèi)部缺陷。如檢查鍛件中的白點(diǎn)、裂紋、夾渣、分層；非金屬材料中的氣泡、分層和粘合層中的粘合不良；焊縫中裂紋，未焊透、夾渣、氣孔以及管棒和鍛件中與表面成一定角度的缺陷。因此，它被廣泛地應(yīng)用于無損探傷。
（一）超聲波探傷的優(yōu)、缺點(diǎn)
1．超聲波探傷的優(yōu)點(diǎn)
（1）指向性好 超聲波波長(zhǎng)很短，像光波一樣，可以定向發(fā)射，因而能方便、準(zhǔn)確地對(duì)缺陷定位。
（2）穿透力強(qiáng) 超聲波能量高，在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)能量損失小，在一些金屬材料中傳播時(shí)，其穿透能力可達(dá)數(shù)米。
（3）靈敏度高 一個(gè)存在于鋼中的空氣分層厚度為10－6 mm，反射率可超過21%，當(dāng)分層厚度在10－5 mm以上時(shí)，反射率可超過94%。
（4）適用面廣 可檢測(cè)金屬、非金屬、復(fù)合材料等多種材料制件的檢測(cè)；采用多種波型以及各種探頭作不同方向的探測(cè)，能探出工件內(nèi)部和表面各種取向的缺陷。
（5）高效低價(jià) 檢測(cè)速度快，在較短的時(shí)間內(nèi)就可完成對(duì)工件的檢測(cè)，僅耗損少量電能和耦合劑。
2．超聲波探傷的缺點(diǎn)
（1）檢測(cè)結(jié)果受人為影響 對(duì)試件中缺陷的發(fā)現(xiàn)與評(píng)價(jià)，主要取決于探傷人員對(duì)儀器的調(diào)節(jié)和判斷。
（2）探測(cè)面狀態(tài)影響檢測(cè) 探測(cè)表面要求制備，不良的探測(cè)面影響傷損檢測(cè)靈敏度。
（3）工件狀態(tài)影響檢測(cè)結(jié)果 工件形狀過于復(fù)雜，材料晶粒和組織不均勻?qū)μ絺Y(jié)果均有一定的影響。
（4）定量精度差 探測(cè)出缺陷的當(dāng)量或延伸度與實(shí)際缺陷大小均有一定的誤差。
（二）超聲波的產(chǎn)生
人們把聲源振動(dòng)在介質(zhì)（如空氣等）中的傳播過程，稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。波是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式，可分為電磁波和機(jī)械波兩類。電磁波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播過程，如無線電波、紅外線等，而機(jī)械波是指機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過程，如水波、超聲波等。產(chǎn)生機(jī)械波需要兩個(gè)必要條件：一是要有作機(jī)械振動(dòng)的振源；二是要有能傳遞機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)。探傷作業(yè)中，超聲探頭就是產(chǎn)生超聲波的振源，原則上凡是能將其它形式能量轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)方式能量的方法都可以產(chǎn)生超聲波，如機(jī)械方法、熱效應(yīng)法、磁伸縮法和電磁聲法，在超聲波探傷中應(yīng)用最廣的是利用某些壓電材料（石英、鋯鈦酸鉛等）的壓電效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)生和接收。必須注意的是，超聲波在傳播過程中，實(shí)際上只是振動(dòng)能量的傳播，并沒有產(chǎn)生物質(zhì)的遷移，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)本身僅限于平衡位置附近振動(dòng)。
（三）超聲波的類型
超聲波的分類方法很多，下面介紹幾種常見的分類方法：
1．按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類
根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向不同，可將超聲波分為縱波（壓縮波）、橫波（剪切波）、表面波（瑞利波）、蘭姆波等。它們的比較如表1－2所示。
2．按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分類
根據(jù)波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，超聲波可分為連續(xù)波和脈沖波兩種（圖1－5）。其中連續(xù)波是指波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波，常用于穿透法探傷和共振法測(cè)厚。而脈沖波則指波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（微秒級(jí)，1μｓ＝10－6ｓ）、間歇輻射的波，超聲波探傷中廣泛采用的就是脈沖波。
3．按波的形狀分類
波形是根據(jù)波陣面的形狀來區(qū)分的，所謂波陣面，是指同一時(shí)刻介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)聯(lián)成的面。某一時(shí)刻波動(dòng)所到達(dá)的空間各點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波前（波前是最前面的波陣面），任一時(shí)刻，波前只有一個(gè)。根據(jù)波陣面形狀的不同，波又可以分為三種：平面波、柱面波和球面波（圖1－6），它們的特性見表1－3。
（四）超聲波的基本參數(shù)
1．振幅（A） 指振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置的最大距離。
2．頻率（ｆ） 振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)單位時(shí)間（通常指1秒，以下同）內(nèi)圍繞平衡位置完成全振動(dòng)的次數(shù)稱為振動(dòng)頻率，其數(shù)值與波動(dòng)頻率相等。波動(dòng)頻率是指波動(dòng)過程中任一給定質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)通過完整波的個(gè)數(shù)。單位為赫茲（Hz）。
在實(shí)際探傷中往往會(huì)遇到工作頻率和重復(fù)頻率兩個(gè)概念。工作頻率是指探頭發(fā)射的超聲波頻率；重復(fù)頻率是指探頭每秒鐘向試件發(fā)射超聲波的次數(shù)。為了提高探傷速度，一般要求重復(fù)頻率越高越好，但過高的重復(fù)頻率會(huì)導(dǎo)致發(fā)射和接收間的干擾，產(chǎn)生幻象回波，因此，重復(fù)頻率應(yīng)根據(jù)被檢工件的大小，一次聲程所需要的時(shí)間，儀器接收和發(fā)射超聲波的能力，以及探傷速度等多方面因素決定。
3．周期（T） 指振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間。單位為秒（ｓ）。周期與頻率的關(guān)系式：
4．波長(zhǎng)（λ） 同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離稱為波長(zhǎng)。波源或介質(zhì)中任一質(zhì)點(diǎn)完成一次全振動(dòng)，波正好前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)的距離。單位為毫米（mm）或米（m）。
5．聲速（C） 聲波在彈性介質(zhì)中，單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離，也可稱為波速。單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波長(zhǎng)、聲速和頻率之間的關(guān)系式：
聲速（C）與介質(zhì)的彈性模量和介質(zhì)的密度有關(guān)，對(duì)于一定的介質(zhì)，彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同介質(zhì)有不同的聲速，介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小則聲速愈大，對(duì)液體介質(zhì)來說，當(dāng)介質(zhì)溫度變化時(shí)，其容變彈性模量和密度會(huì)發(fā)生變化，因而聲速也隨著變化。另外，超聲波波型不同時(shí)，介質(zhì)彈性變形形式不同，聲速也不一樣。一般來說，在同一種固體材料中（由于液體和氣體介質(zhì)只能傳播縱波，因而不存在各種波型的不同聲速問題），縱波聲速（CL）大于橫波聲速（CS），橫波聲速（CS）又大于表面波聲速（CR）。表1－4 為一些常用材料的聲速和波長(zhǎng)。
表1－4 一些常用材料的聲速和波長(zhǎng)
材料
聲速（km/s）
縱波波長(zhǎng)（mm）
橫波波長(zhǎng)（mm）
縱波
橫波
2MHZ
2.5MHZ
2MHZ
2.5MHZ
鋼
5.9
3.23
2.95
2.36
1.615
1.292
有機(jī)玻璃
2.73
1.43
1.37
1.09
0.715
0.572
尼龍1010
2.4
——
1.2
0.96
——
——
水
1.48
——
0.74
0.59
——
——
油
1.4
——
0.70
0.56
——
——
空氣
0.34
——
0.17
0.14
——
——
（五）超聲場(chǎng)及其特征值
1．超聲場(chǎng)概述
通常把充滿超聲波的空間部分稱為超聲場(chǎng)。圓盤聲源（指一種圓平面狀的振子）輻射的縱波聲場(chǎng)軸線上的聲壓分布規(guī)律如圖1－7所示。
圖1－7（1T7） 圓盤聲源聲束軸線上的聲壓分布
由圖可知，波源附近的軸線上聲壓上下起伏變化，存在若干個(gè)極大極小值。距波源的距離愈近，聲壓極大極小值的點(diǎn)就愈密。聲學(xué)上把由子波的干涉在波源附近的軸線上產(chǎn)生一系列聲壓極大極小值的區(qū)域稱為超聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)。波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離稱為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，用N表示。
溫馨提示：
