超声波探伤的基本原理

超声波探伤的基本原理 无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。

无损检测：Nondestructive Testing（缩写 NDT）

常用的探伤方法有哪些？

无损检测方法很多据美国国家宇航局调研分析，认为可分为六大类约70余种。但在实际应用中比较常见的有以下几种：

常规无损检测方法有：

－超声检测 Ultrasonic Testing（缩写 UT）

－射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT）；

－磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写 MT）；

－渗透检验 Penetrant Testing （缩写 PT）；

－涡流检测Eddy current Testing（缩写 ET）；

非常规无损检测技术有：

－声发射Acoustic Emission（缩写 AE）；

－泄漏检测Leak Testing（缩写 UT）；

－光全息照相Optical Holography；

－红外热成象Infrared Thermography；

－微波检测 Microwave Testing

超声波探伤的基本原理是什么？

超声波探伤仪的种类

繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

A扫描方式

所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。

在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射,反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。 具体技术指标见（表1）。

B扫描方式

在扫描图像以二维图像显示，如北京德润丰科技有限责任公司研制的TDM系列智能全数字超声波探伤仪 超声波探伤与X射线探伤相比较有何优缺点

超声波探伤比X射线探伤具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高，对人体无害等优点；缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性；超声波探 伤适合于厚度较大的零件检验

超声波探伤的主要特性有哪些？

（1）超声波在介质中传播时，在不同质界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，则超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可将反射波显示出来；如缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过射线而不能反射；

（2）波声的方向性好，频率越高，方向性越好，以很窄的波束向介质中辐射，易于确定缺陷的位置.

（3）超声波的传播能量大，如频率为1MHZ（1兆赫兹）的超生波所传播的能量，相当于振幅相同而频率为1000HZ（赫兹）的声波的100万倍.

超探仪的作用及主要应用行业

超探仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（焊缝、裂纹、夹杂、折叠、气孔、砂眼等）的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工程现场。本仪器能够广泛地应用在制造业、钢铁冶金业、金属加工业、化工业等需要缺陷检测和质量控制的领域，也广泛应用于航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。它是无损检测行业的必备 钢中横波声场半扩散角θ上和θ下的计算

——二十年来呼吁的一个问题

锅炉压力容器UT教材对钢中横波声场半扩散角θ上和θ下的计算，一直采用了下列方法，即

θ上=β上-β

θ下=β-β下

而β上=a+b ；β下=a-b 。而a和b各有一个复杂、我至今也弄不明白的公式。 二十多年来，我一直呼吁使用通俗易懂的方法来计算这类问题，但因人微言轻，始终未得到有关专家重视，现将对资料〔1〕第56页(资料〔2〕第68页)一个例题，用我使用方法的求解过程发表出来，希望得到专家重视。如有错误，请指正。

1 例题

用2.5MHz、Φ12mm、K2横波斜探头检测钢制工件，已知有机玻璃纵波声速Cl1=2730m/s，钢中横波声速Cs2=3230m/s，求钢中横波声场的半扩散角。

2 我的解法

K2探头的折射角β=tg-12=63.4度，

它的入射角α=sin-1〔(2.73/3.23)Xsin63.40〕=49.1度

有机玻璃中的纵波波长λ=2.73mm/2.5=1.09mm

纵波在有机玻璃中的第一零值半扩散角：

Θo=70Xλ/D=70X1.09/12=6.36度

纵波前沿波线(前零值半扩散角边缘波线)入射角

α前=α+Θo=49.1度+6.36度=55.46度

它对应的折射角

β上=sin-1〔(3.23/2.73)Xsin55.46度〕=77度

纵波后沿波线(后零值半扩散角边缘波线)入射角

α后=α-Θo=49.1-6.36=42.74度

它对应的折射角

β下=sin-1〔(3.23/2.73)Xsin42.74度〕=53.4度

因此：

θ上=β上-β=77度-63.4度=13.6度

θ下=β-β下=63.4度-53.4度=10度

而资料〔1〕和〔2〕的答案均是：θ上=13.8度；θ下=10度

3 结论

1)上述解题方法，使用了简单的折射定律，推理逻辑准确，易懂好记。计算结果与流行公式相比，从理论严密性上讲，应该更准确。

2)退一步说，既使是流行公式较准确，如此小的误差也应该是允许的。

3)TOFD法中，因取值-6dB、-12dB不同，而F因子不同，可算出的不同半扩散角，从而确定出不同的α前和α后，利用折射定律，计算对应的β上和β下，也是很方便的。

超声波检测中常规探头和TOFD探的区

超声波检测中常规探头和TOFD探的区

TOFD技术所用的探头于常规脉冲反射技术使用的超声波检测探头不同，TOFD不要求小的扩散角和好的声束指向性，恰恰相反，为了使检测速度的提高并且有利于衍射的发生，经常采用小尺寸晶片的大扩散角探头，由于反射信号不衍射信号强很多。因此要求TOFD探头有很好的接受和发射性能。为了提供深度方向的分辨力，TOFD探头应该具有在脉冲特性和宽频带特性，并且需要选择合适的脉冲来激励探头

上图是TOFD技术使用的典型的超声探头，一个压电传感器安装在有机玻璃或其他类似材料的楔块上组成探头。压电传感器大多采用复合材料。晶片尺寸从3mm至20mm。应用频率一般在1MHz以上，最高可达到15MHz。楔块设计保证在金属中产生一定角度的纵波。典型的角度是45度，60度和70度。探头设计有螺纹结构以便与不同的楔块连接。为了使超声波能够在探头和楔块中进行传播，需要在二者间添加耦合剂。这种设计的缺点是经历一段时间后耦合剂会变干，这时需要重新添加耦合剂。

一般使用的TOFD探头的频率范围是1MHz-15MHz，晶片尺寸范围是3mm -20mm，通过楔块在钢铁中形成45°至70°的不同角度的折射纵波。

上图所示为频率5MHz，晶片直径6mm，纵波折射角60°的TOFD探头在钢中的模拟声场分布。由图可以看出该纵波探头声场特点:

1、纵波与横波同时存在。由于TOFD技术采用纵波检测，探头折射角小于第一临界角。这样在探头声场中，同时存在纵波与横波。设钢中纵波声速为5950m/s，横波声速为3230m/s，根据SNELL公式可以算出，该探头的横波折射角为28°。

2、大扩散角和宽波束。由图可见，该探头纵波具有很宽的波束。通过计算可以求出，该探头在钢中声压下降12dB的波束上边界角为90°，下边界角为45.7°。

3、图中用灰度表示声场强度，可以看出，横波声场的强度比纵波大的多。

声波是横波还是纵波，为什么

有一个判断横波纵波的简单办法:如果横波只能通过固体传播,纵波可以通过固体液体气体传播.声音明显可以通过空气传播,所以应该是纵波.

“声源”在空气中振动时，一会儿压缩空气，使其变得“稠密”；一会儿空气膨胀，变得“稀疏”，形成一系列疏、密变化的波，将振动能量传送出去。这种媒介质点的振动方向与波的传播方向一致的波，称为“纵波”。不过要注意，声波虽然一般是纵波，但在固体中传播时，也可以同时有纵波及横波，横波速度约为纵波速度的50％－60％。在空气中的声波是纵波，原因是气体或液体（合称流体）不能承受切力，因此声波在流体中传播时不可能为横波；但固体不仅可承受压（张）应力，也可以承受切应力，因此在固体中可以同时有纵波及横波。地震波其实就是在地壳中传播的声波（确切讲是次声波），只是它的频率通常不在我们可听闻的范围内（某些动物则听闻得到）。