超聲波探傷檢測物理基礎

1.1超聲波檢測原理

利用超聲波在缺陷界面的反射來進行對缺陷的定位、定量和定性。

1.2超聲波的产生和接受

产生：逆壓電效應：使用高頻電壓作用於壓電晶片，使之产生高頻的機械振動。

接收：壓電效應：將機械振動作用於壓電晶片产生電荷，以電能的形式進入儀器。

1.3超聲波的特征

1.3.1 頻率高f＞20KHz,檢測使用範圍為0.3MHz～10MHz,常用1～5MHz，可作為直線傳播，可使用幾何光學的理論，討論反射、透射等實際問題。

1.3.2 波長短如c=5900m/s，2.5MHz，λ=2.36mm。屬於毫米波，超聲波傳播距離長，探測厚度大，大大超過X-ray，穿透能力強

1.3.3 具有波形轉換的能力可以使用縱波檢測還可以使用於横波檢測,  討論波形的傳播路徑。

1.3.4 檢測靈敏度高可檢測的最小缺陷為波長的一半。

1.4超聲波檢測方法

1.4.1 穿透法

一收一發探頭，兩平行面檢測，會漏檢（缺陷距底面距離大於聲影長度）。

1.4.2 共振法

 連續波，用於測厚。δ=nλ/2,n共振次數。c=fλ, δ=c(f_n-f_n-1)/2。

   探頭晶片厚度的計算

壓電晶片的晶片厚度T為其傳播波長一半時即产生共振，此時，在晶片厚度方向的兩個面得到最大振幅，晶片中心為共振的駐點。

   通常把晶片材料的頻率f和厚度T的乘積稱為頻率常數Nt，若:

               T= λ/ 2 ,則：Nt＝f ·T ＝C/2      

式中：C為晶片材料中的縱波聲速。

   由式可知，頻率越高, 晶片越薄，製作越困難，且Nt小的晶片材料不宜用於製作高頻探頭。

1.4.3 脈沖反射法（A型為主）向工件中發射脈沖，脈沖遇到界面产生反射，根據反射信號來確定缺陷的存在，完成定位、定量和定性。

2超聲波的一般概念

2.1機械振動與機械波

2.1.1 機械振動

定義：物體在一定位置附近作來回重復的運動，稱為振動。

簡諧振動表達式

物體在彈性力作用下發生的諧振動規律可用下是式表示：
                     x＝Acos（ωt＋φ)

諧振動的運動方程式表示位移x與時間t的關系式。物體作諧振動時，位移是時間的余弦（或正弦）函數。

基本參數

振幅A ：振動質點離開平衡位置的最大位移;

相位（ωt＋φ）：稱為振動的相位;

初相位φ：為t=0時的相位，表示物體在開始振動時的運動狀態；

周期T：振動質點完成一次完全振動（來回一次）所需的時間，T＝2π/ω;

頻率f ：f表示單位時間內振動質點所作完全振動的次數。其單位為周／秒，稱為“赫”（Hz）;f=1/T=ω/(2π)

角頻率ω

2.1.2 機械波

機械波定義

由於機械振動在彈性介質中引起的波動(或傳播)過程，例如水波、聲波、超聲波等。

波動是物質的一種運動形式，振動是产生波動的根源。

機械波的形成過程

質點在彈性介質中作機械振動時，將它的振動傳遞給與之鄰近的質點，使此鄰近的質點也同樣地發生振動，然後振動又傳給下一質點。依此類推，這樣振動就由近及遠向各個方向以一定的速度傳播出去，從而形成了機械波。

機械波产生的條件

有作機械振動的物體作為波（聲）源；有能夠傳播這種機械振動的介質。

超聲波屬於機械波，超聲波的产生必須具備上述兩個條件：

有一個作頻率很高的機械振動的物體即超聲源（晶片）；

有傳播超聲波的介質（耦合劑，材料）。

註意：波動只是振動狀態的傳播，介質中各質點並不隨波前進，而只以交變的振動速度在各自的平衡位置附近振動；

振動的傳播速度稱為波速（或聲速），不要把波速與質點的振動速度混淆起來；

質點振動的方向與波動傳播方向不一定相同。

波動方程

用數學方程式來描述介質中質點相對於平衡位置的位移是怎樣隨時間變化的方程式稱為波動方程：

                                             y=Acosω(t-x/c)

波動方程的意義

如果x給定，那麼位移y單純是t的函數。波動方程表示距原點為x處的質點在各不同時間的位移，即表示質點振動情況；

如果給定t值，則位移y將單純是x的函數，這時波動方程表示在某一給定時刻波線上各質點的位移；

如果t和x都在變化，則波動方程表示波線上各個質點不同時刻的位移。

2.2超聲波的類型

2.2.1 由質點的振動方向和波動傳播方向的關系來區分

縱波（Longitudinal waves）

彈性介質當受到交替變化的拉應力和壓應力時，質點产生疏密相間的縱向振動，振動又作用於相鄰的質點而在介質中傳播。這種波稱為“縱波”。

介質質點的振動方向和波動的傳播方向相同，用符號“L”表示。波速用C_L表示。

任何彈性介質在體積變化時都能产生彈性力，所以縱波可在任何彈性介質（固體、液體、氣體）中傳播。

用於直探頭鍛件檢測和水浸法超聲波檢測等。

横波(Transverse waves or Shear waves)

固體介質當受到交變的剪切力作用時，將會相應地發生交變的剪切形變，介質質點产生具有波峰和波谷的横向振動，振動又作用於相鄰的質點而在介質中傳播。這種波稱為“横波”，又稱切變波。

介質質點的振動方向和波動的傳播方向垂直，用符號“T”或“S”表示，波速用C_S表示。

固體介質除具有體積彈性外，還具有剪切彈性，能傳播横波。液體和氣體由於沒有剪切彈性，所以液體和氣體內部只能傳播縱波，而不能傳播横波和具有横向振動分量的其他波。

用於斜探頭檢測（如焊縫，鋼管）。

表面波（瑞利波）(Surface waves ) (Rayleigh)

固體介質表面受到交替變化的表面張力，使質點發生縱向振動和横向振動，兩種振動合成為橢圓振動，橢圓振動又作用於相鄰的質點而在介質表面傳播，這種波稱為表面波，用符號“R”表示。

實踐和理論證明，當表面波傳播的深度等於兩個波長時，質點振動的振幅已經很小了，因此可以認為表面波探傷時只能發現距工件表面兩個波長深度範圍內的表面缺陷。（檢測的局限性）。

板波在板狀介質中傳播的彈性波稱為板波，其類型很多，主要的一種是蘭姆波。狹義他講，通常所說的板波即指蘭姆波。

产生條件：Sinα_Ⅰ=C_L/C_P,

2.2.2 根據波振面的形狀區分

波的形式亦稱波形，它是根據波陣面的形狀來區分的

術語展現

波的傳播的方向稱為波線1（垂直波前和波陣面）；

某一時刻振動所達到的空間各點所連成的軌跡稱為波前2，任何時刻只能有一個波前；

介質中振動相位相同的所有質點所連成的軌跡稱為波陣面3，波陣面的數目，是任意多的。

1）  平面波

波陣面為平面的波稱為平面波，其波陣面是與聲源平面相平行。另外，從無窮遠的點狀聲源傳來的波，其波陣面可視為平面，故也稱為平面波。

波動方程為：         y=Acosω(t-x/c)           無衰減，振幅A不變。

2）  球面波

波陣面為球面的波波稱為球面波，球面波的振幅隨距離逐漸減小。

球面波的波動方程為：     y=（A/r）cosω(t-r/c ）

式中 r----離開聲源的距離，半徑；

3）  柱面波波陣面是同軸圓柱面的波稱為柱面波，其聲源是一無限長的直圓柱形。 

波動方程為：  y=（A/r^1/2）cosω(t-r/c ）

4）活塞波片狀振源在一個很大的剛性壁上發出的振動，在無限大的各向同性的介質中激發的波。

   當距離大於三倍近場時，活塞波與球面波一樣。

2.2.3 按振動的持續時間分

連續波

波源持續不斷地振動所輻射的波，頻率一定。持續不斷的波易产生幹涉。

主要用於公式的理論推導。

脈沖波

波源振動持續時間很短，間歇輻射的波，頻率有一定範圍。間歇時間與脈沖發射頻率有關。

重復頻率：一個振動在單位時間內重復發生的次數。

主要用於實際應用。

2.3超聲波的傳播速度

聲波在介質中向前傳播的速度稱為聲速,它是表征介質聲學特性的一個物理量。 

對於不同波型的超聲波，其傳播速度也不同。

2.3.1 影響因素

聲波類型（c_L、c_S、c_R）；

材料的彈性模量（E、G、K）

材料的密度和泊松比(σ)

材料的形狀（如氣閥）

溫度

2.3.2 固體中的聲速

2.3.2.1 無限大固體介質中的聲速(介質均勻、無反射、介質尺寸»λ)

（1）縱波聲速c_l

（2）横波聲速c_t

（3）表面波聲速c_r

固體介質中傳播速度的討論:

①介質的彈性性能愈強（即E或G愈大），密度ρ愈小，則超聲波在該介質中傳播的速度就愈高。

②比較式c_l和c_t ，可得：

若介質為鋼

則σ≈0.28，c_l/c_t≈1.82  c_r≈0.9 c_t

傳播速度的這一性質在超聲波探傷中(線性調節)有其實際指導意義。

同一種材料横波比縱波速度慢，波長短，探傷靈敏度高，衰減大。

③由於氣體和液體沒有剛性，不能承受切應力，所以横波，表面波（瑞利波）只能在固體介質中傳播，而不能在氣體或液體介質中傳播。

2.3.2.2 在細長棒中的聲速

2.3.3 液體、氣體介質中的聲速

3超聲波聲場的特征值和分貝

3.1 聲壓（Sound pressure ）

3.1.1 定義

超聲場中某一點在某一瞬時所具有的壓強P₁與沒有超聲波存在時同一點的靜態壓強P₀之差稱為聲壓P。

3.1.2計算                         P＝-Aωρcsinω(t-x/c)＝ρcv

3.1.3 討論

由公式可見，超聲波在介質中傳播時，介質的聲壓隨時間、距離而變化。

聲壓的**值與波速成正比，也與角頻率成正比，而ω=2πf,所以聲壓的**值也與頻率成正比。故超聲波與可聞聲波相比，其聲壓很大。

3.2 聲強(Intensity of acoustic power)

3.2.1 定義

在垂直於超聲波傳播方向上單位面積，單位時間內通過的聲能量稱為聲強度（以下簡稱聲強）。

3.2.2 計算    J＝ρc A²ω²/2

其他表達式    J＝ρc v_m²/2     J＝P_m²/(2ρc)

3.2.3 討論

聲強與質點振動位移振幅的平方成正比；

與質點振動角頻率的平方成正比（由於角頻率ω=2πf，亦即與質點振動頻率的平方成正比）；

與質點振動速度振幅的平方成正比；

與聲壓振幅的平方成正比。

3.3聲阻抗（acoustic impedance）

3.3.1 定義：介質中某點的聲壓與該處質點振動速度之比。

3.3.2 計算：  Z=ρc

從式P＝ρcv可知，在同一聲壓P的情況下，ρc越大，質點振動速度v越小；反之，ρc越小，質點振動速度v越大。所以把ρc稱為介質的聲阻抗，以符號Z表示，聲阻抗表示聲場中介質對質點振動的阻礙作用。

3.4 分貝

3.4.1 定義：同量綱的兩個參量的比值用對數表示的單位。

超聲檢驗中，在進行聲壓和聲強衰減等計算與量度時，經常用到分貝概念。探傷時，探傷儀荧光屏上顯示的反射波的高度往往是用相對於某一確定的基準高度為多少分貝來表示的。

3.4.2 計算

如聲強為I₁和I₀，聲壓為P₁和P₀，波高為H₁和H₀則：

分貝數n=10lg(I₁/I₀)=20lg(P₁/P₀) =20lg(H₁/H₀)  (dB)

3.4.3舉例例如，探傷儀荧光屏上顯示出來的某兩個回波高度H₁=60毫米，H₂＝30毫米，

由於回波高度與回波的聲壓成正比，所以       H₁/H₂=P₁/P₂＝60/30=2

分貝數n= 201g（P₁/P₂）＝201g(H₁/H₂）=201g2≈6 （dB）

反之，H₂/H₁＝P₂/P₁=30/60=0.5, 則：

分貝數n= 20lg（H₂/H₁）=20lg0.5≈-6 （dB）

3.4.3 作用引入儀器衰減（增益）器

4．超聲波在界面上的反射和折射

4.1 垂直入射界面時的超聲波

4.1.1 聲壓反射率R

在兩種介質的界面上，用反射聲壓（振幅）P_r與入射聲壓（振幅）P₀的比值表示聲壓反射率R，即：

R = P_r / P₀

4.1.2 聲壓透射率D

在兩種介質的界面上，以透射聲壓（振幅）P_d與入射聲壓P₀的比值表示聲壓透射率D，即：

D = P_d / P₀

4.1.3 R和D的計算

R = P_r／P₀ = (Z₂ – Z₁)/(Z₂ + Z₁)

D = P_d／P₀ = 2 Z₂/(Z₂ + Z₁)

4.1.4 討論

若Z₁≈Z₂，則由上式可以看出R≈0，而D≈1。這時聲波幾乎沒有反射而全部透射；

若Z₂»Z₁，則聲波在界面上幾乎全反射，而透射極大；

又若Z₂«Z₁，亦得全反射，但這時反射波的聲壓和入射波的聲壓將有180°相位改變，反射率為負號。

R小於1，D可以大於1

4.1.5 舉例

以鋼／水界面為例來計算R和D：

4.1.6 聲強反射率R_I和聲強透射率D_I

R_I = I_r / I₀ = P_r²/ P₀² =R²

D_I = I_d / I₀ =1 – R_I =1 – R²

4.1.7 聲壓往復透射率T

T=D₁×D₂ = 4 Z₁ Z₂/(Z₂ + Z₁)² =D_I

4.2 傾斜入射界面時的超聲波

4.2.1 波形轉換

條件：     傾斜入射      固體介質

超聲縱波（或横波）在固體中以某一角度傾斜入射於異質界面，超聲波將产生反射縱波（或横波），同時产生反射横波（或縱波），**介質為固體時，产生透射波，入射波分離為折射縱波和折射横波。

4.2.2 反射和折射定律

4.2.3 臨界角

如果入射波為縱波，且c_l1＜c_l2，則由反射和折射定律可知β_l＞α,且β_l隨着α的增大而增大。

**臨界角：當β_l＝90°時，縱波入射角叫做**臨界角，用符號α_Ⅰ表示

α_Ⅰ＝sin^-1(c_l1/c_l2）

**臨界角：

當β_t = 90°時,縱波入射角叫做**臨界角，用符號α_Ⅱ表示

α_Ⅱ＝sin^-1(c_l1/c_t2）

4.2.4 舉例

例如，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼、鋁界面

有機玻璃中：c_l1=2730m/s；

鋼中：c_{l Fe}=5900m/s，c_{t Fe} =3230m/s。

鋁中：c_{l Al}=6260m/s，c_{t Al} =3080m/s。

則鋼**、**臨界角分別為α_Ⅰ=27.6°和α_Ⅱ=57.7°

則鋁**、**臨界角分別為α_Ⅰ=25.8°和α_Ⅱ=62.4°

結論：鋼中有機玻璃横波探頭的入射角α應滿足以下條件：57.7°＞α≥27.6°此時材料中只有横波。

4.2.4 斜探頭角度表示方法

用入射角表示，國外用得較多，入射角為楔塊的角度，使用時用折射定律計算折射角。

用折射角表示，國內用得較多，折射角為聲波在工件中傳播的角度，定位計算使可直接使用。同樣可用折射定律計算入射角，獲得楔塊的角度。

探頭標註用K值，K值為折射角的正切，即：

K=tg β

註意：探頭一定時，探頭的K值與**種介質的波速有關，一般**種介質默認為鋼材。如為其它材料，K值必須進行換算。

例1:已知某探頭的K值為2，即K = tg β= 2，如用此探頭檢查鋁材，鋁中的折射角為多少？K值增加還是減小？

例2：探頭在使用中，若探頭前端磨損，探頭K值會發生什麼變化？

4.3平面波和球面波在曲面和透鏡上的反射和折射

4.3.1 反射

在討論超聲波的反射狀況時，可應用幾何光學的反射定律。應用簡單的反射，可以清楚地闡明聲波通過曲面鏡的反射情況。

反射發生在同一種介質中，曲面可為凹面或凸面。

凹面反射後聚焦；凸面反射後發散。

4.3.2 折射

在討論超聲波的折射狀況時，可應用幾何光學的折射定律。曲界面對相鄰介質中的透射波所起的作用，就象光學上的聚焦透鏡和發散透鏡一樣，同樣要考慮界面的彎曲方向和聲速比（c₂/c₁）

折射發生在兩種介質中，c₂/c₁可以大於1，也可以小於1，曲面可為凹面或凸面。

c₂/c₁>1，凹面折射後聚焦，凸面折射後發散

c₂/c₁<1，凹面折射後發散，凸面折射後聚焦。

應用舉例

聚焦水浸探頭

焦距F=c₁r/(c₁-c₂)=nr/(n-1)

5．超聲波的衰減

超聲波在介質中傳播時，隨着傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種狀況叫做超聲波的衰減，直接影響缺陷的定量。

5.1 超聲波的衰減類別及其原因

5.1.1．由聲束擴散引起的超聲波衰減（擴散衰減）

超聲波的擴散衰減僅決定於波的幾何形狀（例如是球面波還是柱面波）而與傳播介質的性質無關。

5.1.2．由散射引起的超聲波衰減

當聲波在其傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質所組成的界面時，就將产生散亂反射（簡稱散射），從而損耗了聲波的能量，我們把聲波的這種衰減叫做散射衰減。

散射衰減與材質的缺陷、雜質、晶粒大小有關，當材質的晶粒粗大時散射衰減嚴重，被散射的超聲波在介質中沿着復雜路徑傳播到探頭，在屏幕上产生林狀回波，使信噪比下降。 

5.1.3．由介質吸收引起的超聲波衰減

由於介質的粘滯性而造成質點之間的內摩擦，使一部分聲能轉變為熱能，這就是介質的吸收狀況。通常由於介質的吸收引起超聲波的衰減叫做粘滯（吸收）衰減。

5.1.4 耦合衰減

由於材料表面粗糙度、表面曲率大小和表面附着物等因素所引起的超聲波能量的下降或損耗。

示方法和衰減系數

5.2.1用底波多次反射的次數來表示

5.2.2理論上定量計算的表示方法

即用衰減系數來表示聲波的衰減。

衰減系數α與超聲波的頻率、傳播速度有關，也與介質的粘滯系數、導熱性、不均勻性和晶粒大小等因素有關。

對大多數固體和金屬介質來說，通常所說的超聲波的衰減，即由衰減系數α表征的衰減，僅包括散射衰減和粘滯（吸收）衰減，不包擴散衰減。

α=α_s+α_a

α_a為吸收衰減系數：α_a=C₁f

吸收衰減系數α_a與超聲波的頻率f成正比

散射衰減系數α_s，根據晶粒大小與波長之比分為三種不同情況

衰減與頻率的選擇

粗晶選擇低頻

厚板選擇低頻

薄板選擇高頻

6超聲波發射聲場

超聲波聲場結構與探傷結果是緊密相關的，因此了解聲場的波動物理、聲場特性，對實際檢驗是十分重要的。

這裏討論的圓盤狀聲源軸線上聲壓計算公式，是在聲波為連續正弦波、傳聲介質為液體的條件下導出的，在一定條件下和一定範圍內可以應用於固體介質，而且是進一步討論固體介質中脈沖超聲波聲場的基礎。

6.1 圓盤源輻射的縱波聲場

6.1.1．聲源軸線上的聲壓分布

圓盤源的軸線上任一點Q的聲壓P：

由式可知，聲壓P隨時間t作周期性的變化。

探傷時超聲波探傷儀測得的信號高度與聲壓振幅成正比，因此只需要考慮聲壓振幅。

當λa/R_s²＞3時，聲壓振幅符合球面波的衰減規律，可簡化為：

P≈P₀F_s/(λa)

(1)P有若幹極大值與極小值，最後一個聲壓極大值至聲源的距離稱為近場長度N，該範圍的聲場叫做近場或菲涅耳區。

距離大於近場長度的聲場叫做遠場或夫琅和費區。在遠場中，聲壓隨距離的增加而單調衰減。

(2）計算

N=R_s²/λ=D_s²/(4λ)=F_s/(πλ)

(3)討論

N∝D_s ，N∝（1/λ），N∝Fs；

f↑，λ↓，N↑

6.1.3 聲場按近場分區

聲場按近場分為三個區域：

6.1.4 圓盤源前足夠遠處（任一點）的聲壓及指向性

(1)聲壓分布

（2）指向性

定義：聲束集中向一個方向輻射的性質，叫做聲場的指向性。

定量描述：

θ₀則稱為半擴散角（**零值發散角、指向角、），2θ₀範圍內的聲束叫做主聲束。

計算：

討論：

θ₀ ∝λ，θ₀ ∝（1/ D_s ），f↑，λ↓，θ₀ ↓，N↑；

6.2 斜探頭輻射的横波聲場

横波聲場遠場聲壓分布近似理論計算方法：

7．規則反射體的回波聲壓

7.1 當量法概念

7.1.1 當量法

所謂“當量法”就是將缺陷波與某一規則形狀的反射體的回波相比較，當缺陷的波高與同樣探測條件下規則形狀反射體的波高相等時，該反射體的尺寸即稱為所發現缺陷的當量尺寸。

7.1.2 討論反射體反射波聲壓目的

1)在實際超聲波探傷中，由於自然缺陷的形狀是各種各樣的，缺陷性質又不盡相同，所以目前還很難確定缺陷的真實大小。為此，人們多采用“當量法”來給缺陷定量,且必須了解當量反射體的反射聲壓。

2)常用的規則形狀反射體有：圓片形、球形、圓柱形和矩形等人工缺陷及大平面。采用“當量法”必須了解反射體的反射波聲壓、反射體尺寸及反射體深度之間的關系。

7.2 反射體聲壓計算原理

設有一個圓片形缺陷處於聲束的軸線上，且距離聲源較遠，距離缺陷為a_f（a_f≥3N_f）,此時可以認為缺陷是被均勻的球面波照射。缺陷處聲壓近似值和缺陷波反射聲壓近似值分別為：

P≈P₀F₀/(λa_s)

P_f≈PF_f/(λa_f)= PπD_f²/(4λa_f)=Pπ·N_f/a_f

P_f/P₀=F_s F_f/(λ²a²)

對於A型顯示脈沖反射式超聲波探傷儀，缺陷波波高H與缺陷波聲壓成正比，

H_f/H₀=P_f/P₀=F_sF_f/(λ²a²)

對於兩個不同大小的平底孔，在探頭不變的情況下，可有以下公式：

H_f1 / H_f2 = P_f1 / P_f2 = [D_f1²  a₂²  ] / [D_f2²  a₁² ]= [(D_f1  a₂  ) / (D_f2  a₁ )] ²

聲壓比和波高差別如用分貝表示，則：

n= 40lg[(D_f1  a₂  ) / (D_f2  a₁ )]

根據當量法的概念，如將其中任一平底孔作為基準，另一平底孔作為缺陷，則：

n= 40lg[(D_j  a_f ) / (D_f  a_j )]

7.3 各種規則形狀反射體的反射波波高及其應用

7.3.1 反射體類型

點狀反射體（缺陷）

點狀缺陷包括圓片形（如平底孔）、球形和短圓柱形等小尺寸反射體（缺陷）。

長條形反射體（缺陷）

長條形缺陷系指一個方向的尺寸是小的，而另一方向的尺寸超過了聲束的横截面尺寸。

大底面反射體（缺陷）

大底面系指各方向尺寸都大於聲束横截面的反射面，包括大的平底面、凹圓弧面（例如實心軸）和凸圓弧面（例如空心軸外探）。

7.3.2 反射體反射聲壓計算

平底孔

大底面

短横孔

長横孔

球孔

大底面回波聲壓

大平底P_B= P₀F_s/(2λa)

實心圓柱體P_B= P₀F_s /(2λa)

凹圓弧面（空心軸內探）P_B=K1P₀F_s /(2λa)

凸圓弧面（空心軸外探）P_B=K2P₀F_s /(2λa)

其中：K₁=(D₀/D_i)^1/2    K₂=(D_i /D₀)/^1/2

7.3.3 反射體反射聲壓計算應用

確定檢測靈敏度

反射體（缺陷）定量計算

反射體（缺陷）定量比較和換算

AVG曲線（DGS曲線）原理

7.3.4反射體反射聲壓計算（距離大於3N）應用舉例

確定檢測靈敏度

[例1] 用φ12毫米、5兆赫的縱波探頭，對厚40毫米的鋼工件探傷，欲發現φ3毫米平底孔當量的缺陷，利用底波調靈敏度，如何調整？

[例2]  用2.5P20Z（2.5MHzφ20mm直探頭）探傷厚度T=400mm的餅型鋼製工件，鋼中C_L=5900m/s，探傷靈敏度為400/Ф2平底孔（在400mm處發現Ф2平底孔缺陷）。

當量計算

1)平底孔與平底孔

n= 40lg[(D_j  a_f ) / (D_f  a_j )]

2) 平底孔與大平底

例1，用2.5p14Z 探頭探傷厚度為420mm餅形鋼製工件，鋼中C_L=5900m／s, 不考慮介質衰減，利用底波調整Ф2平底孔探傷靈敏度。探傷中在210mm處發現一缺陷，其回波比底波低26dB，求此缺陷的當量大小。

例2.用2.5P20z探頭徑向探傷直徑為500mm的實心圓柱鋼工件, C_L=5900m／s ，α=0.01dB／mm，利用底波調整500／Ф2靈敏度，探傷中在400mm處發現一缺陷，其回波比靈敏度基準波高22dB,求此缺陷的當量大小。

AVG曲線（DGS曲線）原理

8.超聲波通用檢測技藝與工藝 

8.1超聲波檢測前的準備 

1) 規格、尺寸、材料、工作狀態的了解

2）檢測部位的確定，環境條件的選擇

3）技藝規範、方法標準、驗收標準的確定

8.1.2  器材的準備

1）儀器的計量、鑒定

2) 儀器的型號及性能

3)      耦合劑的選擇（作用、種類和性能）

4）試塊的選擇

5）探頭的選擇

探頭的類型

晶片尺寸

探傷面積範圍大的工件時，為了提高探傷效率宜選用大晶片探頭。探傷厚度大的工件時，為了有效地發現遠距離的缺陷宜選用大晶片探頭。探傷小型工件時，為了提高缺陷定位定量精度宜選用小晶片探頭。探傷表面不太平整，曲率較大的工件時，為了減少耦合損失宜選用小晶片探頭。

頻率大小

探頭K值

K值大，β大，一次波的聲程大，當工件厚度較小時，應選用較大的K值，以便增加一次波的聲程，避免近場區探傷。當工件厚度較大時，應選用較小的K值，以減少聲程過大引起的衰減。便於發現深度較大處的缺陷。

8.2  檢測靈敏度的調節和校準

探傷靈敏度是指在確定的聲程範圍內發現規定大小缺陷的能力，一般由产品技藝要求或有關標準確定。可通過調節儀器上的[增益]、[衰減器]、[發射強度]等靈敏度旋钮來達成。

調整探傷靈敏度的常用方法有試塊調整法和工件底波調整法兩種。

利用試塊和底波調整探傷靈敏度的方法應用條件不同,利用底波調整探傷靈敏度的方法主要用於具有平底面或曲底面大型工件的探傷；利用試塊調整探傷靈敏度的方法主要用於無底波和厚度尺寸小於3N的工件探傷，如焊縫探傷、鋼板探傷和鋼管探傷等。

横波試塊調整法

横波試塊調整法最典型的應用例子為焊縫探傷和管子探傷，方法的實質為斜探頭AVG曲線的應用。

（1）焊縫探傷靈敏度調整

缺陷波高與缺陷大小及距離有關，大小相同的缺陷由於距離不同，回波高度也不相同。描述某一確定反射體回波高度隨距離變化的關系曲線稱為距離-波幅曲線。

距離-波幅曲線由定量線、判廢線和評定線組成。評定線（測長線）和定量線之間（包括評定線）稱為Ⅰ區，定量線與判廢線之間（包括定量線）稱為Ⅱ區，判廢線及其以上區域稱為Ⅲ區。

距離-波幅曲線有兩種形式：一種是波幅用dB值表示作為縱坐標，距離為横坐標，稱為距離-dB曲線。另一種是波幅用毫米（或百分比）表示作為縱坐標，距離為横坐標,實際探傷中將其繪在示波屏面板上，稱為面板曲線。

調整探傷靈敏度時，標準要求焊縫探傷靈敏度不低於最大檢測深度處評定線靈敏度。

例如，T＝30mm時，評定線為φ1×6-9dB (φ3×40-16dB) ，二次波探傷最大深度為60mm。假如60mm深時測長線靈敏度為29dB（可由實測得到），只要將[衰減器]打到29dB時靈敏度就調好了。若考慮耦合補償3dB，那麼靈敏度為26dB。

（2）管子探傷靈敏度調整

管子探傷時，對比試塊應選取與被檢管材規格相同，材質、熱處理及表面狀態相同或相似的管材製成，對比試塊上的人工缺陷為尖角槽。

靈敏度調節時，將探頭置於對比試塊上探測，將試塊上內壁尖角槽的最高回波調至滿幅度的80 ％，再移動探頭找到外壁尖角槽的最高回波，二者波峰的連線為距離--波幅曲線，作為基準靈敏度。在基準靈敏度的基礎上提高6dB作為掃查靈敏度。

8.3掃描速度的調節

概念

儀器示波屏上時基掃描線的水平刻度值τ與實際聲程x（單程）的比例關系,即τ:x=1:n 稱為掃描速度或時基掃描線比例，

縱波掃描速度的調節

縱波探傷一般按縱波聲程來調節掃描速度。

縱波掃描速度的調節應用舉例

水浸檢測線性調節----多次重合法多次重合法水層厚度H與鋼板厚度T的關系為：

H= n T c_水/c_鋼 ≈ nT/4

横波掃描速度的調節

横波探傷時，缺陷位置可由折射角β和聲程x來確定，也可由缺陷的水平距離l和深度h來確定。

横波掃描速度的調節方法有三種：聲程調節法、水平調節法和深度調節法

8.4缺陷位置的測定

超聲波探傷中缺陷位置的測定是確定缺陷在工件中的位置，簡稱定位。一般可根據示波屏上缺陷波的水平刻度值與掃描速度來對缺陷定位

8.5   缺陷定量

缺陷定量包括確定缺陷的大小和數量，

缺陷的大小指缺陷的面積和長度。

常用的定量方法有當量法、底波高度法和測長法三種。

當量法和底波高度法用於缺陷尺寸小於聲束截面的情況，測長法用於缺陷尺寸大於聲束截面的情況。

8.5.1當量法

當量試塊比較法

當量計算法

當量AVG曲線法;

8.5.2 底波高度法

底波高度法是利用缺陷波與底波的相對波高來衡量缺陷的相對大小。

當工件中存在缺陷時，由於缺陷反射，使工件底波下降。缺陷愈大，缺陷波愈高，底波就愈低，缺陷波高與底波高之比就愈大。

1．F／BF法

2．F／BG法

3．BG／BF 法

8.5.3   測長法

當工件中缺陷尺寸大於聲束截面時，一般采用測長法來確定缺陷的長度。

測長法是根據缺陷波高與探頭移動距離來確定缺陷的尺寸，按規定的方法測定的缺陷長度稱為缺陷的指示長度。

   1．相對靈敏度測長法

   相對靈敏度測長法是以缺陷最高回波為相對基準、沿缺陷的長度方向移動探頭，降低一定的dB值來測定缺陷的長度。

   （1）6dB法（半波高度法）：由於波高降低6dB後正好為原來的一半，因此6dB法又稱為半波高度法。

   （2）端點6dB法（端點半波高度法）：缺陷各部分反射波高有很大變化時，測長采用端點6dB法。

   2．**靈敏度測長法

   **靈敏度測長法是在儀器靈敏度一定的條件下，探頭沿缺陷長度方向平行移動，當缺陷波高降到規定位置時（如圖所示B 線），探頭移動的距離，即為缺陷的指示長度。

   3．端點峰值法

   探頭在測長掃查過程中，如發現缺陷反射波峰值起伏變化，有多個高點時，則可以缺陷兩端反射波極大值之間探頭的移動長度來確定為缺陷的指示長度

9 焊縫超聲波探傷

9.1探測條件的選擇

9.1.1探測面的修整

    焊縫兩測探側面的修整寬度一般根據母材厚度和掃查方法確定。

焊縫采用二次波探傷,探測面修整寬度為1.25P

焊縫采用一次波探傷，探測面修整寬度為0.75P

P=2KT

式中  K----探頭的調值； T----工件厚度。

表面粗糙度R_a一般不大於6.3μm。

9.1.2耦合劑的選擇

    在焊縫探傷中，常用的耦合劑有機油、甘油和漿糊等。

9.1.3頻率選擇

    焊縫的晶粒比較細小，可選用較高的頻率探傷，一般為2.5～5.0MHz。對於板厚較小的焊縫，可采用較高的頻率；對於板厚較大，衰減明顯的焊縫，應選用較低的頻率。

9.1.4 K值選擇

    探頭K值的選擇應從以下三個方面考慮。

   （1）使聲束能掃查到整個焊縫截面。

   （2）使聲束中心線盡量與主要危險性缺陷垂直。

   （3）保證有足夠的探傷靈敏度。

K≥(a+b+l₀)/T

式中  a----上焊縫寬度的一半；

      b----下焊縫寬度的一半；

      l₀----探頭的前沿距離：

      T----工件厚度：

      K----探頭的K值。

對於單面焊，b可忽略不計，這時K≥(a+l₀)/T

    探傷時要註意，K值常因工件中的聲速變化和探頭的磨損而产生變化，所以探傷前必須在試塊上實測K值，並在以後的探傷中經常校驗。

    實際探傷中，常利用CSK-ⅠA試塊來測定探頭的K值。

    CSK-ⅠA試塊測定法：探頭對準CSK-ⅠA試塊上φ1.5(K＞3.5)或φ50(K≤3.5)反射體，前後平行移動探頭，找到最高回波，這時探頭入射點對應的刻度值為探頭的K值。但這種方法不太**，若量出探頭前沿至試塊端面的距離L，用K=(L+l₀-35)/30計算，對結果會**一些。

9.1.5探測方向的選擇

    (1）縱向缺陷：

  （2）横向缺陷：

9.2掃描速度（時基線比例）的調節

當板厚小於20mm時，常用水平法。當板厚大於20mm時，常用深度法。聲程法多用於結構復雜的工件。詳細內容參考通用技藝。

    1.聲程法

聲程法是使示波屏水平刻度值直接顯示反射體實際聲程。

2．水平法

    該方法是使示波屏水平刻度值直接顯示反射體的水平投影距離。

3．深度法

此方法是使示波屏水平刻度值直接顯示反射體的垂直深度。焊縫探傷中常用CSK-ⅠA、CSK-ⅡA、CSK-ⅢA、RB、半圓試塊等來調整。下面展現利用CSK-ⅢA試塊來調整的方法。