1、鋼軌探傷工成都鐵路局工務(wù)無(wú)損檢測(cè)級(jí)培訓(xùn)教材2012年6月第一部分無(wú)損檢測(cè)概述無(wú)損檢測(cè) （NDT） 無(wú)損檢測(cè)（Non-destructive Testing，簡(jiǎn)稱(chēng)NDT）是一門(mén)綜合性的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)，它是在不改變或不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下，借助于物理手段，對(duì)材料或構(gòu)件進(jìn)行宏觀與微觀缺陷檢測(cè)，幾何特性度量，化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的評(píng)定，并進(jìn)而就材料或構(gòu)件使用性能做出評(píng)價(jià)的一門(mén)學(xué)科。 無(wú)損檢測(cè)的作用1無(wú)損探傷 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量作出評(píng)價(jià)。無(wú)論是鑄件、鍛件、焊接件、鈑金件或機(jī)加工件以至非金屬結(jié)構(gòu)都能應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)探測(cè)它表面或內(nèi)部缺陷，并進(jìn)行定位定量分析。2材料檢查 用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)測(cè)定材料的物理

2、性能和組織結(jié)構(gòu)，能判別斷材料的品種和熱處理狀態(tài)，進(jìn)行材料分選。無(wú)損檢測(cè)的作用3幾何度量 產(chǎn)品的幾何尺寸、涂層和鍍層厚度、表面腐蝕狀態(tài)、硬化層深度和應(yīng)力密度都能用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果利用斷裂理論確定是否進(jìn)行修補(bǔ)和報(bào)廢處理，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行壽命評(píng)定。 4現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視 對(duì)在役設(shè)備或生產(chǎn)中的產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或動(dòng)態(tài)檢測(cè)，將產(chǎn)品中的缺陷變化信息連續(xù)的提供給運(yùn)行和生產(chǎn)部門(mén)實(shí)行監(jiān)視。在高溫、高壓、高速或高負(fù)載的運(yùn)行條件下尤其需要無(wú)損檢測(cè)。例如壓力容器和鋼軌的探傷等。無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)1不破壞被檢對(duì)象。2可實(shí)現(xiàn)100%的檢驗(yàn)。3發(fā)現(xiàn)缺陷并做出評(píng)價(jià)，從而評(píng)定被檢對(duì)象的質(zhì)量。4可對(duì)缺陷形成原因及發(fā)展規(guī)律做出判斷，以促進(jìn)有關(guān)

3、部門(mén)改進(jìn)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。5對(duì)關(guān)鍵部件和關(guān)鍵部位在運(yùn)行中作定期檢查，甚至長(zhǎng)期監(jiān)控以保證運(yùn)行安全，防止事故發(fā)生。無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展1、早期的無(wú)損檢測(cè)稱(chēng)為無(wú)損探傷（NDI），它的作用是在不損壞產(chǎn)品的前提下發(fā)現(xiàn)人眼無(wú)法看到的缺陷，以滿足工程設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度要求。2、第二階段稱(chēng)為無(wú)損檢測(cè)（NDT），這個(gè)階段始于70年代，它不但檢測(cè)最終產(chǎn)品，而且要測(cè)量各種工藝參數(shù)，制成工件后還需知道它的組織結(jié)構(gòu)、晶粒大小和殘余應(yīng)力等。無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展3、第三階段稱(chēng)為無(wú)損評(píng)價(jià)（NDE），尤其對(duì)航空、航天、核電、能源、交通、石油和化工等方面的機(jī)械產(chǎn)品，在加強(qiáng)檢測(cè)同時(shí)注重產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)價(jià)，確保每一件產(chǎn)品都是合格的。常用無(wú)損探傷方法無(wú)損

4、探傷是無(wú)損檢測(cè)（包括探傷、測(cè)量、評(píng)價(jià)）的一個(gè)重要組成部分，它是對(duì)材料、工件或組件進(jìn)行非破壞性檢測(cè)和分析，以發(fā)現(xiàn)材料和構(gòu)件中非連續(xù)性宏觀缺陷（如裂紋、夾渣、氣孔等）為主要目的的檢驗(yàn)。實(shí)際應(yīng)用中較普遍的為超聲探傷、射線探傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流探傷五種常規(guī)方法射線探傷（RT）基本原理：射線在穿過(guò)物質(zhì)的過(guò)程中，會(huì)受到物質(zhì)的散射和吸收作用，依物體材料、缺陷和穿透距離的不同，射線強(qiáng)度將產(chǎn)生不同程度的衰減，這樣，當(dāng)把強(qiáng)度均勻的射線照射到物體的一側(cè)，使透過(guò)的射線在物體另一側(cè)的膠片上感光，把膠片顯影后，得到與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷相對(duì)應(yīng)的黑度不同的圖像，即射線底片。通過(guò)對(duì)圖像的觀察分析，最終確定物體缺陷的種類(lèi)

5、、大小和分布情況。射線探傷適用于體積型缺陷探測(cè)。如氣孔、夾碴、縮孔、疏松等，對(duì)片型缺陷檢測(cè)較難。缺陷的射線照相磁粉探傷（MT）原理磁粉探傷是指把鋼鐵等鐵磁性材料磁化后，利用缺陷部位所發(fā)生的磁極吸附磁粉的特性，顯示缺陷位置的方法。特點(diǎn)磁粉探傷僅適用于鐵磁材料的表面或近表面缺陷的檢測(cè)，其探傷靈敏度高低受試件表面光潔度、缺陷形狀和取向、磁化方法和范圍等影響。磁粉探傷能確定缺陷的位置、大小和形狀，但對(duì)缺陷深度確定較難。磁場(chǎng)的形成滲透探傷（PT） 滲透探傷指將溶有熒光染料（熒光探傷）或著色染料（著色探傷）的滲透劑施加在試件表面，滲透劑由于毛細(xì)作用能滲入到各型開(kāi)口于表面的細(xì)小缺陷中，此時(shí)清除附著在表面的多

6、余滲透劑，經(jīng)干燥和施加顯像劑后，在黑光或白光下觀察，缺陷處可分別相應(yīng)地發(fā)出黃綠色的熒光或呈現(xiàn)紅色，從而能夠用肉眼檢查出試件表面的開(kāi)口缺陷。特點(diǎn)滲透探傷適用于檢測(cè)金屬和非金屬材料表面開(kāi)口的裂紋、折疊、疏松、針孔等缺陷。它能確定缺陷的位置、大小和形狀，但難于確定其深度，不適用于探測(cè)多孔性材料及材料內(nèi)部缺陷。滲透探傷的基本操作過(guò)程 渦流探傷（ET） 渦流探傷將通有交流電的激勵(lì)線圈靠近某一導(dǎo)電試件，由于電磁感應(yīng)作用，進(jìn)入試件的交變磁場(chǎng)可在試件中感生出方向與激勵(lì)磁場(chǎng)相垂直的、呈旋渦狀流動(dòng)的電流（渦流），此渦流會(huì)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一與激勵(lì)磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)使原磁場(chǎng)有部分減少，從而引起線圈阻抗的變化，通過(guò)對(duì)線圈阻抗變

7、化的測(cè)量，就可得知試件中產(chǎn)生的渦流狀況，從而獲悉與試件有關(guān)的一些參量。特點(diǎn)渦流探傷主要適用于金屬和石墨等導(dǎo)電材料的表面和近表面缺陷，通常能夠確定缺陷的位置和相對(duì)尺寸，不適用于非導(dǎo)電材料的缺陷檢測(cè)。 渦流的產(chǎn)生幾種常規(guī)探傷方法比較以上介紹了幾種常用探傷方法的基本原理，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，射線探傷和超聲波探傷適合于內(nèi)部缺陷探測(cè)，而磁粉、滲透、渦流探傷則適合于表面缺陷探測(cè)它們各有其優(yōu)越性，因此必須結(jié)合缺陷具體情況合理配合使用，才會(huì)收到更好的效果 第二部分超聲波探傷理論基礎(chǔ)超聲波探傷原理超聲波探傷是依據(jù)定向輻射超聲波束在缺陷界面上產(chǎn)生反射或使透過(guò)聲能下降等原理，通過(guò)測(cè)量回波信息和透過(guò)聲波強(qiáng)度變化來(lái)指示傷損的

8、一種方法。（也就是反射法和穿透法探傷原理）聲波的分類(lèi)人們把能引起聽(tīng)覺(jué)的機(jī)械振動(dòng)稱(chēng)為聲波，頻率大致在20Hz20kHz（即20000Hz，1kHz1000Hz）。頻率低于20Hz的機(jī)械波稱(chēng)為次聲波頻率高于20kHz的機(jī)械波稱(chēng)為超聲波（用于探傷的超聲波頻率范圍為0.225MHz，其中最常用的頻段為0.510MHz）。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。 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穿透能力強(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，其它無(wú)損探傷手段無(wú)法

9、比擬。3檢測(cè)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(guò)21%，當(dāng)分層厚度在10-5 mm以上時(shí)，反射率可超過(guò)94%，其靈敏度居所有無(wú)損探傷方法之首。超聲波探傷的優(yōu)點(diǎn)4可檢出各種取向的缺陷。通過(guò)應(yīng)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（與表面平行或傾斜）的缺陷。5檢測(cè)速度快，費(fèi)用低.僅耗損少量電能和耦合劑。超聲波探傷的局限性1探測(cè)結(jié)果受人的因素影響。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)表面要求制備。不良的探測(cè)面影響傷損檢測(cè)靈敏度。3檢測(cè)結(jié)果受工件形狀、晶粒和組織不均勻性的限制。4定量精度差。探測(cè)出缺陷的當(dāng)量

10、或延伸度與實(shí)際缺陷大小均有一定的誤差。波的一般常識(shí)人們把聲源振動(dòng)在介質(zhì)（如空氣等）中的傳播過(guò)程，稱(chēng)為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)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(lèi)。電磁波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播過(guò)程，如無(wú)線電波、紅外線等機(jī)械波是指機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程，如水波、超聲波等。 超聲波的產(chǎn)生 產(chǎn)生機(jī)械波需要兩個(gè)必要條件：第一要有作機(jī)械振動(dòng)的振源；第二要有能傳遞機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)。產(chǎn)生超聲波需要兩個(gè)必要條件：第一:要有超聲波的振源（即超聲波源）；第二:要有能傳遞超聲波的彈性介質(zhì)。超聲波產(chǎn)生原理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

11、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(lái)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(guò)程中，實(shí)際上只是振動(dòng)能量的傳播，并沒(méi)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)。壓電晶體（例如石英晶體、鈦酸鋇及鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷）在外力作用下發(fā)生變形時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷（正壓電效應(yīng)）。反之，當(dāng)向壓電晶體施加電場(chǎng)時(shí)，壓電晶體將會(huì)發(fā)生形變，亦即彈性變形（逆壓電效應(yīng)或電致伸縮）。壓電陶瓷柱點(diǎn)火器超聲波如何產(chǎn)生、接收超聲波如何產(chǎn)生、接收從能量角度分析超聲波的產(chǎn)生

12、和接收產(chǎn)生超聲波(逆壓電效應(yīng)) 電能 機(jī)械能接收超聲波(正壓電效應(yīng)) 機(jī)械能 電能利用壓電晶體制成超聲波換能器（探頭），對(duì)其輸入高頻電脈沖，則探頭將以相同頻率產(chǎn)生超聲波發(fā)射到被檢物體中去，在接收超聲波時(shí)，探頭則產(chǎn)生相同頻率的高頻電信號(hào)用于檢測(cè)顯示。 超聲波如何產(chǎn)生、接收儀器發(fā)射電路限幅接收放大電路壓電晶片超聲波的分類(lèi)超聲波的類(lèi)型超聲波的分類(lèi)方法很多，下面介紹幾種常見(jiàn)的分類(lèi)方法：按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分根據(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、爬波等 縱波（Longitudional Wave，簡(jiǎn)稱(chēng)L波，又稱(chēng)作壓縮波、疏

13、密波）：是傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向相同。縱波在固、液、氣三種介質(zhì)中均能傳播，傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)受交變拉、壓應(yīng)力的作用，使質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸、縮變形，構(gòu)成疏密相間的質(zhì)點(diǎn)排列。故亦稱(chēng)為壓縮波、疏密波。液體和氣體能夠承受壓應(yīng)力而產(chǎn)生容積壓變，因而這種介質(zhì)能夠傳播縱波。 超聲波的波型（2）橫波（Shear Wave，簡(jiǎn)稱(chēng)S波，又稱(chēng)作Transverse wave，簡(jiǎn)稱(chēng)T波，也稱(chēng)為切變波或剪切波）：傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向垂直。質(zhì)點(diǎn)受到的是交變剪切應(yīng)力的作用，故亦稱(chēng)切變波。液體和氣體不能夠承受剪切應(yīng)力，故無(wú)橫波傳播。 超聲波的波型超聲波的波型（3）表面波（Surface Wav

14、e）：是指超聲波沿介質(zhì)表面?zhèn)鬟f，而傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動(dòng)的瑞利波（Rayleigh Wave，簡(jiǎn)稱(chēng)R波），瑞利波在介質(zhì)上的有效透入深度只有一個(gè)波長(zhǎng)的范圍，因此只能用于檢查介質(zhì)表面的缺陷，不能像縱波與橫波那樣深入介質(zhì)內(nèi)部傳播，從而可以檢查介質(zhì)內(nèi)部的缺陷。超聲波的波型（4）蘭姆波（Lamb Wave）：是一種由縱波與橫波疊加合成，以特定頻率被封閉在特定有限空間時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)波（Guide Wave）。蘭姆波在薄板中傳遞時(shí)，薄板上下表面層質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動(dòng)，而薄板中層的質(zhì)點(diǎn)將以縱波分量或橫波分量形式振動(dòng)，從而構(gòu)成全板振動(dòng)，這是蘭姆波檢測(cè)的顯著特征。根據(jù)薄板中層的質(zhì)點(diǎn)是以縱波分量或橫波分量形式振

15、動(dòng)，可以分為S模式（對(duì)稱(chēng)型）和A模式（非對(duì)稱(chēng)型）兩種模式的蘭姆波。 超聲波的波型按振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分根據(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，如圖所示。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)，110-6）、間歇輻射的波，超聲波探傷中廣泛采用的就是脈沖波。 圖 連續(xù)波與脈沖波按波的形狀分波形是根據(jù)波陣面的形狀來(lái)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)所聯(lián)成的面，其中，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(chēng)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)。一般把波的傳播方向稱(chēng)為波線

16、。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 超聲波波形不同波形分類(lèi)及特性波的形式特 性平面波1無(wú)限大平面（即波長(zhǎng)與聲源尺寸相比可忽略不計(jì)）作諧振動(dòng)時(shí)，在各向同性的彈性介質(zhì)中傳播的波2如不考慮介質(zhì)吸收波的能量，聲壓不隨與聲源的距離而變化球面波1聲源為點(diǎn)狀球體，波陣面是以聲源為中心的球面2聲強(qiáng)與距聲源距離的平方成反比柱面波1聲源為一無(wú)限長(zhǎng)的線狀直柱，波陣面是同軸圓柱面2聲強(qiáng)與距聲源的距離成反比按原理分類(lèi)（1）脈沖反射法 超聲波探頭發(fā)射脈沖到工件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來(lái)檢測(cè)工件缺陷的方法。（2）衍射時(shí)差法（TOFD） 采用一發(fā)一收雙探頭方式，利用缺陷部位的衍射波信號(hào)來(lái)檢測(cè)和測(cè)定

17、缺陷尺寸的一種超聲檢測(cè)方法。（3）穿透法 采用一發(fā)一收雙探頭分別放置在工件相對(duì)的兩端面，依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透工件之后的能量變化來(lái)檢測(cè)工件缺陷的方法。（4）共振法 依據(jù)工件的共振特性來(lái)判斷缺陷情況和工件厚度變化情況的方法稱(chēng)為共振法，此方法常用于工件測(cè)厚。按原理分類(lèi)（5按顯示方式分類(lèi) 根據(jù)接收信號(hào)的顯示方式可分為A型顯示和超聲成像顯示。6按探頭數(shù)目分類(lèi)（1）單探頭法 使用一個(gè)探頭兼作發(fā)射和接收超聲波的檢測(cè)方法。（2）雙探頭法 使用兩個(gè)探頭（一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收）進(jìn)行檢測(cè)的方法。（3）多探頭法 使用兩個(gè)以上的探頭組合在一起進(jìn)行檢測(cè)的方法，通常與多通道儀器和自動(dòng)掃查裝置配合。按原理分類(lèi)接觸方式分類(lèi)1）

18、接觸法 探頭與工件檢測(cè)面之間涂有很薄的耦合劑層，因此可以看作為兩者直接接觸，故稱(chēng)為直接接觸法（2）液浸法 將探頭和工件浸于液體中，以液體作耦合劑進(jìn)行檢測(cè)的方法。耦合劑可以是水，也可以是油，當(dāng)水作耦合劑時(shí)，稱(chēng)為水浸法。（3）電磁耦合法 采用電磁探頭激發(fā)和接收超聲波的檢測(cè)方法，也稱(chēng)為電磁超聲檢測(cè)方法。使用這種方法時(shí)，探頭與工件之間不接觸。按原理分類(lèi)8按人工干預(yù)的程度分類(lèi)（1）手工檢測(cè) 一般指由操作者手持探頭進(jìn)行的A型脈沖反射式超聲檢測(cè)。該方法便實(shí)用，但檢測(cè)可靠性受人為因素影響較大（2）自動(dòng)檢測(cè) 使用自動(dòng)化超聲檢測(cè)設(shè)備，在最少的人工干預(yù)下進(jìn)行并完成檢測(cè)的全部過(guò)程。一般指采用自動(dòng)掃查裝置，或在檢測(cè)過(guò)程

19、中可自動(dòng)記錄聲束位置信息、自動(dòng)采集和記錄數(shù)據(jù)的檢測(cè)方式。該方法所要求的檢測(cè)設(shè)備較復(fù)雜，但檢測(cè)可靠性受人為因素影響較小。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（） 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(chēng)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(guò)程中任一給定質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)完整波的個(gè)數(shù)。單位為赫茲（Hz）。超聲波的基本參數(shù)在實(shí)際探傷中往往會(huì)遇到重復(fù)頻率的概念其含意是指每秒鐘內(nèi)由脈沖發(fā)生器激勵(lì)探頭晶片的脈沖次數(shù)，即發(fā)射超聲波的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(guò)高的重復(fù)頻率會(huì)導(dǎo)

20、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。超聲波的基本參數(shù)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（）。周期與頻率的關(guān)系為： 4波長(zhǎng)（） 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(chēng)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(chēng)為波速。單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。超聲波的基本參數(shù)由聲速、波長(zhǎng)和頻率的定義可得： 或聲速（C）與以下因素

21、有關(guān)：1、與介質(zhì)的彈性模量和介質(zhì)的密度有關(guān) 對(duì)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超聲波的基本參數(shù)2與溫度有關(guān)；對(duì)液體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，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。3與波型有關(guān)；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(lái)說(shuō)，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，因而其聲速不存在波型問(wèn)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）即CL CS CR一些常用材料的聲速材料縱波聲速米每秒橫波聲速米每秒鋼59003230水14

22、80-有機(jī)玻璃27301430鋁62603080銅47002260空氣340油1400超聲場(chǎng)及其特征值超聲場(chǎng)概述通常把充滿超聲波的空間部分稱(chēng)為超聲場(chǎng)。圖所示為圓盤(pán)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。 波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離稱(chēng)為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，用表示超聲場(chǎng)概述式中：D為圓形壓電晶片的直徑； 為超聲波波長(zhǎng)； A方晶片（或矩形晶片）面積。實(shí)際探傷中，有時(shí)近場(chǎng)區(qū)分布于兩種不同的介質(zhì)中，這時(shí)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算與均勻單一介質(zhì)不同，如圖18所示，超聲波先通過(guò)介質(zhì)，然后進(jìn)入介質(zhì)，設(shè)介質(zhì)的厚度為，則介質(zhì)的剩余近場(chǎng)區(qū)N為：超聲場(chǎng)概述 式中：N2近場(chǎng)區(qū)全部在介質(zhì)中的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度；

23、2介質(zhì)中的波長(zhǎng)；C1、C2介質(zhì)、中的波速。超聲場(chǎng)概述由于近場(chǎng)區(qū)存在聲壓極大極小值，處于聲壓極大值處的較小缺陷可能回波較高，而處于聲壓極小值處的較大缺陷可能回波較低，這樣就可能引起誤判，所以超聲探傷中總是盡量避開(kāi)這一區(qū)域。至波源的距離大于近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度（xN）的區(qū)域稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中，軸線上的聲壓隨距離增加而單調(diào)減少，在距離x3N時(shí)，圓盤(pán)源聲束軸線上的聲壓與球面波的聲壓相差已甚小。以上討論的是波源軸線上的聲壓分布情況，對(duì)超聲場(chǎng)中不同截面上的聲壓來(lái)說(shuō)，其分布規(guī)律如圖所示，在=0.5N的截面中心聲壓為0，中心附近的聲壓較高，而N的各截面中心聲壓最高，偏離中心的聲壓逐漸降低。超聲場(chǎng)概述超聲場(chǎng)概述波束指

24、向性與半擴(kuò)散角（0）探頭發(fā)出的超聲波能量集中在一定區(qū)域并向一個(gè)方向輻射的現(xiàn)象稱(chēng)為波束指向性。晶片發(fā)出的超聲波束如手電筒發(fā)出的光柱類(lèi)似，在靠近晶片較短的范圍看作是筆直傳播，經(jīng)過(guò)一段距離后，按一定角度擴(kuò)展輻射，非擴(kuò)散的區(qū)域?yàn)榻鼒?chǎng)長(zhǎng)度（N）的1.67倍。大于1.67 N為擴(kuò)散區(qū)，其優(yōu)劣常用半擴(kuò)散角（0）表示。半擴(kuò)散角是指超聲波定向輻射的錐角之半，即波束軸線與邊緣之間的夾角，又稱(chēng)指向角。超聲波的能量主要集中在20以內(nèi)的錐形區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域稱(chēng)為主聲束，主聲束邊緣聲壓為零。超聲場(chǎng)概述超聲場(chǎng)主聲束和副聲束超聲場(chǎng)概述主聲束旁側(cè)的波束為副聲束，副聲束能量低，傳播距離小。對(duì)圓盤(pán)聲源輻射的縱波聲場(chǎng)，其聲束半擴(kuò)散角（指

25、向角）計(jì)算式如下：邊長(zhǎng)為a的方晶片聲束半擴(kuò)散角計(jì)算式：超聲波所占的空間稱(chēng)為超聲場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖所示，它包括近場(chǎng)（N為近場(chǎng)長(zhǎng)度）和遠(yuǎn)場(chǎng)兩個(gè)部分。在近場(chǎng)區(qū)中的聲壓分布是不均勻的，而在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中的聲壓則隨著距離的增大呈單調(diào)下降變化。近場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度與換能器的晶片直徑和超聲波的波長(zhǎng)有關(guān)，在近場(chǎng)區(qū)的超聲波束呈收斂狀態(tài)，在近場(chǎng)區(qū)末端，亦即從近場(chǎng)區(qū)進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的過(guò)渡點(diǎn)上聲束直徑最小（故也將此點(diǎn)稱(chēng)作自然焦點(diǎn)），進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)后聲束將以一定角度發(fā)散，聲束邊緣的斜度以半擴(kuò)散角表示，聲束的半擴(kuò)散角同樣與換能器的晶片直徑和超聲波的波長(zhǎng)有關(guān)。 超聲場(chǎng)（復(fù)習(xí)）在超聲檢測(cè)中為了能根據(jù)回波幅度大小評(píng)估缺陷大?。寒?dāng)被檢工件尺寸較小，落在近場(chǎng)

26、區(qū)范圍時(shí)，通常需要采用參考對(duì)比試塊進(jìn)行比較評(píng)定，參考試塊的材料、狀態(tài)（聲學(xué)特性）應(yīng)與被檢物相同或相近，并且含有已知尺寸的特定人工反射體（例如平底孔、橫孔、柱孔、刻槽等），將發(fā)現(xiàn)的缺陷回波幅度與相同聲程（超聲波傳播路程）的人工反射體回波幅度比較，得到以人工反射體尺寸表示的缺陷當(dāng)量大小。超聲場(chǎng)（復(fù)習(xí)）在超聲檢測(cè)中為了能根據(jù)回波幅度大小評(píng)估缺陷大?。涸谶h(yuǎn)場(chǎng)區(qū)檢測(cè)時(shí)，由于工件尺寸較大，要預(yù)先制作相應(yīng)尺寸的試塊有困難，而且搬運(yùn)、使用均很不方便。鑒于遠(yuǎn)場(chǎng)中的聲壓隨著距離的增大呈單調(diào)下降變化，各種人工反射體的回波聲壓變化是有規(guī)律可循的，因此可以采用計(jì)算方法或事先測(cè)繪制作的距離-波幅曲線（稱(chēng)作AVG法或DGS

27、法）來(lái)確定檢測(cè)靈敏度以及評(píng)定缺陷的當(dāng)量大小。超聲場(chǎng)（復(fù)習(xí)）遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)聲束軸線上的聲壓 必須指出：超聲檢測(cè)中評(píng)定的缺陷當(dāng)量大小，是指缺陷的回波幅度與一定尺寸的人工反射體的回波幅度相同，但是缺陷的實(shí)際尺寸與標(biāo)準(zhǔn)人工反射體的尺寸并不相同，這是因?yàn)槿毕莸幕夭ǚ却笮∈鼙粰z工件的材料以及缺陷本身的性質(zhì)、大小、形狀、取向、表面狀態(tài)等多種因素的影響，同時(shí)還與超聲波的自身特性有關(guān)，因此引入了“當(dāng)量”-相當(dāng)?shù)牧窟@個(gè)概念作為定量衡量缺陷大小的標(biāo)準(zhǔn)。 超聲場(chǎng)（復(fù)習(xí)） 例如我們說(shuō)經(jīng)過(guò)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)被檢工件內(nèi)的某個(gè)位置處存在2mm直徑平底孔當(dāng)量的缺陷，就是指該缺陷的回波幅度與工件內(nèi)相同位置處2mm直徑平底孔（平底孔的孔底面與

28、超聲束軸線垂直，并且同軸）的回波幅度相同，然而該缺陷的實(shí)際面積尺寸往往大于2mm直徑平底孔的底面面積。 此外，根據(jù)超聲檢測(cè)的結(jié)果判斷缺陷的性質(zhì)定性問(wèn)題尚未很好解決，目前還主要是依靠檢測(cè)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平以及對(duì)被檢工件的材料特性、加工工藝特點(diǎn)、使用狀況等的了解來(lái)進(jìn)行綜合的主觀判斷。 超聲場(chǎng)超聲場(chǎng)（復(fù)習(xí)）超聲場(chǎng)的特征值1 聲壓 定義 超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)某一瞬時(shí)所具有的壓強(qiáng)（P1）與該點(diǎn)沒(méi)有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)（P0）之差稱(chēng)為該點(diǎn)的聲壓（P）。單位帕斯卡（a，1Pa1 N/m2）。在超聲場(chǎng)內(nèi)，各點(diǎn)的聲壓并不一樣，通常某一點(diǎn)的聲壓是一個(gè)隨時(shí)間按正弦函數(shù)周期變化的量，其幅值與介質(zhì)密度、聲速和頻率成正

29、比。由于超聲波的頻率很高，遠(yuǎn)大于聲波的頻率，故超聲波的聲壓也遠(yuǎn)大于聲波的聲壓。超聲場(chǎng)的特征值2 聲阻抗 定義：介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)的振動(dòng)速度之比稱(chēng)為聲阻抗（Z）。單位：kg/（m2），數(shù)值上聲阻抗等于介質(zhì)密度（）與聲速（C）的乘積，即 ，它表示超聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。由于固體、液體和氣體三者的波速和密度相差很大，因此，它們的聲阻抗大不相同，即使在同一固體介質(zhì)中，由于縱波、橫波和表面波的聲速（C）不同，因此它們的聲阻抗也不一樣超聲場(chǎng)的特征值3 聲強(qiáng) 定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，垂直通過(guò)單位面積的聲能量稱(chēng)為聲強(qiáng)（）。常用單位為erg/（cm2s）或W/cm2 。對(duì)于平面余弦波，其平均聲強(qiáng)（）為

30、： 超聲場(chǎng)的特征值常用兩個(gè)聲波聲強(qiáng)之比的常用對(duì)數(shù)值來(lái)表示兩者的關(guān)系，稱(chēng)為聲強(qiáng)級(jí)（IL）。單位為貝爾（BeL），即IL=lgI/I0常取其1/10，單位為分貝（dB）。即IL=10lgI/I0。由于聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比，所以有IL=10lg（I/I0）=20 lg（P1/P2 ）（dB）。對(duì)于放大線性良好的超聲波探傷儀，示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩波高之比H1/HP2等于相應(yīng)的聲壓之比P1/P2，兩者的分貝差為：超聲波的傳播特性1波的散射超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到小于波長(zhǎng)的障礙物或其它不連續(xù)性，而使超聲波向各個(gè)不同方向產(chǎn)生無(wú)規(guī)律反射、折射或衍射的現(xiàn)象稱(chēng)為散射。散射的結(jié)果使聲能分散、穿透力降

31、低和引起不規(guī)則的草狀雜波，導(dǎo)致信噪比及靈敏度下降。散射現(xiàn)象的強(qiáng)弱取決于材料內(nèi)部組織、入射波波長(zhǎng)和異質(zhì)界面的平整度。當(dāng)被檢工件為鑄件或奧凡體焊縫；探測(cè)面或反射面不平整；工件內(nèi)存在與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)臍饪缀蛫A雜，散射現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。鋼軌探傷中遇有軌面擦傷，軌底（軌顎）銹蝕，以及鋁熱焊焊縫的晶粒粗大等引起靈敏度下降、雜波增多就是散射現(xiàn)象的反射。超聲波的傳播特性2波的繞射超聲波在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)障礙物邊緣或小孔時(shí)，所產(chǎn)生的展衍現(xiàn)象稱(chēng)為繞射。繞射現(xiàn)象取決于障礙物尺寸（D）和波長(zhǎng)（）之比。當(dāng)D時(shí)，陰影區(qū)較大。左圖繞射現(xiàn)象示意圖超聲波的傳播特性由于超聲波具有繞射現(xiàn)象，一方面利用繞過(guò)障礙物或小孔的陰影減小或擴(kuò)展進(jìn)行探傷；

32、另一方面也限制了脈沖反射法對(duì)最小缺陷的檢測(cè)能力。因?yàn)槿毕莸某叽缧∮?/2波長(zhǎng)時(shí)，繞射占主導(dǎo)地位。所以探測(cè)工件晶粒較細(xì)、表面光潔、材料衰減小時(shí)，應(yīng)采用較高的頻率來(lái)提高小缺陷的檢測(cè)率。同樣的道理，可以解釋橫波的檢出率比縱波的檢出率大。超聲波的傳播特性3波的疊加定義：當(dāng)幾列波在同一介質(zhì)中傳播并相遇時(shí)，相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)是各列波引起的分振動(dòng)的合成，任一時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)的位移是各列波引起的分位移的矢量和。相遇后的各列波仍保持它們?cè)瓉?lái)的特性（頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方向等）不變，并按照各自原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好像在各自的傳播過(guò)程中沒(méi)有遇到其它波一樣，稱(chēng)為波的疊加原理。運(yùn)用： 解釋0+37組合探頭超聲波傳播原理超聲波的

33、傳播特性4波的干涉定義：兩列頻率和振動(dòng)方向相同、相位差恒定的波相遇時(shí)，由于波的疊加作用，使某些地方振動(dòng)始終互相加強(qiáng)，而另一些地方振動(dòng)始終互相減弱或完全抵消，這種現(xiàn)象稱(chēng)為波的干涉。能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波稱(chēng)為相干波。相干波的波源稱(chēng)為相干波源。兩列振幅相同的相干波，在同一直線上沿相反方向傳播時(shí)互相疊加而成的波稱(chēng)為駐波。超聲波的傳播特性5波的衍射波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)能繞過(guò)其邊緣并繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象稱(chēng)為波的衍射或繞射。超聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，一方面產(chǎn)生反射和折射；另一方面產(chǎn)生繞射。如果障礙物尺寸遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)，則超聲波傳播時(shí)幾乎只繞射而無(wú)反射，由于繞射使反射回波減弱，因此，一般認(rèn)為超聲波探傷所能

34、探測(cè)到的最小缺陷尺寸為 。超聲波的傳播特性6惠更斯定理惠更斯在波動(dòng)的起源和波動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播的規(guī)律基礎(chǔ)上，總結(jié)了通過(guò)障礙物上小孔所形成新的波動(dòng)與孔前的波動(dòng)狀態(tài)有關(guān)這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖所示）惠更斯原理：介質(zhì)中波動(dòng)傳到的各點(diǎn)都可看作是發(fā)射子波的波源，在其后的每一時(shí)刻，這些子波的包絡(luò)就決定新的波陣面。圖 障礙物上小孔成為新波源超聲波的傳播特性6惠更斯定理意義用點(diǎn)振動(dòng)源波陣面的包絡(luò)來(lái)解釋波動(dòng)現(xiàn)象的惠更斯原理是介于幾何聲學(xué)和波動(dòng)理論之間的方法，是一種工程上實(shí)用的方法，這對(duì)討論超聲場(chǎng)、超聲波指向性及缺陷聲壓反射率計(jì)算和波的傳播問(wèn)題，具有重要的指導(dǎo)意義。超聲波垂直入射單層界面時(shí)的反射和透射項(xiàng) 目概 念表 達(dá)

35、 式反射、透射示意簡(jiǎn)圖聲壓反射率（r）反射波聲壓Pr 與入射波聲壓0 之比聲壓透射率（t）透射波聲壓t 與入射波聲壓0 之比 聲強(qiáng)反射率 （R）反射波聲強(qiáng)與r 與入射波聲強(qiáng)0 之比聲強(qiáng)透射率（）透射波聲強(qiáng)t 與入射波聲強(qiáng)0 之比實(shí)際工作中的運(yùn)用（1）當(dāng)Z1Z2時(shí)，可以得到r0，t1。顯然，這種情況下，聲壓幾乎全透射，無(wú)反射。因此，在焊縫探傷中，若母材與焊接金屬結(jié)合面沒(méi)有任何缺陷，就不會(huì)產(chǎn)生界面回波。（2）當(dāng)Z1 Z2時(shí)，如鋼機(jī)油界面，計(jì)算可得反射率為95%，透射率5%，所以在試塊上調(diào)試靈敏度時(shí)，如反射體（平底孔或橫通孔）內(nèi)滲入機(jī)油，會(huì)導(dǎo)致聲能的透射而使反射回波略有下降。（3）當(dāng)Z1 Z2時(shí)，如

36、鋼空氣界面，計(jì)算可得： r-1，t0，R1，T0。顯然，此時(shí)聲壓幾乎全反射而無(wú)透射。因此，實(shí)際探傷中，探頭與工件間或探頭與保護(hù)膜間如不施加耦合劑，則形成固（晶片）氣界面，超聲波將無(wú)法進(jìn)入工件。超聲波垂直入射雙層界面時(shí)的反射和透射（1）工件中夾有片狀缺陷（Z1=Z3Z2），它的聲壓反射率與缺陷厚度有關(guān)，當(dāng)厚度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，缺陷的反射聲壓很弱，呈現(xiàn)半波透聲現(xiàn)象，為了提高缺陷聲壓反射率，可采取改變探傷工作頻率，增加缺陷的反射聲壓，有利于缺陷檢測(cè)，但改變后的頻率不能是原頻率的整數(shù)倍。（2）鋼軌擦傷引起的剝離層若厚度大，超聲波在剝離層往復(fù)傳播一次所用時(shí)間大于脈沖寬度，則能在熒光屏上顯示多次反射波，

37、如果剝離層的厚度很小，而脈沖寬度較大時(shí)，多次反射波會(huì)重疊在一起，形成寬而雜的回波。（3）探頭與保護(hù)膜之間的耦合層（Z1Z2Z3），要實(shí)現(xiàn)良好的透聲性，就應(yīng)注意耦合層材料的聲阻抗和厚度的選擇，一般 ，厚度為1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍透聲性最好。如選擇不恰當(dāng)?shù)鸟詈蠈踊蚴窃谔筋^和保護(hù)膜之間加的凡士林過(guò)厚都會(huì)使探傷靈敏度下降。斜入射時(shí)的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時(shí)，除產(chǎn)生反射、折射（透射）現(xiàn)象以外，還往往伴隨著波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，即產(chǎn)生與入射波不同類(lèi)型的反射波和折射波。這種現(xiàn)象只發(fā)生在斜入射且介質(zhì)為固體（因?yàn)橐?、氣體介質(zhì)中只能傳播縱波）的場(chǎng)合，并與界面兩側(cè)介質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)。注意：當(dāng)超聲波垂直入射時(shí)

38、，反射和透射的波型與原波型一樣?。次窗l(fā)生波型轉(zhuǎn)換）一般情形波型圖 示規(guī)律（表達(dá)式）說(shuō)明一 般 情 形1 指不考慮有波型轉(zhuǎn)換的入射情況。2 、波的入射角、反射角和折射角。 C1、C2 超聲波分別在兩種介質(zhì)中的傳播速度。3 該表達(dá)式為超聲波傾斜入射時(shí)的反射和折射定律，又稱(chēng)斯涅爾定律。縱波入射縱 波 入 射1 以固固界面分析，兩種介質(zhì)中都有波型轉(zhuǎn)換，即經(jīng)界面反射和折射后，不僅仍有縱波，還出現(xiàn)了橫波。2 CL1、CL2兩介質(zhì)中的縱波聲速。C1、CS2兩介質(zhì)中的橫波聲速。、縱、橫波反射角。、S縱、橫波折射角?？v波入射角。3. 若CL2 CL1 ，則=90時(shí)對(duì)應(yīng)的縱波入射角稱(chēng)為第一臨界角，用表示。若CS

39、2 CL1 ，則S = 90時(shí)對(duì)應(yīng)的縱波入射角稱(chēng)為第二臨界角，用表示。臨界角(2)第一臨界角 當(dāng)在第二介質(zhì)中的折射縱波角 等于90度時(shí)，稱(chēng)這時(shí)的縱波入 射角為第一臨界角 I。這時(shí)在第二介質(zhì)中已沒(méi)有縱波， 只有橫波。焊縫探傷用的橫波就是，經(jīng)過(guò)界面波型轉(zhuǎn)換得到的。（3）第二臨界角 當(dāng)縱波入射角繼續(xù)增大時(shí)，在第二介質(zhì)中的橫波折射角也增大，當(dāng)S達(dá)90度時(shí)，稱(chēng)這時(shí)的縱波入射角為第一臨界角 ，第二介質(zhì)沒(méi)有超聲波，超聲波都在表面形成表面波。介質(zhì)1介質(zhì)2介質(zhì)1介質(zhì)2LS在有機(jī)玻璃與鋼的介面，第一臨界角為1=27.60S=33.20第二臨界角為 57.7 0，用于焊縫檢測(cè)的超聲波斜探頭的入射角必須大于第一臨界角

40、而小于第二臨界角。我國(guó)習(xí)慣：斜探頭的橫波折射角用橫波折射角度的正切值表示，如K=2S橫波 入 射1 以固固界面分析，兩種介質(zhì)中都有波型轉(zhuǎn)換，即經(jīng)界面反射和折射后，不僅仍有橫波，而且出現(xiàn)了縱波。2 S 橫波入射角。3.當(dāng)= 90時(shí)，對(duì)應(yīng)的橫波入射角稱(chēng)為第三臨界角，用 表示。臨界角（1）臨界角的特點(diǎn)arcsin arcsin = arcsinL，則第二介質(zhì)中既存在折射橫波，又存在折射縱波。若L=，則第二介質(zhì)中只存在折射橫波，不存在折射縱波。這就是常用橫波探頭的設(shè)計(jì)原理和依據(jù)。若L，則第二介質(zhì)中既無(wú)折射縱波，也無(wú)折射橫波，但這時(shí)在第二介質(zhì)表面形成表面波。這就是常用表面波探頭的設(shè)計(jì)原理和依據(jù)。只有當(dāng)?shù)?/p>

41、一介質(zhì)為固體時(shí)，才會(huì)有第三臨界角。縱波入射有機(jī)玻璃與鋼界面縱波從有機(jī)玻璃斜入射擊至鋼中的折射率和入射角關(guān)系見(jiàn)圖縱波從有機(jī)玻璃斜入射擊至鋼中的往復(fù)透過(guò)率見(jiàn)圖。端角的反射超聲波在兩個(gè)相互垂直平面構(gòu)成的直角內(nèi)反射稱(chēng)為端角反射。每次反射過(guò)程都遵循超聲波的反射定律，與入射波波型相同的反射，以平行于入射方向返回，反射率的大小與入射角和入射波型有關(guān)。端角反射率工件側(cè)壁平面的反射S= 式中：d工件厚度（或直徑）；n變型橫波橫穿工件次數(shù)。鋼中遲到回波的滯后聲程為：S=0.76nd；鋁中遲到回波的滯后聲程為：S=0.88nd。在脈沖反射式探傷中，一般脈沖持續(xù)時(shí)間 所對(duì)應(yīng)的聲程不大于4，故只要側(cè)壁反射聲束路程大于直

42、射縱波聲束路程4，側(cè)壁干擾即可避免。因此，干擾條件應(yīng)滿足：2W-h=4式中：W聲束入射點(diǎn)到側(cè)壁反射點(diǎn)距離H入射點(diǎn)至被探測(cè)缺陷的距離；波長(zhǎng)。工件側(cè)壁引起的干擾現(xiàn)象61反射當(dāng)探頭置于如圖1-19所示的直角三角形工件上時(shí)，若縱波入射角 與橫波反射角 的關(guān)系為： + =90，則會(huì)在示波屏上出現(xiàn)位置特定的反射波。圓柱內(nèi)的反射WLS= d =1.67d WL= =1.3d曲面上的反射和透射平面波入射至彎曲界面上的反射回波 圖平面波入射至凹、凸曲面時(shí)的反射對(duì)球面和圓柱曲面均適用，球面具有焦點(diǎn)，柱面具有焦軸。平面波入射于球面上產(chǎn)生球面反射波，在柱面上則產(chǎn)生柱面反射波。曲面透鏡后透射波的聚焦和發(fā)散平面波入射至凹

43、曲面透鏡或凸曲面透鏡時(shí)，它們的透射波是會(huì)聚焦還是發(fā)散，主要取決于曲面兩邊介質(zhì)的聲速，圖為平面波入射至曲面透鏡時(shí)的幾種情況。超聲波的衰減定義：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，超聲波的能量逐漸減弱的現(xiàn)象稱(chēng)為超聲波的衰減。1衰減的原因引起超聲波衰減的原因很多，主要包括擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減。但探傷中所謂的衰減僅指由介質(zhì)對(duì)聲波的衰減，即吸收衰減和散射衰減衰減原因概 念決 定 因 素?cái)U(kuò)散衰減由波束的擴(kuò)散引起。即隨著傳播距離的增加，波束截面增大，使單位面積上的能量減少。波陣面的幾何形狀，即波形。如平面波不存在擴(kuò)散衰減，而柱面波和球面波則存在。傳播距離。距離增大，則衰減大。 必須指出，擴(kuò)散衰

44、減與傳播介質(zhì)無(wú)關(guān)。散射衰減由散射引起的衰減。所謂散射是指波傳播時(shí)遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如粗大晶粒的界面）從而產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。材料內(nèi)部組織。如鑄件中的鐵素體和石墨顆粒、材質(zhì)晶粒粗大等都可成為散射源。入射波波長(zhǎng)。若晶?；蛉毕莸某叽缗c波長(zhǎng)相當(dāng)，則散射特別嚴(yán)重。異質(zhì)界面的不平度。表面若不光潔，則散射較大。吸收衰減介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)因克服相互間內(nèi)摩擦（即粘滯性）造成聲能損耗而引起的衰減。這部分損耗被轉(zhuǎn)換成熱能向周?chē)鷤鞑?。?duì)于固體介質(zhì)，吸收衰減相對(duì)于散射衰減可忽略不計(jì)，但對(duì)液體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，吸收衰減則是主要的。衰減的表示方法表示材質(zhì)衰減的方法有相對(duì)比較法和絕對(duì)法兩種。相對(duì)比較法通常是在儀器靈敏

45、度相同的情況下，對(duì)同厚度不同材料的試件測(cè)試底面回波高度，或底面回波次數(shù)，或透過(guò)波高度。底面回波高，回波次數(shù)多或透過(guò)波高，則表示材料衰減小。這種方法只能概略地比較在不同材料中超聲波的衰減情況，不能定量的表示出衰減的大小。絕對(duì)法則通過(guò)測(cè)出材料的衰減系數(shù)值來(lái)反映超聲波在不同介質(zhì)中的衰減程度。（1）當(dāng)工件厚度2Nd200mm時(shí)： dB/mm）式中：m、n底波反射次數(shù)（nm）；材料的單位衰減系數(shù)；mn示波屏上第m、n次底波波高Bm、Bn的分貝差， d工件厚度；表面反射損失， 。（2）工件厚度d200mm時(shí)，采用多次反射可能超出儀器的測(cè)定范圍，所以可用底面的第一次和第二次回波的分貝差來(lái)計(jì)算衰減系數(shù)，即：

46、（ dB/mm）超聲波遠(yuǎn)場(chǎng)規(guī)則反射體的反射規(guī)律（一）各種規(guī)則反射體的反射及其反射聲壓如前所述，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中，聲束軸線上的聲壓變化隨距離的增加呈單調(diào)下降，遠(yuǎn)場(chǎng)中的入射聲壓基本可按球面波的聲壓變化規(guī)律計(jì)算：式中：D晶片直徑； A晶片面積，如果方晶片，可直接用面積代入，從而簡(jiǎn)化了運(yùn)算遠(yuǎn)場(chǎng)規(guī)則反射體的反射規(guī)律1大平面（底面）的反射： 遠(yuǎn)場(chǎng)規(guī)則反射體的反射規(guī)律2圓形（平底孔底面）或方形平面的反射遠(yuǎn)場(chǎng)規(guī)則反射體的反射規(guī)律圓柱面的反射若圓柱體直徑為，長(zhǎng)度為，晶片至反射體距離為X，當(dāng)/2時(shí)，則有兩種情況：（1）長(zhǎng)橫孔遠(yuǎn)場(chǎng)規(guī)則反射體的反射規(guī)律短橫孔當(dāng)圓柱體 的長(zhǎng)度小于聲束直徑時(shí)，反射聲壓 為遠(yuǎn)場(chǎng)規(guī)則反射體的反射規(guī)

47、律球形面的反射球體直徑為d，且小于聲束直徑，球面前沿離晶片距離Xd，規(guī)則反射體的反射聲壓和形狀系數(shù)“”為各反射體離聲源的距離聲 壓 反射體種類(lèi)入射聲壓形狀系數(shù)反射聲壓大平底（B）平底孔長(zhǎng)橫（）短橫孔球孔（d）缺陷相對(duì)聲壓反射率及其應(yīng)用在實(shí)際探傷中為了計(jì)算缺陷的當(dāng)量，常用缺陷反射聲壓 與基準(zhǔn)反射體聲壓 之比，簡(jiǎn)稱(chēng)缺陷相對(duì)反射率缺陷相對(duì)反射 率缺陷孔型缺陷相對(duì)于大平底的聲壓反射率缺陷相對(duì)于基準(zhǔn)孔聲壓反射率的dB數(shù)及其當(dāng)量計(jì)算平底孔長(zhǎng)橫孔短橫孔球孔缺陷相對(duì)聲壓反射率及其應(yīng)用1調(diào)節(jié)探傷靈敏度例題：用頻率為2.5MHZ， 直探頭，探測(cè)厚度300mm的鍛件，要求直徑 的缺陷不漏檢，試求利用工件大平底，如何

48、調(diào)節(jié)探傷靈敏度？若改用材料與工件相同的200mm，深 ，平底孔試塊，如何調(diào)節(jié)探傷靈敏度？（不計(jì)表面耦合差）解1：已知 所以利用工件底面調(diào)節(jié)靈敏度的變化量為調(diào)整時(shí)將工件底面回波為基準(zhǔn)高度后，再釋放34dB，即達(dá)到要求。缺陷相對(duì)聲壓反射率及其應(yīng)用解2：已知 此時(shí)靈敏度調(diào)節(jié)量為： 這表示200/2與300/3的靈敏度一樣調(diào)節(jié)時(shí)，只要將試塊上深200mm，2mm的平底孔反射波調(diào)至基準(zhǔn)高度，即滿足要求。缺陷相對(duì)聲壓反射率及其應(yīng)用2缺陷當(dāng)量計(jì)算和孔型換算例題：用2MHZ、 直探頭探測(cè)厚度為350mm鍛件，發(fā)現(xiàn)距探測(cè)面200mm處有一缺陷，其回波高度比標(biāo)準(zhǔn)試塊深150mm處 平底孔回波高11dB，求缺陷的平

49、底孔當(dāng)量；該缺陷相當(dāng)于多大的長(zhǎng)橫孔直徑？解：（1）已知 缺陷聲程 （2）此缺陷的平底孔當(dāng)量為5mm，若換算成長(zhǎng)橫孔，雖然孔型不同，但對(duì)于同一個(gè)缺陷它們的聲壓（或聲壓反射率）相等，所以：此缺陷相當(dāng)于1.8mm直徑的長(zhǎng)橫孔，同時(shí)表明，在上述條件下5mm平底孔與1.8mm長(zhǎng)橫孔的反射聲壓相等。超聲波探傷方法超聲波探傷方法可從多個(gè)角度來(lái)對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)1按原理分類(lèi) 共振法、穿透法、脈沖反射法、衍射時(shí)差法（TOFD）。2按顯示方式分類(lèi) A型顯示和超聲成像顯示（可細(xì)分為B、C、 D、S、P型顯示等）。3按波型分類(lèi) 縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等。4按探頭數(shù)目分類(lèi) 單探頭法、雙探頭法、多探頭法。5按

50、探頭與工件的接觸方式分類(lèi) 接觸法、液浸法、電磁耦合法。6按人工干預(yù)的程度分類(lèi) 手工檢測(cè)、自動(dòng)檢測(cè)。超聲波探傷方法（一）共振法若聲波（頻率可調(diào)的連續(xù)波）在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)被檢工件的厚度（）為聲波半波長(zhǎng)（/2）的整數(shù)倍，由于入射波和反射波的相位相同，在試件內(nèi)可形成駐波，試件產(chǎn)生共振。 儀器可顯示出共振頻率，用相鄰兩個(gè)共振頻率之差計(jì)算出工件厚度，則：式中：第 n 點(diǎn)的共振頻率；C被檢試件的聲速；試件的厚度。超聲波探傷方法穿透法其基本原理是：先將兩個(gè)探頭分別置于被測(cè)工件的兩個(gè)相對(duì)面，一個(gè)探頭發(fā)射超聲波，超聲波即透射過(guò)被測(cè)工件而被另一面的探頭所接受，若被測(cè)件內(nèi)有缺陷存在，由于缺陷可引起超聲波的衰減，因

51、此透射過(guò)的超聲波的能量減少。根據(jù)能量減少的程度可判斷缺陷的大小。其優(yōu)點(diǎn)是：不存在探測(cè)盲區(qū)，判定缺陷方法簡(jiǎn)單，適用于連續(xù)的自動(dòng)化探測(cè)較薄的工件。缺點(diǎn)是：探傷靈敏度低，分辨率差，不能確定缺陷的深度位置，一般需要專(zhuān)用的探頭夾持裝置。超聲波探傷方法脈沖反射法超聲波以持續(xù)極短的時(shí)間發(fā)射脈沖到被檢工件內(nèi)，當(dāng)遇到缺陷和底面就會(huì)產(chǎn)生反射，根據(jù)反射波的情況來(lái)檢測(cè)試件缺陷的方法稱(chēng)為脈沖反射法。脈沖反射法可分為垂直探傷法和斜角探傷法兩種1垂直探傷法垂直探傷時(shí)，探頭垂直地或以小于第一臨界角的入射角度耦合到被測(cè)件上，在被測(cè)件內(nèi)部只產(chǎn)生縱波。垂直探傷法在板材、鍛件、鑄件、復(fù)合材料等探傷中廣泛應(yīng)用。它又分一次脈沖反射法和多

52、次脈沖反射法。（1） 一次脈沖反射法。當(dāng)被測(cè)件無(wú)缺陷時(shí)，示波屏上只有始波（T）和底波（B）， 當(dāng)被測(cè)件中有小缺陷時(shí)，示波屏上除始波和底波外，還有缺陷波（F），當(dāng)被測(cè)件中的缺陷大于聲束直徑時(shí)，示波屏幕上只有始波和缺陷波，底波消失。超聲波探傷方法（2）多次脈沖反射法。該法是以多次底面脈沖反射信號(hào)為依據(jù)進(jìn)行探傷的一種方法。探傷時(shí)，示波屏上出現(xiàn)波高逐次遞減的多次底波。這種探傷方法可用于檢測(cè)吸收性缺陷（如疏松等）。聲波穿過(guò)這些缺陷不引起反射，但聲波衰減很大，聲波經(jīng)幾次底面反射并多次穿過(guò)缺陷，使聲能逐漸耗盡，因而底波逐漸消失。超聲波探傷方法2斜角探傷法在脈沖反射探傷法中，用不同角度的斜探頭在被測(cè)件中可產(chǎn)生

53、橫波、表面波和蘭姆波的探傷法稱(chēng)為斜角探傷法。優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)直探頭探測(cè)不到的缺陷進(jìn)行探傷；可用改變?nèi)肷浣堑姆椒òl(fā)現(xiàn)不同方位的缺陷；用表面波可測(cè)得形狀復(fù)雜的缺陷；蘭姆波可對(duì)薄板進(jìn)行探傷等。如圖所示為橫波探傷法， 前述已提及，探頭晶片入射時(shí)，橫波斜角探傷法特別適合對(duì)焊縫中缺陷的探傷。AVG曲線定義AVG曲線是描述規(guī)則反射體的距離（A）、回波高度（V）及當(dāng)量尺寸（G）之間關(guān)系的曲線。A、V、G是德文的字頭縮寫(xiě)。英文中縮寫(xiě)為DGS。作用AVG曲線可用于對(duì)缺陷定量和靈敏度調(diào)整。分類(lèi)根據(jù)通用性分為通用AVG和實(shí)用AVG；根據(jù)波型不同分為縱波AVG和橫波AVG；根據(jù)反射體不同分為平底孔AVG和橫孔AVG等。AVG

54、曲線（一）通用AVG曲線以橫坐標(biāo)表示歸一化距離，縱坐標(biāo)表示規(guī)則反射體歸一化相對(duì)波高，用來(lái)描述歸一化距離和歸一化缺陷當(dāng)量大小的關(guān)系曲線，稱(chēng)為通用AVG曲線。通用AVG曲線可以用來(lái)調(diào)整檢測(cè)靈敏度和對(duì)缺陷進(jìn)行定量，通用性好，適用不同規(guī)格的探頭。通用AVG曲線在使用過(guò)程當(dāng)中要進(jìn)行歸一化換算，給操作者帶來(lái)不便，為此引入了適用于特定探頭的專(zhuān)用AVG曲線，常稱(chēng)為實(shí)用AVG曲線。AVG曲線（二）實(shí)用AVG曲線以橫坐標(biāo)表示實(shí)際距離，縱坐標(biāo)表示規(guī)則反射體相對(duì)波高，用來(lái)描述距離、波幅、當(dāng)量尺寸之間的關(guān)系曲線，稱(chēng)為實(shí)用AVG曲線。實(shí)用AVG曲線是由特定探頭實(shí)測(cè)和計(jì)算所得，需要注明探頭的尺寸和頻率。對(duì)于垂直線性良好的儀

55、器，回波高度與聲壓成正比，可將AVG曲線直接繪制在儀器示波屏面板上，因此也稱(chēng)為AVG面板曲線，其縱坐標(biāo)表示波高，橫坐標(biāo)表示距離。利用AVG面板曲線可調(diào)整檢測(cè)靈敏度和對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷定量，比通用AVG曲線方便。缺陷的定位缺陷的定位的概述探傷中測(cè)定缺陷在工件中的具體位置，稱(chēng)為定位。常用垂直高度（缺陷至探測(cè)面的垂直距離）和水平距離的二軸坐標(biāo)確定缺陷的位置。1垂直法探傷的定位垂直法探傷的定位比較簡(jiǎn)便，若探頭波束軸線不偏離，缺陷回波達(dá)最高值時(shí)，缺陷的水平位置就在探頭的入射點(diǎn)之下（即缺陷正位于探頭中心軸線上），只要測(cè)定缺陷在工件中的深度，即可對(duì)缺陷定位。當(dāng)探傷儀按聲程測(cè)距時(shí)，儀器基線刻度與聲程的比例系數(shù)

56、k確定后，若缺陷波前沿所對(duì)的水平刻度值為m，則缺陷至探頭的距離h為hkm 。缺陷的定位2斜角法探傷的定位斜角法探傷時(shí)，缺陷的水平位置不在探頭入射點(diǎn)的法線上，需要通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系來(lái)計(jì)算缺陷的水平距離和垂直深度。以橫波斜探頭探測(cè)平面為例。缺陷從探測(cè)面上的投影點(diǎn)到探頭聲束入射點(diǎn)之間的水平距離“”稱(chēng)為“探頭距離”。缺陷至探測(cè)面的垂直距離“h”稱(chēng)為缺陷深度。缺陷的位置即由這兩個(gè)參數(shù)確定。由于橫波掃描速度可按聲程、水平、深度來(lái)調(diào)節(jié)，因此缺陷定位的方法也不一樣。以下介紹前兩種方法。缺陷的定位（1）按聲程調(diào)節(jié)掃描速度 儀器按聲程1n調(diào)節(jié)橫波掃描速度，缺陷波水平刻度為。一次波探傷時(shí)，缺陷至入射點(diǎn)的聲程Sn，則缺陷在工件中的水平距離L和深度h為：LSsin h=Scos二次波探傷時(shí)，Sn（SS1+S2），若工件厚度為T(mén)，則缺陷在工件中的水平距離L和深度h為：LSsin h=2TScos（2）按水平調(diào)節(jié)掃描速度 儀器按水平