超聲波檢測(cè)的原理和應(yīng)用

　　超聲波檢測(cè)是指超聲波與被檢測(cè)工件相互作用，研究超聲波與工件作用后的反射、投射和散射波，以達(dá)到對(duì)被檢測(cè)工件宏觀缺陷、幾何特性及力學(xué)變化等方面的檢測(cè)，并對(duì)工件應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的一門(mén)技術(shù)。超聲檢測(cè)是目前常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是控制工件質(zhì)量、設(shè)備維護(hù)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝及提高工作效率的重要手段，已在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。

一、發(fā)展過(guò)程

　　1929年，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出利用超聲波檢查金屬內(nèi)部缺陷的建議，并進(jìn)行了超聲波穿透法的實(shí)驗(yàn)研究并申請(qǐng)了材料缺陷檢測(cè)的專(zhuān)利。

　　1940年，美國(guó)提出了基于脈沖發(fā)射法的超聲波檢測(cè)儀。

　　1946年，英國(guó)科學(xué)家研制出第一臺(tái)A型脈沖反射式超聲波探傷儀。

　　20世紀(jì)中期，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測(cè)技術(shù)也隨著得到迅猛發(fā)展，使用超聲波對(duì)焊縫等缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

　　不久后，英國(guó)原子能管理局提出了運(yùn)用衍射時(shí)差法進(jìn)行超聲檢測(cè)，利用衍射現(xiàn)象對(duì)被檢測(cè)工件內(nèi)部缺陷尺寸進(jìn)行確定。

　　20世紀(jì)80年代，隨著數(shù)字式超聲儀器的出現(xiàn)，模擬式超聲檢測(cè)儀逐漸被取代。

　　最近，超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展非常迅速，出現(xiàn)了超聲三維成像，電磁超聲檢測(cè)及導(dǎo)波技術(shù)等新型的超聲檢測(cè)技術(shù)，使得超聲檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用效率得到了大大提升。

二、超聲檢測(cè)基本原理

　　超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中傳播的彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。

　　超聲檢測(cè)主要是基于超聲波在被檢測(cè)工件中的傳播特性，對(duì)反射、投射和散射波進(jìn)行分析，從而確定被檢測(cè)工件的特性。超聲波在介質(zhì)中傳播的性能(波速、衰減、吸收)與介質(zhì)中(被檢測(cè)工件)的非聲量(如濃度、密度、彈性、硬度、粘度、溫度、流量、厚度、缺陷等)有密切的聯(lián)系。

　　其工作原理可分為：由超聲波檢測(cè)儀的聲源產(chǎn)生超聲波，通過(guò)一定的方式進(jìn)入被檢測(cè)工件內(nèi)部。超聲波在被檢測(cè)工件中的傳播特性與被檢測(cè)工件材料以及其中的缺陷密切相關(guān)。之后，通過(guò)超聲波接收設(shè)備接收通過(guò)被檢測(cè)工件的超聲波，并對(duì)其進(jìn)行處理分析。根據(jù)所接收的超聲波特征，評(píng)估被檢測(cè)工件內(nèi)部缺陷的特性。

三、超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)

　　振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。頻率在20～20000Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波稱為聲波;低于20Hz的機(jī)械波稱為次聲波;高于20000Hz的機(jī)械波，稱為超聲波，見(jiàn)圖1。

　　當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。

　　1、波的反射和折射

　　由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角α的正弦與反射角α'的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同時(shí)，波速相等，入射角α即等于反射角α'，見(jiàn)圖2。

　　當(dāng)波在界面外產(chǎn)生折射時(shí)，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即:

　　sinα/sinβ=c1/c2

　　2、超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換

　　當(dāng)聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同時(shí)，聲波的波型也有所不同。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播;質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，它只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?img id="0.9663339058470826" src="http://7310099.s21i.faimallusr.com/4/ABUIABAEGAAgnpWG5gUozOX_xQIw6gM4qwI.png" width="490" height="299" alt=" " />

　　當(dāng)聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)(固體)的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以外，還會(huì)發(fā)生橫波的反射和折射，見(jiàn)圖3。在一定條件下，還能產(chǎn)生表面波。各種波型均符合幾何光學(xué)中的反射定律：

　　cL/sinα=cL1/sinα1=cS1/sinα2=cL2/sinγ=cS2/sinβ

　　式中，α為入射角;α1、α2為縱波與橫波的反射角;γ、β為縱波與橫波的折射角;cL、cL1、cL2為入射介質(zhì)、反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的縱波速度;cS1、cS2為反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的橫波速度。

　　如果介質(zhì)為液體或氣體，則僅有縱波。

　　3、聲波的衰減

　　聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射、吸收等因素有關(guān)。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下：

　　p=p0e-ax

　　I=I0e-2ax

　　式中，p0、I0為距聲源x=0處的聲壓和聲強(qiáng);e為自然對(duì)數(shù)的底;α為衰減系數(shù)，Np/cm(奈培/厘米)。

四、超聲檢測(cè)的設(shè)備和器材

　　超聲檢測(cè)設(shè)備與器材包括超聲檢測(cè)儀、超聲換能器、耦合劑、試塊等組成。

　　超聲檢測(cè)儀是超聲檢測(cè)的主要設(shè)備，通過(guò)超聲檢測(cè)儀產(chǎn)生的電振蕩作用于換能器上，同時(shí)也可以接收通過(guò)換能器所接收的信號(hào)。根據(jù)信號(hào)處理技術(shù)，超聲檢測(cè)儀分為模擬式和數(shù)字式。近年來(lái)，由于電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式超聲檢測(cè)儀正在逐漸取代模擬式超聲檢測(cè)儀。

　　超聲換能器又稱探頭，是超聲檢測(cè)設(shè)備中關(guān)鍵的器件。探頭是將其它形式能轉(zhuǎn)換成超聲的器件，探頭的性能直接關(guān)系到超聲檢測(cè)能力。目前，常用的換能器有：壓電換能器、電磁換能器、激光及換能器磁致伸縮換能器，其中壓電換能器為目前最普遍應(yīng)用的換能器。也可以根據(jù)波型種類(lèi)，將換能器分為：縱波換能器、橫波換能器、板波換能器及表面波換能器。

　　耦合劑為了改善探頭與被檢測(cè)工件間超聲波的傳遞，因?yàn)榭諝鈱?duì)超聲波的反射率較高，使得超聲檢測(cè)儀發(fā)出的超聲波無(wú)法進(jìn)入被檢測(cè)工件內(nèi)部。因此，選擇耦合劑排除探頭與被檢測(cè)工件間的空氣間隙，使得超聲波進(jìn)入被檢測(cè)工件內(nèi)部。目前常用的耦合劑有：甘油、機(jī)油、水及化學(xué)漿糊等，其中化學(xué)漿糊是用于最為廣泛的耦合劑。

　　試塊是為了保證超聲檢測(cè)結(jié)果的正確性，所使用的已知固定特性的試件對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。試塊分為標(biāo)準(zhǔn)試塊、對(duì)比試塊及模擬試塊三類(lèi)。標(biāo)準(zhǔn)試塊又可以分為：荷蘭試塊、牛角試塊及CSK-IA試塊。

五、超聲檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域

　　目前，在工業(yè)生產(chǎn)的各行各業(yè)都用到超聲波檢測(cè)技術(shù)，超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用使得工業(yè)生產(chǎn)中的質(zhì)量得到了大大的提高，提高了工作效率。

　　超聲波在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用簡(jiǎn)單介紹：

　　1、金屬材料檢測(cè)。如鋼板、高壓管道、焊縫、管道、壓力容器、堆焊層及車(chē)輛零部件等工件的檢測(cè)，以控制工件的質(zhì)量。

　　2、新材料的檢測(cè)。如有機(jī)基復(fù)合材料、陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等，超聲檢測(cè)已成為復(fù)合材料質(zhì)量檢測(cè)的重要手段。

　　3、非金屬的檢測(cè)。如混凝土、巖石和路面等質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)其內(nèi)部缺陷、強(qiáng)度、內(nèi)應(yīng)力等方面進(jìn)行質(zhì)量把控。

　　4、高溫超聲檢測(cè)、動(dòng)態(tài)超聲檢測(cè)等方面都有很大進(jìn)展。

　　5、核電工業(yè)的超聲檢測(cè)。我國(guó)已能完成核電廠和核設(shè)施的全程檢查，使得核電工業(yè)發(fā)展更為安全可靠。

　　6、醫(yī)學(xué)診斷，應(yīng)用超聲波對(duì)胎兒身體健康狀況進(jìn)行判定。

　　7、人們正試圖將超聲檢測(cè)技術(shù)用于開(kāi)辟其它新領(lǐng)域，如將超聲檢測(cè)技術(shù)用于液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)作非接觸檢測(cè)、性能分析和故障診斷等。

六、展望

　　目前，超聲檢測(cè)正向高精度、高分辨率發(fā)展，并且超聲檢測(cè)在高溫、動(dòng)態(tài)檢測(cè)等方面也迫切需要。隨著科技的發(fā)展：無(wú)損檢測(cè)逐步向定量化、圖像化方向發(fā)展，超聲檢測(cè)系統(tǒng)將進(jìn)一步數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化、圖像化。超聲波探傷正沿著攜小型化、智能化、數(shù)字彩色等方向發(fā)展。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)伴隨材料與工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，并隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與安全性的不斷重視而得到進(jìn)一步提高。