常用無損檢測方法

1、第6章 常用無損檢測方法,6.1 超聲檢測 6.2 射線檢測 6.3 渦流檢測 6.4 聲發(fā)射檢測 6.5 紅外檢測 6.6 激光全息檢測 6.7 其他無損檢測方法 思考與練習(xí)題,6.1 超 聲 檢 測,6.1.1 超聲檢測的基礎(chǔ)知識　　1. 描述超聲波的基本物理量　　超聲波的產(chǎn)生依賴于做高頻機械振動的“聲源”和傳播機械振動的彈性介質(zhì)，所以機械振動和波動是超聲檢測的物理基礎(chǔ)。 描述超聲波波動特性的基本物理量有： 聲

2、速c、頻率f、波長λ、周期T 、角頻率ω。其中頻率和周期是由波源決定的，聲速與傳聲介質(zhì)的特性和波型有關(guān)。 這些量之間的關(guān)系如下：,（6-1）,2. 超聲波的特點　超聲波波長很短，這決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應(yīng)用于無損檢測?！?) 方向性好 超聲波具有像光波一樣定向束射的特性。 2）穿透能力強 對于大多數(shù)介質(zhì)而言，它具有較強的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達數(shù)米。 3）能量高 超聲檢測的工作頻率

3、遠高于聲波的頻率，超聲波的能量遠大于聲波的能量。 　4）遇有界面時，將產(chǎn)生反射、折射和波型的轉(zhuǎn)換。利用超聲波在介質(zhì)中傳播時這些物理現(xiàn)象，經(jīng)過巧妙的設(shè)計，使超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。,3. 超聲波的分類　　超聲波的分類方法很多，如圖6.1所示。主要有：按介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向之間的關(guān)系分類，即按波型分類；按波振面的形狀分類，即按波形分；按振動的持續(xù)時間分類等。其中，按波型是研究超聲波在介質(zhì)中傳播規(guī)律的重

4、要理論依據(jù)，將著重討論。,圖 6-1 超聲波的分類,1） 超聲波的波型　　超聲波的波型指的是介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向的關(guān)系。按波型可分為縱波、橫波、表面波和板波等。 　?。?） 縱波。介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相同的波叫縱波，用L表示(見圖6-2)。介質(zhì)質(zhì)點在交變拉壓應(yīng)力的作用下，質(zhì)點之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮變形，從而形成了縱波?？v波傳播時，介質(zhì)的質(zhì)點疏密相間，所以縱波有時又稱為壓縮波或疏密波。,圖6-2 縱波,（2）

5、 橫波。介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向垂直于波的傳播方向的波叫橫波，用S或T表示(見圖6-3)。橫波的形成是由于介質(zhì)質(zhì)點受到交變切應(yīng)力作用時， 產(chǎn)生了切變形變，所以橫波又叫做切變波。液體和氣體介質(zhì)不能承受切應(yīng)力，只有固體介質(zhì)能夠承受切應(yīng)力，因而橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體介質(zhì)中傳播。 　?。?） 表面波（瑞利波）。當(dāng)超聲波在固體介質(zhì)中傳播時， 對于有限介質(zhì)而言，有一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟幢砻娌?見圖6-4)。瑞利首先對這種波給予

6、了理論上的說明，因此表面波又稱為瑞利波， 常用R表示。,圖6-3 橫波,圖6-4 表面波,（4） 板波（蘭姆波）。在板厚和波長相當(dāng)?shù)膹椥员“逯袀鞑サ某暡ń邪宀?或蘭姆波)。板波傳播時聲場遍及整個板的厚度。 薄板兩表面質(zhì)點的振動為縱波和橫波的組合， 質(zhì)點振動的軌跡為一橢圓，在薄板的中間也有超聲波傳播(見圖6-5)。板波按其傳播方式又可分為對稱型（S型）和非對稱型（A型）兩種，這是由質(zhì)點相對于板的中間層作對稱型還是非對稱型運動來決定的。,

7、圖6-5 板波(a) 對稱型； (b) 非對稱型,2) 超聲波的波形　　超聲波由聲源向周圍傳播的過程可用波陣面進行描述。 如圖6-6所示，在無限大且各向同性的介質(zhì)中，振動向各方向傳播， 用波線表示傳播的方向；將同一時刻介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點所連成的面稱為波陣面；某一時刻振動傳播到達的距聲源最遠的各點所連成的面稱為波前。在各向同性介質(zhì)中波線垂直于波陣面。在任何時刻，波前總是距聲源最遠的一個波陣面。 波前只有一個，而波陣面可以

8、有任意多個。,圖6-6 波線、 波前與波陣面(a) 平面波； (b) 柱面波； (c) 球面波,根據(jù)波陣面的形狀(波形)，可將超聲波分為平面波、柱面波和球面波等。 　　平面波即波陣面為平面的波，而柱面波的波陣面為同軸圓柱面，球面波的波陣面為同心球面，如圖6-6所示。當(dāng)聲源是一個點時，在各向同性介質(zhì)中的波陣面為以聲源為中心的球面。 可以證明，球面波中質(zhì)點的振動幅度與距聲源的距離成反比。 當(dāng)聲源的尺寸遠小于測量點距聲源的距離時，可以

9、把超聲波看成是球面波。 球面波的波動方程為,（6-2）,3）連續(xù)波與脈沖波　 連續(xù)波是介質(zhì)中各質(zhì)點振動時間為無窮時的波。脈沖波是質(zhì)點振動時間很短的波，超聲檢測中最常用的是脈沖波。對脈沖波進行頻譜分析，可知它并非單一頻率，而是包括多種頻率成分。其中人們關(guān)心的頻譜特征量主要有峰值頻率、頻帶寬度和中心頻率。,6.1.2 超聲場及介質(zhì)的聲參量簡介　　1.超聲場的物理量　1) 聲壓　　當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時，由于介質(zhì)質(zhì)點振動，使介質(zhì)中

10、壓強交替變化。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(tài)壓強P0之差稱為該點的聲壓，用P表示,即,(6-3),對于平面余弦波， 可以證明：,（6-4）,式中：　為介質(zhì)的密度;c為介質(zhì)中的聲速；　為介質(zhì)質(zhì)點的振幅；V為介質(zhì)質(zhì)點振動的角頻率； 為質(zhì)點振動速度的幅值；t為時間；x為質(zhì)點距聲源的距離； 為聲壓幅值?！　∮缮鲜娇芍撼晥鲋心骋稽c的聲壓幅值Pm與角頻率成正比，也就與頻率成

11、正比。由于超聲波的頻率很高，遠大于聲波的頻率，故超聲波的聲壓一般也遠大于聲波的聲壓。,2） 聲阻抗 　介質(zhì)中某一點的聲壓幅值Pm與該處質(zhì)點振動速度幅值Vm之比，稱為聲阻抗，常用Z表示。在同一聲壓下，聲阻抗Z愈大，質(zhì)點的振動速度就愈小。聲阻抗表示超聲場中介質(zhì)對質(zhì)點振動的阻礙作用。 由式(6-4)得,（6-5）,3） 聲強　　單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能，稱為聲強，用I表示。 對于平面縱波，其聲強I為,（6-6）,由式(6-6

12、)可知，超聲場中，聲強與角頻率平方成正比。由于超聲波的頻率很高，故超聲波的聲強很大，這是超聲波能用于探傷的重要依據(jù)。,4） 分貝的概念　實際探傷中，將聲強I1與I2之比取對數(shù)的10倍得到二者相差的數(shù)量級，這時單位為分貝，用dB表示，即,（6-7）,根據(jù)式（6-6），有,（6-8）,式中： Pm1、 Pm2分別為聲強I1、 I2對應(yīng)的聲壓幅值。,對于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H1、H2之比等于相應(yīng)

13、的聲壓Pm1、Pm2之比， 即,（6-9）,2. 介質(zhì)的聲參量　　1） 聲速　　聲速表示聲波在介質(zhì)中傳播的速度，它與超聲波的波型有關(guān)，但更依賴于傳聲介質(zhì)自身的特性。因此，聲速又是一個表征介質(zhì)聲學(xué)特性的參量。了解受檢材料的聲速，對于缺陷的定位和定量分析都有重要的意義。 　　聲速又可分為相速度和群速度。相速度是指聲波傳播到介質(zhì)的某一選定相位點時在傳播方向上的聲速。群速度是指傳播聲波的包絡(luò)上具有某種特征（如幅值最大）的點上沿傳播方

14、向上的聲速。 群速度是波群的能量傳播速度。,（1）縱波、橫波和表面波的聲速?？v波、橫波和表面波的聲速主要是由介質(zhì)的彈性性質(zhì)、密度和泊松比決定的，而與頻率無關(guān)，即它們各自的相速度和群速度相同，因此一般說到它們的聲速都是指相速度。不同材料聲速值有較大的差異。 在給定的材料中，頻率越高，波長越短。 　　同一固體介質(zhì)中，縱波聲速c1大于橫波聲速cs，橫波聲速cs又大于瑞利波聲速cr。對于鋼材，c1 ≈1.8cs，cs≈1.1cr?！　。?

15、） 板波的聲速。板波的聲速與其他波型不同，其相速度隨頻率變化而變化。相速度隨頻率變化而變化的現(xiàn)象被稱為頻散。,2） 聲衰減系數(shù)　　超聲波的衰減指的是超聲波在材料中傳播時，聲壓或聲能隨距離的增大逐漸減小的現(xiàn)象。引起衰減的原因主要有三個方面：一是聲束的擴散；二是由于材料中的晶?；蚱渌⑿☆w粒引起聲波的散射；三是介質(zhì)的吸收。  在超聲檢測中，談到超聲波在材料中的衰減時，通常關(guān)心的是散射衰減和吸收衰減，而不包括擴散衰減。 對于平

16、面波來說， 聲壓幅值衰減規(guī)律可用下式表示：,（6-10）,介質(zhì)中超聲波的衰減系數(shù)α與超聲波的頻率關(guān)系密切， 通常情況下，衰減系數(shù)隨頻率的增高而增大。 　 將式(6-10)兩邊取對數(shù)可轉(zhuǎn)換為以下關(guān)系式：,（6-11）,此時，的單位為dB／mm(分貝／毫米)?！　≡诔暀z測中，直接可測量的量是兩個聲壓比值的分貝數(shù)。 因此衰減系數(shù)可通過超聲波穿過一定厚度（Δx）材料后聲壓衰減的分貝（ΔdB）數(shù)進行測量，將衰減量(ΔdB)除以厚度即

17、為衰減系數(shù)α。,6.1.3 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性　　1. 超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射　　如圖6-7所示，當(dāng)超聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時， 一部分能量透過界面進入第二種介質(zhì)，成為透射波(聲強為It)， 波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來，沿與入射波相反的方向傳播，成為反射波(聲強為Ir)。聲波的這一性質(zhì)是超聲波檢測缺陷的物理基礎(chǔ)。,圖6-7 超聲波垂直入射于平界面的反射與透射,通常將反射波聲壓Pr與

18、入射波聲壓P0的比值稱為聲壓反射率r，將透射波聲壓Pt和P0的比值稱為聲壓透射率t?？梢宰C明， r和t的數(shù)學(xué)表達式為：,（6-12）,（6-13）,式中： Z1為第一種介質(zhì)的聲阻抗； Z2為第二種介質(zhì)的聲阻抗。,為了研究反射波和透射波的能量關(guān)系，引入聲強反射率R和聲強透射率T兩個量。R為反射波聲強(Ir)和入射波聲強(I0)之比；T為透射波聲強(It)和入射波聲強(I0)之比。,（6-14）,（6-15）,對于脈沖反射技術(shù)來說，還有一個

19、有意義的量是聲壓往返透過率，如圖6-8所示。通常入射聲壓經(jīng)過兩種介質(zhì)的界面透射到試件中后，均需經(jīng)過相反的路徑（假設(shè)在工件底面的反射為全反射）再次穿過界面到第一介質(zhì)中才被探頭所接收。 兩次穿透界面時透射率的大小，決定著接收信號的強弱。因此， 將聲壓沿相反方向兩次穿過界面時總的透射率稱為聲壓往返透過率(tp)，其數(shù)值等于兩次穿透界面的透射率的乘積， 由式（6-13）可得,（6-16）,圖6-8 聲壓往返透過率,2. 超聲波垂直入射到多層界面

20、上時的反射和透射　　在超聲檢測中經(jīng)常遇到超聲波進入第二種介質(zhì)后，穿過第二種介質(zhì)再進入第三種介質(zhì)的情況。如圖6-9所示，當(dāng)超聲波從介質(zhì)1（聲阻抗為Z1）中垂直入射到介質(zhì)1和介質(zhì)2（聲阻抗為Z2）的界面上時， 一部分聲能被反射，另一部分透射到介質(zhì)2中；當(dāng)透射的聲波到達介質(zhì)2和介質(zhì)3（聲阻抗為Z3）的界面時，再次發(fā)生反射與透射，其反射波部分在介質(zhì)2中傳播至介質(zhì)2與介質(zhì)1的界面，則又會發(fā)生同樣的過程。如此不斷地繼續(xù)下去，則在兩個界面的兩側(cè)

21、，產(chǎn)生一系列的反射波與透射波。,圖6-9 在兩個界面上的反射和透射,3. 超聲波傾斜入射到平界面上的反射、 折射和波型變換　　當(dāng)超聲波相對于界面入射點法線以一定的角度傾斜入射到兩種不同介質(zhì)的界面上時，在界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，見圖6-10。入射聲波與入射點法線之間的夾角稱為入射角。,圖6-10 超聲波傾斜入射到平界面上的反射、折射和波型變換(a) 縱波入射； (b) 橫波入射,1) 反射 　　如圖6-10（a）所

22、示，當(dāng)縱波以入射角αL傾斜入射到異質(zhì)界面上時，將會在介質(zhì)1中于入射點法線的另一側(cè)產(chǎn)生與法線成一定夾角αL′的反射縱波。 反射波與入射點法線之間的夾角稱為反射角。入射縱波與反射縱波之間的關(guān)系符合幾何光學(xué)的反射定律，即αL=αL′?！　∨c光的反射不同的是，當(dāng)介質(zhì)1為固體時，界面上既產(chǎn)生反射縱波，同時又發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生反射橫波，即反射后同時產(chǎn)生縱波與橫波兩種波型。這時，橫波反射角αS′與縱波入射角之間的關(guān)系與光學(xué)中的斯奈爾定律相同，為,（

23、6-17）,若入射聲波為橫波，也會產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象，見圖6-10（b)， 這時橫波入射角αS與橫波反射角αS′相等。介質(zhì)1為固體時縱波反射角與橫波入射角之間的關(guān)系為,（6-18）,由于固體中縱波聲速總是大于橫波聲速，因此，無論是縱波入射還是橫波入射，均有　　　　。當(dāng)介質(zhì)1為液體或氣體時，則入射波和反射波只能為縱波。,2） 折射　　當(dāng)兩種介質(zhì)聲速不同時，透射部分的聲波會發(fā)生傳播方向的改變，稱為折射。不論是縱波入射還是橫波入射，只要介質(zhì)2

24、為固體， 則介質(zhì)2中除有與入射波相同波型的折射波外，均可因在界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生與入射波不同波型的折射波。 這時，介質(zhì)2中可能同時存在縱波與橫波(見圖6-10)。折射角與入射角之間的關(guān)系符合斯奈爾定律。 　　折射角相對于入射角的大小和折射波聲速與入射波聲速的比率有關(guān)。同時，由于縱波聲速總是大于橫波聲速，因此縱波折射角βL要大于橫波折射角βS。,3） 臨界角　　當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)中的折射波型的聲速比第一種介質(zhì)中入射波型的聲速大時，折射

25、角大于入射角。此時，存在一個臨界入射角，在這個角度下，折射角等于90°。大于這一角度時， 第二種介質(zhì)中不再有相應(yīng)波型的折射波。 　　(1) 第一臨界角。當(dāng)入射波為縱波，且cL2>cL1時，使縱波折射角達到90°的縱波入射角稱為第一臨界角，用符號αⅠ表示。當(dāng)縱波入射角大于第一臨界角時，第二介質(zhì)中不再有折射縱波。,(2) 第二臨界角。當(dāng)入射波為縱波，第二介質(zhì)為固體， 且cS2>cL1時，使橫波折射角達到9

26、0°的縱波入射角為第二臨界角，用符號αⅡ表示。 　　通常在超聲檢測中，臨界角主要應(yīng)用于第二介質(zhì)為固體， 而第一介質(zhì)為固體或液體的情況。這種情況下，可利用入射角在第一臨界角和第二臨界角之間的范圍，在固體中產(chǎn)生一定角度范圍內(nèi)的純橫波， 對試件進行檢測。,(3) 第三臨界角。第三臨界角是在固體介質(zhì)與另一種介質(zhì)的界面上，用橫波作為入射波時產(chǎn)生的。使縱波反射角達到90°時的橫波入射角稱為第三臨界角，用表示αⅢ。 　　4

27、） 斜入射時的聲壓反射率和透射率　　斜入射時反射波和透射波的聲壓關(guān)系較為復(fù)雜。但在超聲檢測中，關(guān)心的是斜入射的反射率和透射率隨入射角度的變化。 對脈沖反射法， 更關(guān)心的是聲壓往返透過率隨入射角度的變化。,3. 超聲波入射到曲界面上的反射和透射　　1） 平面波入射到曲界面上的反射　　平面波入射到曲界面上時的情況如圖6-11所示。平面波束與曲面上各入射點的法線成不同的夾角：入射角為0°的聲線沿原方向返回，稱為聲軸；其

28、余聲線的反射角則隨著距聲軸距離的增大而增大。當(dāng)曲面是球面時，反射線或其延長線匯聚于一個焦點上；反射面為圓柱面時，反射線或其延長線匯聚于一條焦線上。此時，焦距F與曲面曲率半徑r的關(guān)系為,（6-19）,圖6.11 平面波入射至曲面時的反射,2） 平面波在曲面上的折射 　　平面波入射到曲面上時，其折射波也將發(fā)生聚焦或發(fā)散， 如圖6-12所示。這時折射波的聚焦或發(fā)散不僅與曲面的凹凸有關(guān)，而且與界面兩側(cè)介質(zhì)的

29、聲速有關(guān)。對于凹面，c1c2時發(fā)散；對于凸面， c1>c2時聚焦，c1<c2時發(fā)散。 　　折射后的焦距F為,（6-20）,圖6-12 平面波在曲面上的折射,6.1.4 由圓形壓電晶片產(chǎn)生的聲場簡介　　1. 圓形壓電晶片聲源的聲場　　理想的圓盤聲源是指圓形平面的聲振動源，當(dāng)它沿平面法線方向振動時，其面上各點的振動速度幅值和相位都相同， 發(fā)射的波稱為活塞波。 　　圓盤聲源發(fā)出的聲場，由于聲源尺寸有限，必然在其邊緣

30、發(fā)生衍射效應(yīng)使聲束向周圍空間擴散，形成一個隨距離增大而波陣面面積不斷擴大的擴散聲束。另一方面，聲源上各點發(fā)出的聲波相互干涉又使得聲壓的空間分布不是隨距離單調(diào)變化的。 因此，對圓盤聲源聲場中聲壓分布的描述非常復(fù)雜。從圓盤聲源的對稱性來分析，通過圓盤中心且垂直于盤面的直線應(yīng)是聲場的對稱軸，稱為圓盤聲源軸線。討論圓盤聲源的聲場將從聲壓沿軸線的分布以及聲束擴散的特性著手。,1) 圓盤聲源軸線上的聲壓分布　　根據(jù)疊加原理，圓盤聲源軸線上任何一

31、點處的聲壓等于聲源上各點輻射的聲壓在該點的疊加。如果聲源發(fā)出的波為連續(xù)簡諧波，并假定介質(zhì)為無衰減的液體介質(zhì)，則可推出聲源軸上聲壓幅值P的分布符合下式：,（6-21）,式中：P0為聲源的起始聲壓；D為圓盤聲源的直徑； λ為傳聲介質(zhì)中聲波的波長；x為圓盤聲源軸線上某一點距聲源的距離。,圖6-13 圓盤聲源軸線上的聲壓分布,由式(6-21)，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到最后一個聲壓極大值點距聲源距離的表達式：,（6-22）,當(dāng)D>>λ時，

32、λ/4可以忽略，從而得到近場長度的簡化計算公式如下，可用于實際工作中近場長度的估算：,（6-23）,再看圖6-13中遠場區(qū)部分的特點，圖中標(biāo)有“P球”的虛線為球面波聲壓隨距離的變化曲線，可以看出，距離大于3N 以后，圓盤聲源聲軸上的聲壓幅值變化與球面波的曲線非常接近。這一結(jié)論也可通過式(6-21)導(dǎo)出。,當(dāng)4λx/D2>3，也就是x>3N時，式（6-21）可簡化為,（6-24）,式中：S=πD2/4為圓盤聲源的面積。聲壓幅值

33、與距聲源的距離成反比，正是球面波的聲壓幅值的變化規(guī)律。,2） 指向性與擴散角 　指向性與擴散角研究的是聲束在空間擴散的規(guī)律。同樣根據(jù)疊加原理，可將在空間中距聲源有一定距離的任一點的聲壓，看做是聲源上各點的輻射聲壓的疊加(見圖6-14)，從而得到聲場內(nèi)聲壓幅值的分布情況， 如圖6-15所示。,圖6-14 圓盤聲源遠場中任一點的聲壓推導(dǎo),圖6-15 圓盤聲源聲場指向性示意圖,超聲場中超聲波的能量主要集中于以聲軸為中心的某一角度范圍內(nèi)，

34、這一范圍稱為主聲束。這種聲束集中向一個方向輻射的性質(zhì)叫做聲場的指向性。在主聲束角度范圍以外還存在一些能量很低的、只分布于聲源附近的副瓣聲束。　　主聲束所包含的角度范圍可由距聲源充分遠處的聲壓分布得到。設(shè)Rs為圓形聲源的半徑，r為空間任一點M到聲源中心的距離，θ為M點與聲源中心的連線與聲源軸線的夾角。當(dāng)滿足條件r>3R2s/λ，也就是r>3N時，聲壓幅值的表達式為,（6-25）,式中： J1為第一類第一階貝塞爾函數(shù)； S為

35、聲源面積。,根據(jù)上式可知，距聲源充分遠處的任一橫截面上，以聲源軸線上的聲壓為最高。這是超聲檢測中對缺陷定位的依據(jù)。 同時，存在偏離軸線的若干個角度θ上的聲壓的幅值為零。 將遠場中第一個聲壓為零的角度，稱為指向角或半擴散角， 以θ0表示為,（6-26）,指向角是代表主聲束范圍的角度，反映了聲束的定向集中程度，也反映了聲束隨距離擴散的快慢。指向角越大，則聲束指向性越差，聲束擴散越快。由式(6-26)可看出，聲源的直徑越大， 波長越短，則聲束

36、指向角越小， 指向性越好。,圖6-16 圓盤聲源非擴散區(qū)示意圖,當(dāng)λ<<D時，式(6-26)可簡化為,（6-27）,由于超聲能量主要集中于主聲束，對于圓形晶片，可以認為在距聲源一定距離內(nèi)，超聲能量未逸出以晶片直徑所約束的范圍， 聲束直徑小于晶片直徑。這一距離之內(nèi)就稱為非擴散區(qū)， 如圖6-16所示。非擴散區(qū)之外，則稱為擴散區(qū)。按幾何關(guān)系， 可得到非擴散區(qū)的長度b為,(6-28),3) 實際聲源的聲場　　簡化計算時假定聲源是

37、均勻、連續(xù)激發(fā)的，而實際探頭多是非均勻激發(fā)的脈沖波源；簡化計算時假定介質(zhì)是液體介質(zhì)， 實際檢測對象多為固體介質(zhì)。對實際聲場的研究結(jié)果表明，實際聲場與簡化計算結(jié)果的差別主要在于近場區(qū)的聲壓分布。簡化計算結(jié)果中近場區(qū)聲壓變化劇烈，可有多處極大值和極小值。 而實際聲場近場區(qū)聲壓分布比較均勻，幅度變化小，極值點的數(shù)量也明顯減少。 　　盡管實際聲場與簡化分析結(jié)果有所差異，但在遠場區(qū)是基本符合的。因此，可以應(yīng)用簡化推導(dǎo)得出的結(jié)果

38、，進行實際檢測中的近似計算。,2. 規(guī)則反射體回波聲壓與AVG曲線　　1） 規(guī)則反射體回波聲壓　　超聲檢測用于發(fā)現(xiàn)材料中缺陷的最常用的技術(shù)是脈沖反射法， 是根據(jù)接收到的反射波的位置、幅度等信息判斷材料內(nèi)部存在缺陷的情況。因此，研究聲場中存在反射界面時反射波的聲壓對于缺陷的檢出和缺陷的評價是十分重要的。實際中總是結(jié)合圓盤聲源聲場規(guī)律，討論在圓盤聲場遠場中，介質(zhì)衰減可以忽略且界面聲壓反射率為1時，不同形狀反射體反射聲壓的變化規(guī)律。,

39、由于實際缺陷形狀是各種各樣的，甚至可能是不規(guī)則的， 在進行理論分析時，采用幾種簡化的規(guī)則形狀模型來進行計算。 有些形狀可在試樣上人工制作，從而可作為人工模擬反射體， 用于儀器的調(diào)整和缺陷的評價。規(guī)則形狀反射體主要包括大平面、圓形或方形平面、球形反射體和圓柱形反射體。具體的規(guī)則反射體回波聲壓公式可查閱有關(guān)資料。當(dāng)對實際缺陷大小進行計算時，往往得到的是該缺陷相當(dāng)于多大的規(guī)則反射體， 把這個大小稱為缺陷的當(dāng)量尺寸。,2) AVG曲線　　所

40、謂AVG曲線，是描述規(guī)則反射體距聲源的距離(A)、回波高度(V)、當(dāng)量尺寸(G)三者之間關(guān)系的曲線。A、V、G是德文距離、增益和大小三詞的字頭。利用AVG曲線，可以進行缺陷當(dāng)量的評定。 　　AVG曲線有多種類型，有縱波AVG曲線和橫波AVG曲線、 平底孔AVG曲線和橫孔AVG曲線、通用AVG曲線和實用AVG曲線等。通用AVG曲線和實用AVG曲線都可以用于調(diào)整檢測靈敏度和對缺陷進行定量。,6.1.5 超聲波檢測方法　　1. 超聲檢

41、測設(shè)備和器材　　超聲檢測設(shè)備和器材包括超聲波檢測儀、探頭、試塊、 耦合劑和機械掃查裝置等。超聲檢測儀和探頭對超聲檢測系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵性的作用，是產(chǎn)生超聲波并對經(jīng)材料中傳播后的超聲波信號進行接收、處理、顯示的部分。由這些設(shè)備組成一個綜合的超聲檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體性能不僅受到各個分設(shè)備的影響，還在很大程度上取決于它們之間的配合。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的提高，對檢測的可靠性、速度提出了更高的要求，以往的手工檢測越來越多地被自動檢測系統(tǒng)取

42、代。,1) 超聲波檢測儀　　超聲波檢測儀是超聲檢測的主體設(shè)備， 是專門用于超聲檢測的一種電子儀器。 　　(1) 超聲波檢測儀的作用。它的作用是產(chǎn)生電振蕩并加于換能器——探頭，激勵探頭發(fā)射超聲波，同時將探頭送回的電信號進行放大處理后以一定方式顯示出來，從而得到被探測工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷的位置和大小等信息。,圖6-17 A型顯示原理圖,② 按缺陷顯示方式分類：脈沖式檢測儀按回波信號的顯示方式又可分為A型顯示、B型顯示和C型顯示三種

43、類型。 　　A型顯示是一種波形顯示，屏幕的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時間（或距離），縱坐標(biāo)代表反射波的聲壓幅度。 可以認為該方式顯示的是沿探頭發(fā)射聲束方向上一條線上的不同點的回波信息。圖6-17為A型顯示原理圖。圖中，T表示發(fā)射脈沖，F(xiàn)表示來自缺陷的回波，B表示底面回波。　　B型顯示顯示的是試件的一個二維截面圖，屏幕縱坐標(biāo)代表探頭在探測面上沿一直線移動掃查的位置坐標(biāo)，橫坐標(biāo)是聲傳播的時間（或距離）。該方式可以直觀地顯示出被探工件任一縱

44、截面上缺陷的分布及缺陷的深度等信息。,圖6-18 B型顯示原理圖,C型顯示顯示的是試件的一個平面投影圖，探頭在試件表面做二維掃查，屏幕的二維坐標(biāo)對應(yīng)探頭的掃查位置。探頭在每一位置接收的信號幅度以光點輝度表示。該方式可形象地顯示工件內(nèi)部缺陷的平面投影圖像，但不能顯示缺陷的深度。圖6-19為C型顯示原理圖。,圖6-19 C型顯示原理圖,③ 按超聲波的通道分類：可分為單通道和多通道檢測儀。 　?、?按是否數(shù)字化分類：可分為數(shù)字式超聲波檢測儀

45、和模擬式超聲波檢測儀所謂數(shù)字式主要指發(fā)射、接收電路的參數(shù)控制和接收信號的處理、顯示均采用數(shù)字方式的儀器。 數(shù)字式超聲檢測儀是計算機技術(shù)和傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 它具有傳統(tǒng)模擬式檢測儀的基本功能，同時又增加了數(shù)字化帶來的先進功能，即實現(xiàn)了儀器功能的精確、自動控制，信號獲取和處理的數(shù)字化和自動化，檢測結(jié)果的可記錄性和可再現(xiàn)性。 　　以上分類中，模擬式和數(shù)字式A型脈沖反射式超聲波檢測儀在工程實際中應(yīng)用最為廣泛，其型號有CTS-22、

46、CTS-21、 JTS-5、CST-3等。圖6-20為一組超聲波檢測儀的圖片。,圖6-20 超聲波檢測儀(a)、 (b)、 (c) 數(shù)字式超聲檢測儀； (d) 探傷小車,2) 超聲波探頭　?。?） 超聲波探頭的作用。 超聲波探頭用于實現(xiàn)聲能和電能的互相轉(zhuǎn)換。它是利用壓電晶體的正、逆壓電效應(yīng)進行換能的。探頭是組成檢測系統(tǒng)的最重要的組件，其性能的好壞直接影響超聲檢測的效果。 　?。?） 常用超聲波探頭的類型。超聲波檢測中由于被探

47、測工件的形狀和材質(zhì)、探測的目的、探測的條件不同， 因而要使用各種不同形式的探頭。其中最常用的是接觸式縱波直探頭、接觸式橫波斜探頭、雙晶探頭、水浸探頭與聚焦探頭等。一般橫波斜探頭的晶片為方形，縱波直探頭的晶片為圓形，而聚焦聲源的圓形晶片為聲透鏡。 所以聲場就有圓盤源聲場、聚焦聲源聲場和斜探頭發(fā)射的橫波聲場。 圖6-21為一組探頭的圖片。,圖6-21 各種探頭 (a) 縱波直探頭； (b) 橫波斜探頭； (c) 雙晶探頭,3） 試塊與耦合

48、劑　　與一般的測量過程一樣，為了保證檢測結(jié)果的準確性與重復(fù)性、可比性，必須用一個具有已知固定特性的試樣(試塊)對檢測系統(tǒng)進行校準。這種按一定的用途設(shè)計制作的具有簡單形狀人工反射體的試件即稱為試塊。超聲檢測用試塊通常分為兩種類型，即標(biāo)準試塊(校準試塊)和對比試塊(參考試塊)。,當(dāng)探頭和試件之間有一層空氣時，超聲波的反射率幾乎為100％，即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入試件。 因此，排除探頭和試件之間的空氣非常重要。耦合劑就是為了

49、改善探頭和試件間聲能的傳遞而加在探頭和檢測面之間的液體薄層。耦合劑可以填充探頭與試件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入試件，這是使用耦合劑的主要目的。除此之外， 耦合劑有潤滑作用，可以減少探頭和試件之間的摩擦， 防止試件表面磨損探頭，并使探頭便于移動。在液浸法檢測中， 通過液體實現(xiàn)耦合，此時液體也是耦合劑。常用的耦合劑有水、甘油、 變壓器油、化學(xué)漿糊等。,2. 超聲檢測方法　　超聲檢測的方法很多，可按原理、波型和使用探頭的數(shù)目及探頭接觸

50、方式來分類。按原理分類，有脈沖反射法、穿透法和共振法；按顯示方式分類，有A型顯示、B型顯示和C型顯示；按波型分類，有縱波法、橫波法、表面波法和板波法；按探頭數(shù)目分類，有單探頭法、雙探頭法和多探頭法；按耦合方式分類，有接觸法和液浸法；按入射角度分類，有直射聲束法和斜射聲束法。,1） 穿透法　　穿透法通常采用兩個探頭，分別放置在試件兩側(cè)，一個將脈沖波發(fā)射到試件中，另一個接收穿透試件后的脈沖信號， 依據(jù)脈沖波穿透試件后幅值的變化來判斷內(nèi)部

51、缺陷的情況(見圖6-22)。,圖6-22 直射聲束穿透法 (a) 無缺陷； (b) 有缺陷,2） 脈沖反射法　　脈沖反射法是由超聲波探頭發(fā)射脈沖波到試件內(nèi)部，通過觀察來自內(nèi)部缺陷或試件底面的反射波的情況來對試件進行檢測的方法。圖6-23 顯示了接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法的基本原理。,圖6-23 接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法(a) 無缺陷； (b) 有缺陷,3） 液浸法 液浸法是在探頭與試件之間填充一定厚度的液體

52、介質(zhì)作耦合劑，使聲波首先經(jīng)過液體耦合劑，而后再入射到試件中， 探頭與試件并不直接接觸。液浸法中，探頭角度可任意調(diào)整， 聲波的發(fā)射、接收也比較穩(wěn)定，便于實現(xiàn)檢測自動化，大大提高了檢測速度。液浸法的缺點是當(dāng)耦合層較厚時，聲能損失較大。另外，自動化檢測還需要相應(yīng)的輔助設(shè)備，有時是復(fù)雜的機械設(shè)備和電子設(shè)備，它們對單一產(chǎn)品(或幾種產(chǎn)品)往往具有很高的檢測能力，但缺乏靈活性?？傊?，液浸法與直接接觸法各有利弊，應(yīng)根據(jù)被檢對象的具體情況(幾何形狀的復(fù)雜

53、程度和產(chǎn)品的產(chǎn)量等)， 選用不同的方法。,3. 超聲檢測通用技術(shù)　　超聲檢測方法可采用多種檢測技術(shù)，每種檢測技術(shù)在實施過程中，都有其需要考慮的特殊問題，其檢測過程也各有特點。 但各種超聲檢測技術(shù)又都存在著通用的技術(shù)問題。例如，檢測的過程都可歸納為以下幾個步驟：　?、?試件的準備。 　　② 檢測條件的確定，包括超聲波檢測儀、探頭、試塊等的選擇。 　?、?檢測儀器的調(diào)整。 　　④ 掃查。 　　⑤ 缺陷的評定。 

54、　　⑥ 結(jié)果記錄與報告的編寫。,1） 超聲波檢測儀的選擇　　一般市場上出售的A型脈沖反射式超聲波檢測儀已具備一些基本功能，其基本性能參數(shù)(垂直線性、水平線性等)也能滿足通常超聲檢測的要求。對于給定的任務(wù)，在選擇超聲波檢測儀時，主要考慮的是該任務(wù)的特殊要求，可從以下幾方面進行考慮：　?。?） 所需采用的超聲頻率特別高或特別低時， 應(yīng)注意頻帶寬度。 　?。?） 對薄試件檢測和近表面缺陷檢測時，應(yīng)注意發(fā)射脈沖是否可調(diào)為窄脈沖。 

55、　　（3） 檢測大厚度試件或高衰減材料時，選擇發(fā)射功率大、 增益范圍大、電噪聲低的超聲波檢測儀，有助于提高穿透能力和小缺陷顯示能力。,（4） 對衰減小或厚度大的試件，選用重復(fù)頻率可調(diào)為較低數(shù)值的超聲波檢測儀，可避免幻象波的干擾。 　?。?） 室外現(xiàn)場檢測時，應(yīng)選擇重量輕，熒光屏亮度好， 抗干擾能力強的便攜式超聲波檢測儀。 　　（6） 自動快速掃查時應(yīng)選擇最高重復(fù)頻率高的超聲波檢測儀。,2） 探頭的選擇 　（1） 頻率

56、。超聲波的頻率在很大程度上決定了其對缺陷的探測能力。頻率的選擇可以這樣考慮：對于小缺陷、 近表面缺陷或薄件的檢測，可以選擇較高頻率；對于大厚度試件、高衰減材料，應(yīng)選擇較低頻率。在靈敏度滿足要求的情況下， 選擇寬帶探頭可提高分辨力和信噪比。針對具體對象，適用的頻率需在上述考慮當(dāng)中取得一個最佳的平衡，既要保證所需尺寸缺陷的檢出，并滿足分辨力的要求，也要保證在整個檢測范圍內(nèi)具有足夠的靈敏度與信噪比。,（2） 晶片尺寸。探頭晶片尺寸對檢測的影響

57、主要是通過其對聲場特性的影響體現(xiàn)出來的。多數(shù)情況下，檢測大厚度的試件時，采用大直徑探頭較為有利；檢測厚度較小的試件時， 則采用小直徑探頭較為合理。 應(yīng)根據(jù)具體情況， 選擇滿足檢測要求的探頭。,3） 耦合劑的選擇　　選擇耦合劑主要考慮以下幾方面的要求：　?。?） 透聲性能好。 聲阻抗盡量和被探測材料的聲阻抗相近。 　?。?） 有足夠的潤濕性、 適當(dāng)?shù)母街驼扯取?　　（3） 對試件無腐蝕，對人體無損害，對環(huán)境無污染。

58、　?。?） 容易清除，不易變質(zhì)， 價格便宜，來源方便。,6.1.6 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用　　1. 典型構(gòu)件的超聲探傷技術(shù)　　1） 鍛件檢測　　鍛件的種類和規(guī)格很多，常見的類型有：餅盤件、環(huán)形件、軸類件和筒形件等。鍛件中的缺陷多呈現(xiàn)面積形或長條形的特征。由于超聲檢測技術(shù)對面積型缺陷檢測最為有利，因此鍛件是超聲檢測實際應(yīng)用的主要對象。,（1） 鍛件中的常見缺陷。鍛件中的缺陷主要來源于兩個方面：材料鍛造過程中形成的縮孔、縮松、夾雜及

59、偏析等； 熱處理中產(chǎn)生的白點、裂紋和晶粒粗大等。 　?。?） 鍛件超聲檢測的特點。鍛件可采用接觸法或液浸法進行檢測。鍛件的組織很細，由此引起的聲波衰減和散射影響相對較小。因此，鍛件上有時可以應(yīng)用較高的檢測頻率(如10 MHz以上)， 以滿足高分辨力檢測的要求， 以及實現(xiàn)較小尺寸缺陷檢測的目的。,圖6-24 軸類件徑向和軸向檢測示意圖,2) 鑄件檢測　　鑄件具有組織不均勻、組織不致密、表面粗糙和形狀復(fù)雜等特點，因此常見缺陷有孔洞類

60、（包括縮孔、縮松、疏松、 氣孔等）、裂紋冷隔類（冷裂、熱裂、白帶、冷隔和熱處理裂紋）、夾雜類以及成分類（如偏析）等。 　　鑄件的上述特點，形成了鑄件超聲檢測的特殊性和局限性。檢測時一般選用較低的超聲頻率，如0.5～2 MHz，因此檢測靈敏度也低，雜波干擾嚴重，缺陷檢測要求較低。 　　鑄件檢測常采用的超聲檢測方法有直接接觸法、 液浸法、 反射法和底波衰減法。,3) 焊接接頭檢測　　許多金屬結(jié)構(gòu)件都采用焊接的方法制造。超聲檢測是

61、對焊接接頭質(zhì)量進行評價的重要檢測手段之一。焊縫形式有對接、搭接、T型接、角接等，如圖6-25所示。焊縫超聲檢測的常見缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和焊接裂紋等。　　焊縫探傷一般采用斜射橫波接觸法，在焊縫兩側(cè)進行掃查。探頭頻率通常為2.5～5.0 MHz。發(fā)現(xiàn)缺陷后，即可采用三角法對其進行定位計算。儀器靈敏度的調(diào)整和探頭性能測試應(yīng)在相應(yīng)的標(biāo)準試塊或自制試塊上進行。,圖6-25 焊接接頭形式(a) 對接接頭； (b) 搭接接頭； (

62、c) T型接頭； (d) 角接接頭,4） 復(fù)合材料檢測　　復(fù)合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同的材料軋制或粘合在一起制成的。其粘合質(zhì)量的檢測主要有接觸式脈沖反射法、 脈沖穿透法和共振法。  　　脈沖反射法適用于復(fù)合材料是由兩層材料復(fù)合而成，粘合層中的分層多數(shù)與板材表面平行的情況。用縱波檢測時， 粘合質(zhì)量好的，產(chǎn)生的界面波會很低，而底波幅度會較高； 當(dāng)粘合不良時，則相反。,圖6-26 復(fù)合材料的C掃描圖,5） 非金屬材料的檢測

63、圖　　超聲波在非金屬材料（木材、混凝土、有機玻璃、陶瓷、橡膠、塑料、砂輪、炸藥藥餅等）中的衰減一般比在金屬中的大，多采用低頻率檢測。 一般為20～200 kHz，也有用2～5 MHz 的。為了獲得較窄的聲束，需采用晶片尺寸較大的探頭。 　　塑料零件的探測一般采用縱波脈沖反射法；陶瓷材料可用縱波和橫波探測； 橡膠檢測頻率較低，可用穿透法檢測。,,6.2 射線檢測,6.2.1 射線檢測的物理基礎(chǔ)　　1. 射線的種類和頻譜　　在射

64、線檢測中應(yīng)用的射線主要是X射線、γ射線和中子射線。X射線和γ射線屬于電磁輻射，而中子射線是中子束流。 　　1) X射線　　X射線又稱倫琴射線，是射線檢測領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種射線，波長范圍約為0.0006～100 nm(見圖6-27)。 在X射線檢測中常用的波長范圍為0.001～0.1 nm。X射線的頻率范圍約為3×109～5×1014 MHz。,圖6-27 射線的波長分布,2) γ射線 　　γ射線是一種

65、波長比X射線更短的射線，波長范圍約為0.0003～0.1 nm（見圖6-27），頻率范圍約為3×1012～1×1015MHz。 　　工業(yè)上廣泛采用人工同位素產(chǎn)生γ射線。由于γ射線的波長比X射線更短，所以具有更大的穿透力。在無損檢測中γ射線常被用來對厚度較大和大型整體工件進行射線照相。,3） 中子射線　　中子是構(gòu)成原子核的基本粒子。中子射線是由某些物質(zhì)的原子在裂變過程中逸出高速中子所產(chǎn)生的。工業(yè)上常用人工同

66、位素、加速器、反應(yīng)堆來產(chǎn)生中子射線。在無損檢測中中子射線常被用來對某些特殊部件(如放射性核燃料元件)進行射線照相。,圖6-28 鎢與鉬的X射線譜,2. X射線的產(chǎn)生　　X射線是一種波長比紫外線還短的電磁波，它具有光的特性，例如具有反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等現(xiàn)象。 它能使一些結(jié)晶物體發(fā)生熒光、氣體電離和膠片感光。 　　X射線通常是將高速運動的電子作用到金屬靶(一般是重金屬)上而產(chǎn)生的。圖6-28是在35 kV的電壓下操作

67、時，鎢靶與鉬靶產(chǎn)生的典型的X射線譜。鎢靶發(fā)射的是連續(xù)光譜，而鉬靶除發(fā)射連續(xù)光譜之外還疊加了兩條特征光譜，稱為標(biāo)識X射線，即Kα線和Kβ線。若要得到鎢的Kα線和Kβ線，則電壓必須加到70 kV以上。,1） 連續(xù)X射線　　根據(jù)電動力學(xué)理論，具有加速度的帶電粒子將產(chǎn)生電磁輻射。在X射線管中，高壓電場加速了陰極電子，當(dāng)具有很大動能的電子達到陽極表面時，由于猝然停止，它所具有的動能必定轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄝ椛涑鋈?。由于電子被停止的時間和條件不同， 所

68、以輻射的電磁波具有連續(xù)變化的波長。 　　在任何X射線管中，只要電壓達到一定數(shù)值，連續(xù)X射線總是存在的。連續(xù)X射線具有以下特點： 　　(1) 連續(xù)X射線的波長與陽極的材料無關(guān)。,(2) 連續(xù)X射線的波長在長波方向，理論上可以擴展到λ=∞；而在短波方向，實驗證明具有最短波長λmin(見圖6-28)， 且有,（6-29）,式中：U為X射線管的管電壓，單位為kV。,（3） X射線管的效率為,（6-30）,式中：P=αZIU2為連續(xù)X射