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利用聲學特性的無損檢測技術___超聲波檢測技術

利用聲學特性的無損檢測技術___超聲波檢測技術
無損檢測導論（2005年元月電子修訂版）夏紀真編著 **章無損檢測技術及其應用

無損檢測技術的基礎是物質的各種物理性質或它們的組合以及與物質相互作用的物理現象。迄今為止，包括在工業領域已獲得實際應用的和已在實驗室階段獲得成功的無損檢測方法已達五、六十種甚至更多，隨著工業生產與科學技術的發展，還將會出現更多的無損檢測方法與種類。本書僅能就幾個主要方面作簡單扼要的介紹。除了對于工業上已經廣泛應用的五大常規無損檢測技術（超聲波檢測、磁粉檢測、渦流檢測、滲透檢測和射線照相檢測）給予一定的工藝介紹外，對其他方法僅作概念性介紹。若需對其中某項方法作深入了解時，應查閱相應方法的專業技術介紹資料。

§2.1 利用聲學特性的無損檢測技術

§2.1.1 超聲波檢測技術

什么是超聲波？超聲波有什么特性？

聲波是指人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為16Hz~2KHz。當聲波的頻率低于16Hz時就叫做次聲波，高于2KHz則稱為超聲波。一般把頻率在2KHz到25MHz范圍的聲波叫做超聲波。它是由機械振動源在彈性介質中激發的一種機械振動波，其實質是以應力波的形式傳遞振動能量，其必要條件是要有振動源和能傳遞機械振動的彈性介質（實際上包括了幾乎所有的氣體、液體和固體），它能透入物體內部并可以在物體中傳播。利用超聲波在物體中的多種傳播特性，例如反射與折射、衍射與散射、衰減、諧振以及聲速等的變化，可以測知許多物體的尺寸、表面與內部缺陷、組織變化等等，因此是應用廣泛的一種重要的無損檢測技術--超聲檢測技術。例如用于醫療上的超聲診斷（如B超）、海洋學中的聲納、魚群探測、海底形貌探測、海洋測深、地質構造探測、工業材料及制品上的缺陷探測、硬度測量、測厚、顯微組織評價、混凝土構件檢測、陶瓷土坯的濕度測定、氣體介質特性分析、密度測定……等等。

超聲波具有如下特性：

1）超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。

2）超聲波可傳遞很強的能量。

3）超聲波會產生反射、干涉、疊加和共振現象。

4）超聲波在液體介質中傳播時，達到一定程度的聲功率就可在液體中的物體界面上產生強烈的沖擊（基于“空化現象”）--從而引出了“功率超聲應用“技術--例如“超聲波清洗”、“超聲波鉆孔”、“超聲波去毛刺”（統稱“超聲波加工”）等。

5）利用強功率超聲波的振動作用，還可用于例如塑料等材料的“超聲波焊接”。

工業無損檢測技術中應用的超聲波檢測（UltrasonicTesting，簡稱UT）是無損檢測技術中發展快、應用廣泛的無損檢測技術，占有非常重要的地位。

在超聲波檢測技術中用以產生和接收超聲波的方法主要利用的是某些晶體的壓電效應，即壓電晶體（例如石英晶體、鈦酸鋇及鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷）在外力作用下發生變形時，將有電極化現象產生，即其電荷分布將發生變化（正壓電效應），反之，當向壓電晶體施加電荷時，壓電晶體將會發生應變，亦即彈性變形（逆壓電效應）。因此，利用壓電晶體制成超聲波換能器（探頭），對其輸入高頻電脈沖，則探頭將以相同頻率產生超聲波發射到被檢物體中去，在接收超聲波時，探頭則產生相同頻率的高頻電信號用于檢測顯示。

除了利用壓電效應以外，在某些情況下也利用磁致伸縮效應（強磁材料在磁化時會發生變形的現象，可用作振源或用于應變測量），也有利用電動力學方法（例如本章后面敘述的電磁-聲或渦流-聲方法）。

（3）耦合方法的確定-超聲探頭與被檢工件之間存在空氣時，超聲波將被反射而無法進入被檢工件，因此在它們之間需要使用耦合介質，視耦合方式的不同，可以分為：

接觸法-超聲探頭與工件檢測面直接接觸，其間以機油、變壓器油、潤滑脂、甘油、水玻璃（硅酸鈉Na₂SiO₃）或者工業膠水、化學漿糊等作為耦合劑，或者是商品化的超聲檢測專用耦合劑。

水浸法-超聲探頭與工件檢測面之間有一定厚度的水層，水層厚度視工件厚度、材料聲速以及檢測要求而異，但是水質必須清潔、無氣泡和雜質，對工件有潤濕能力，其溫度應與被檢工件相同，否則會對超聲檢測造成較大干擾。

接觸法和水浸法是超聲檢測中主要應用的兩種耦合方式，此外還有水間隙法、噴水柱法、溢水法、地毯法、滾輪法等多種特殊的耦合方式。

（4）檢測條件的準備-選擇適當的超聲探傷儀、超聲探頭、參考標準試塊（或者采用計算法時的計算程序或距離-波幅曲線、AVG或DGS曲線等），以及在檢測前對儀器的校準（時基線校正、起始靈敏度設定等）。

（5）檢測掃查-在被檢工件的檢測面上使用超聲探頭進行掃查，應確保超聲束能覆蓋所有被檢查的區域。

（6）缺陷評定-對發現的缺陷進行定位（缺陷在工件中的埋藏深度與水平位置）、定量（缺陷大小、面積、長度）的評定并作出標記，必要時還需要判定缺陷的性質或種類，亦即定性評定。

（7）記錄與判斷-記錄檢測結果，對照技術條件和驗收標準作出合格與否的判斷，得出檢測結論，簽發檢測報告。

（8）處理-將檢測發現問題的工件作出標記，隔離待處理，對合格工件給予合格標記轉入下道生產工序或周轉程序。

以上是超聲脈沖反射法檢測的基本程序，在實際產品的檢測中還應該根據具體的檢測規范或檢測工藝規程等的要求具體實施檢測。

超聲脈沖反射檢測法是超聲檢測中應用廣泛的方法，不僅是在工業超聲檢測中，就是在其他領域，例如測厚、魚群探測、水下聲納、海洋測深、海底形貌及地質構造探測、醫用超聲診斷等等，也都廣泛利用著超聲波的反射特性。

§2.1.1.2超聲波的衍射與散射特性

在遠場檢測時，由于工件尺寸較大，要預先制作相應尺寸的試塊有困難，而且搬運、使用均很不方便。鑒于遠場中的聲壓隨著距離的增大呈單調下降變化，各種人工反射體的回波聲壓變化是有規律可循的，因此可以采用計算方法或事先測繪制作的距離-波幅曲線（稱作AVG法或DGS法）來確定檢測靈敏度以及評定缺陷的當量大小。

必須指出：超聲檢測中評定的缺陷當量大小，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，但是缺陷的實際尺寸與標準人工反射體的尺寸并不相同，這是因為缺陷的回波幅度大小受被檢工件的材料以及缺陷本身的性質、大小、形狀、取向、表面狀態等多種因素的影響，同時還與超聲波的自身特性有關，因此引入了“當量”-相當的量這個概念作為定量衡量缺陷大小的標準。例如我們說經過超聲檢測發現被檢工件內的某個位置處存在Φ2mm直徑平底孔當量的缺陷，就是指該缺陷的回波幅度與工件內相同位置處Φ2mm直徑平底孔（平底孔的孔底面與超聲束軸線垂直，并且同軸）的回波幅度相同，然而該缺陷的實際面積尺寸往往大于Φ2mm直徑平底孔的底面面積。

此外，根據超聲檢測的結果判斷缺陷的性質（定性）問題尚未很好解決，目前還主要是依靠檢測人員的實踐經驗、技術水平以及對被檢工件的材料特性、加工工藝特點、使用狀況等的了解來進行綜合的主觀判斷。

超聲脈沖反射法檢測攻堅的一般步驟是：

（1）超聲檢測面的選擇-當超聲束與工件中缺陷延伸方向垂直，或者說與缺陷面垂直時，能獲得佳反射，此時缺陷檢出率高。因此，在被檢工件上應選擇能使超聲束盡量與可能存在的缺陷其延伸方向垂直的工件表面作為檢測面，右圖給出了常見工件的超聲檢測面示意圖。
（2）檢測面的制備-超聲波是通過被檢工件表面進入工件內部的，檢測面光潔度的優劣影響聲能的透射效果并可能產生干擾，因而對超聲檢測結果的準確性與可靠性有很大影響。下面給出了不同超聲檢測方法對檢測面光潔度的一般要求：

方法	檢測面光潔度要求
接觸法縱波檢測	≤3.2μm
水浸法縱波檢測	≤6.3μm
接觸法橫波檢測	≤3.2μm
接觸法瑞利波(表面波)檢測	≤0.8μm
接觸法蘭姆波(板波)檢測	≤1.6μm
如被檢件表面光潔度不能滿足檢測要求時，應進行專門的表面加工制備，或采取特殊的補救措施（例如采用特殊的耦合方法或靈敏度補償）

超聲檢測面示意圖

超聲脈沖反射法檢測原理
示意圖

超聲波探傷儀的高頻脈沖電路產生高頻脈沖振蕩電流施加到超聲換能器（探頭）中的壓電晶體上，激發出超聲波并傳入被檢工件，超聲波在被檢工件中傳播時，若在聲路（超聲波的傳播路徑）上遇到缺陷（異質）時，將會在界面上產生反射，反射回波被探頭接收轉換成高頻脈沖電信號輸入探傷儀的接收放大電路，經過處理后在探傷儀的顯示屏上顯示出與回波聲壓大小成正比的回波波形（圖形），根據顯示的回波幅度大小可以評估缺陷大小，顯示屏上的水平掃描線（時基線）可以調整為與超聲波在該介質中傳播時間（距離）成正比（俗稱“定標”），然后就可以根據回波在顯示屏水平掃描線上的位置判定缺陷在工件中的位置。利用工件底面回波在水平掃描線上的位置，還可用于測定工件的厚度（如左圖所示）。

超聲波所占的空間稱為超聲場，其結構如下右圖所示，它包括近場（N為近場長度）和遠場兩個部分。在近場區中的聲壓分布是不均勻的，而在遠場區中的聲壓則隨著距離的增大呈單調下降變化。近場區的長度與換能器的晶片直徑和超聲波的波長有關，在近場區的超聲波束呈收斂

狀態，在近場區末端，亦即從近場區進入遠場區的過渡點上聲束直徑小（故也將此點稱作自然焦點），進入遠場區后聲束將以一定角度發散，聲束邊緣的斜度以半擴散角θ表示，聲束的半擴散角同樣與換能器的晶片直徑和超聲波的波長有關。
因此，在超聲檢測中為了能根據回波幅度大小評估缺陷大小，當被檢工件尺寸較小，落在近場區范圍時，通常需要采用參考對比試塊進行比較評定，參考試塊的材料、狀態（聲學特性）應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），將發現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量大小。

超聲場結構示意圖

除了上述四種主要的應用波型外，現在已經發展應用的還有頭波（HeadWave）和爬波（CreepingLongitudionalWave，又稱作爬行縱波），特別是后者能夠以縱波的速度在介質表面下傳遞，適合用于檢測表面特別粗糙，或者表面存在不銹鋼堆焊層等情況下的近表層缺陷檢測。

超聲波在介質中的傳播速度C（與介質、波型等有關）、振動頻率f（單位時間內完成全振動的次數，以每秒一次為1個赫茲-Hz）和超聲波的波長λ（超聲波完成一次全振動時所傳遞的距離）三者有如下關系：C=λ·f

應當注意在不同介質中以及不同的超聲波波型具有不同的傳播速度。

超聲波具有波長短、沿直線傳播（在許多場合可應用幾何聲學關系進行分析研究）、指向性好，能在固體中傳播，并能進行波型轉換等特點，其傳播特性包括反射與折射、衍射與散射、衰減、諧振、聲速等多種變化，因此其適用范圍非常廣泛，包括了金屬、非金屬，鍛件、鑄件、焊接件、型材、膠接結構與復合材料、緊固件等等。

超聲波檢測的優點是穿透力強、設備輕便、檢測成本低、檢測效率高，能即時知道檢測結果（實時檢測），能實現自動化檢測和實現性記錄，在缺陷檢測中對危害性較大的裂紋類缺陷特別敏感等等。

超聲波檢測的缺點是通常需要耦合介質使聲能透入被檢物，需要有參考評定標準，特別是顯示的檢測結果不直觀，因而對操作人員的技術水平有較高要求等等，此外，對于小而薄或者形狀較復雜，以及粗晶材料等的工件檢測還存在一定困難。

下面以超聲波的傳播特性為線索來分別敘述其應用。

§2.1.1.1超聲波的反射與折射特性

在彈性介質中傳播的超聲波遇到異質界面時會發生反射與折射，并有波型轉換發生。

在超聲波檢測中利用超聲波在界面上的折射特性主要用于達到波型轉換的目的，例如把一般壓電晶體產生的縱波轉換成橫波、瑞利波、蘭姆波等，以適應不同工件及不同情況下的檢測，其轉換條件與界面兩側解職的聲速比（折射率）和入射、折射角度（正弦函數）相關：sinα/C₁=sinβ/C₂（見右圖所示：α為入射角，C₁為介質中入射超聲波的速度；β為反射或折射角，C₂為在介質中反射或者在**介質中折射超聲波的速度。在相同介質中相同波型有相同的波速，因此對于L_反的反射角β與L的入射角α相同，在同一介質中橫波的速度小于縱波速度，因此對于反射橫波S_反的反射角β小于L的入射角α；從折射情況來看，也同樣是由于在同一介質中橫波的速度小于縱波速度，因此折射橫波S_折的折射角小于折射縱波L_折的折射角，上面所述的數學式也稱為斯涅爾定律-折射定律）。
在超聲波檢測中利用超聲波的反射特性主要用于探測材料中的缺陷。下面以常用的A型顯示（波形顯示）的超聲脈沖反射法探測為例：

超聲波反射與折射時的
波型轉換

橫波

樂甫波

瑞利波

（3）表面波（SurfaceWave）-在工業超聲檢測中應用的表面波主要是指超聲波沿介質表面傳遞，而傳聲介質的質點沿橢圓形軌跡振動的瑞利波（RayleighWave，簡稱R波，如左圖所示），瑞利波在介質上的有效透入深度只有一個波長的范圍，因此只能用于檢查介質表面的缺陷，不能像縱波與橫波那樣

深入介質內部傳播，從而可以檢查介質內部的缺陷。此外，水平偏振橫波（SH波，也稱為LoveWave-樂甫波）也是一種沿表面層傳播的表面波，實際上就是地震波的振動模式，不過目前在工業超聲檢測中尚未獲得實際應用。

（4）蘭姆波（LambWave）-這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產生的制導波（guideWave）。在工業超聲檢測中，主要利用蘭姆波來檢測厚度與波長相當的薄金屬板材，因此也稱為板波（PlateWave，簡稱P波）。蘭姆波在薄板中傳遞時，薄板上下表面層質點沿橢圓形軌跡振動，而薄板中層的質點將以縱波分量或橫波分量形式振動，從而構成全板振動，這是蘭姆波檢測的顯著特征。根據薄板中層的質點是以縱波分量或橫波分量形式振動，可以分為S模式（對稱型）和A模式（非對稱型）兩種模式的蘭姆波（如右圖所示）。
在細棒和薄壁管中也能激發出蘭姆波，此時稱為扭曲波、膨脹波等。

超聲波在彈性介質中傳播時，視介質支點的振動型式與超聲波傳播方向的關系，可以把超聲波分為以下幾種波型：

（1）縱波（LongitudionalWave，簡稱L波，又稱作壓縮波、疏密波）-縱波的特點是傳聲介質的質點振動方向與超聲波的傳播方向相同（見右圖所示）
（2）橫波（ShearWave，簡稱S波，又稱作Transversewave，簡稱T波，也稱為切變波或剪切波）-橫波的特點是傳聲介質的質點振動方向與超聲波的傳播方向垂直，并且視質點振動平面與超聲波傳播方向的關系又分為垂直偏振橫波（SV波，這是工業超聲檢測中常應用的橫波）和水平偏振橫波（SH波，也稱為Love Wave-樂甫波，實際上就是地震波的震動模式）（見下左圖所示）

縱波

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