[2019-01-11]

超聲波探傷儀是一種便攜式工業(yè)無損探傷儀器，它能夠快速、便捷、無損傷、精確地進行工件內部多種缺陷（裂紋、疏松、氣孔、夾雜等）的檢測、定位、評估和診斷。既可以用于實驗室，也可以用于工程現場。廣泛應用在鍋爐、壓力容器、航天、航空、電力、石油、化工、海洋石油、管道、軍工、船舶制造、汽車、機械制造、冶金、金屬加工業(yè)、鋼結構、鐵路交通、核能電力、高校等行業(yè)。

儀器原理

超聲波在被檢測材料中傳播時,材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結構變化的技術稱為超聲檢測。超聲檢測方法通常有穿透法、脈沖反射法、串列法等。

數字式超聲波探傷儀通常是對被測物體（比如工業(yè)材料、人體）發(fā)射超聲，然后利用其反射、多普勒效應、透射等來獲取被測物體內部的信息并經過處理形成圖像。

多普勒效應法

是利用超聲在遇到運動的物體時發(fā)生的多普勒頻移效應來得出該物體的運動方向和速度等特性；

透射法

是通過分析超聲穿透過被測物體之后的變化而得出物體的內部特性的，其應用還處于研制階段；

反射法

超聲波探傷儀這里主要介紹的是應用最多的通過反射法來獲取物體內部特性信息的方法。

反射法是基于超聲波在通過不同聲阻抗組織界面時會發(fā)生較強反射的原理工作的，正如我們所知道，聲波在從一種介質傳播到另外一種介質的時候在兩者之間的界面處會發(fā)生反射，而且介質之間的差別越大反射就會越大，所以我們可以對一個物體發(fā)射出穿透力強、能夠直線傳播的超聲波， 超聲波探傷儀 然后對反射回來的超聲波進行接收并根據這些反射回來的超聲波的先后、幅度等情況就可以判斷出這個組織中含有的各種介質的大小、分布情況以及各種介質之間的對比差別程度等信息（其中反射回來的超聲波的先后可以反映出反射界面離探測表面的距離，幅度則可以反映出介質的大小、對比差別程度等特性），超聲波探傷儀從而判斷出該被測物體是否有異常。 在這個過程中就涉及到很多方面的內容，包括超聲波的產生、接收、信號轉換和處理等。

其中產生超聲波的方法是通過電路產生激勵電信號傳給具有壓電效應的晶體（比如石英、硫酸鋰等），使其振動從而產生超聲波；而接收反射回來的超聲波的時候，這個壓電晶體又會受到反射回來的聲波的壓力而產生電信號并傳送給信號處理電路進行一系列的處理，超聲波探傷儀最后形成圖像供人們觀察判斷。

這里根據圖像處理方法（也就是將得到的信號轉換成什么形式的圖像）的種類又可以分為A型顯示、M型顯示、B型顯示、C型顯示、F型顯示等。

A型顯示是將接收到的超聲信號處理成波形圖像，根據波形的形狀可以看出被測物體里面是否有異常和缺陷在那里、有多大等， 超聲波探傷儀主要用于工業(yè)檢測；

M型顯示是將一條經過輝度處理的探測信息按時間順序展開形成一維的"空間多點運動時序圖"，適于觀察內部處于運動狀態(tài)的物體，超聲波探傷儀如運動的臟器、動脈血管等；

B型顯示是將并排很多條經過輝度處理的探測信息組合成的二維的、反映出被測物體內部斷層切面的"解剖圖像"（醫(yī)院里使用的B超就是用這種原理做出來的），超聲波探傷儀適于觀察內部處于靜態(tài)的物體；

C型顯示也是一種圖象顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標和縱坐標都是靠機械掃描來代表探頭在工件表面的位置。探頭接收信號幅度以光點輝度表示，因而，當探頭在工件表面移動時，熒光屏上便顯示出工件內部缺陷的平面圖象，但不能顯示缺陷的深度。

C型顯示、F型顯示用得比較少。

超聲波探傷儀檢測不但可以做到非常準確，而且相對其他檢測方法來說更為方便、快捷，也不會對檢測對象和操作者產生危害，所以受到了人們越來越普遍的歡迎，有著非常廣闊的發(fā)展前景。

所有應用程序的工業(yè)超聲檢測,探傷是最古老和最常見的。 自1940年代以來,物理定律支配聲波的傳播通過固體材料被用來檢測隱藏的裂縫,孔隙,孔隙度、和其他內部不連續(xù)金屬、復合材料、塑料和陶瓷。 高頻聲波反映缺陷的可預測的方式,產生獨特的回波模式可以顯示和記錄的便攜式儀器。 超聲波測試是完全無損和安全,這是一個良好的測試方法在許多基礎制造業(yè),過程,和服務行業(yè),特別是在應用程序涉及焊接和金屬結構。 本文簡要介紹了超聲波探傷的理論和實踐。 它僅用于主題的概述。 更多詳細信息可以發(fā)現在最后列出的參考。

1. 基本理論:聲波通過媒介只是旅行組織的機械振動,這可能是一個固體、液體或氣體。 這些波將以特定的速度穿過一個給定的媒介或速度,在一個可預測的方向,當他們遇到邊界具有不同介質將反映根據簡單的規(guī)則或傳輸。 這是物理學的原理是超聲波探傷。

頻率:一個特定頻率的聲波振動,或數量的振動周期每秒,我們在熟悉的球場經驗范圍的可聽見的聲音。 人類聽覺延伸到最大的頻率大約每秒振動20000次(20 KHz),而大多數的超聲波探傷應用程序利用500000年和10000000年之間的頻率周期每秒(500千赫至10 MHz)。 在兆赫的頻率范圍,聲能不旅行有效地通過空氣或其他氣體,但是它自由傳播通過大多數液體和常見的工程材料。

速度:聲波的速度取決于不同的媒介是旅游,受到介質的密度和彈性性能的影響。 不同類型的聲波(參見下面的傳播模式)將在不同的速度旅行。

波長:任何類型的波將波長有關,即在波周期的任意兩個對應點之間的距離,因為它通過媒介傳播。 波長與頻率和速度的簡單的方程

λ= c / f

在哪里

波長λ=

c =聲速

f =頻率

波長是一個限制因素,控制信息的數量,可以來源于一波的行為。 在超聲波探傷,公認的檢測下限是1/2波長小缺陷。 任何小于那將是無形的。 超聲波測厚的理論最小可測厚度一個波長。

傳播方式:聲波在固體可以存在于各種傳播模式定義的類型的運動。 縱波和橫波是最常見的模式應用于超聲波探傷。 表面波和板波也在某些場合使用。

——一個縱向或壓縮波的特點是粒子運動和波傳播方向相同,作為活塞從一個來源。 可聽見的聲音存在縱向波。

——一個剪切或橫波的特點是粒子運動與波傳播方向垂直。

——一個表面或瑞利波有一個橢圓粒子運動和它在材料的表面,滲透的深度大約一個波長。

——一盤或蘭姆波的振動是一個復雜的模式薄板材料的厚度小于一個波長和波充滿整個橫截面的介質。

聲波可以從一種形式轉化為另一個。 最常見,產生橫波測試材料通過引入縱向波在選角。 這是進一步討論下角梁測試在第四節(jié)。

變量限制聲波的傳播:遠處,一波又一波的一個給定的頻率和能量水平將取決于旅行的材料。 作為一般規(guī)則,材料很難和均勻傳遞聲波更有效地比那些柔軟和異構或顆粒。 三個因素支配的距離聲波將旅行在一個給定的媒介:光束傳播,衰減和散射。 隨著光束傳播,前緣變得更廣泛,與波的能量分布在更大的區(qū)域,并最終能量消散。 衰減是能量損失與聲音通過媒介傳播,本質上是能量被吸收的程度作為波前往前移動。 從晶界散射隨機反射聲音的能量和類似的微觀結構。 頻率下降,光束傳播增加但衰減和散射的影響降低。 對于一個給定的應用程序時,應該選擇換能器頻率優(yōu)化這些變量。

反射邊界:當能量穿越聲材料遇到邊界與另一個材料,一部分能量會反射回來,一部分將通過。 反射的能量或反射系數與相對兩種材料的聲阻抗。 聲阻抗是材料屬性定義為密度乘以音速在給定的材料。 任何兩種材料的反射系數的比例入射能量的壓力可以通過公式計算

R =反射系數(反射能量的比例)

Z1 =第一材料的聲阻抗

Z2 =第二材料的聲阻抗

常見的金屬/空氣的邊界在超聲波探傷的應用程序中,反射系數接近100%。 幾乎所有的聲能反映裂紋或其他在波的路徑不連續(xù)。 這是基本原則,使超聲波探傷。

反射和折射的角度:聲能在超聲頻率高度定向和聲音梁用于探傷是定義良好的。 在聲音反射邊界的情況下,反射角等于入射角。 一聲束撞到一個表面在垂直入射將直接反射。 一聲束撞到一個表面在一個角度將反映在同一角度。

橫截面的典型傳感器接觸

超聲波探傷的典型傳感器利用一個活躍的元素由一個壓電陶瓷,復合,或聚合物。 當這個元素是由高壓電脈沖興奮,它在特定光譜的頻率和振動產生聲波。 當它被傳入的聲波振動,就會生成一個電脈沖。 元素的前表面通常是由耐磨護板保護它免受傷害,背面是連著的支持材料,機械地抑制了振動聲音生成過程完成后。 因為聲能在超聲頻率不旅行有效地通過氣體,液體或凝膠通常是一層薄薄的耦合傳感器和試樣之間使用。

有五種類型的超聲波傳感器探傷中常用應用程序:

接觸傳感器——顧名思義,接觸傳感器用于直接接觸試樣。 他們介紹聲能垂直于表面,通常用來定位孔隙,孔隙度、裂縫或分層平行的外表面部分,以及測量厚度。

角梁傳感器——角梁傳感器結合使用塑料或環(huán)氧楔形(角梁)引入橫波還是縱波在指定的角度對試樣表面。 它們通常用于焊接檢查。

延遲線傳感器-延遲線傳感器將塑料波導或延遲線有源元件和試樣。 他們是用來改善表面附近的決議和高溫測試,延遲線保護有源元件的熱損傷。

浸沒式傳感器——浸傳感器被設計成幾聲能量進入試樣通過一個水柱或水浴。 它們用于自動掃描應用程序的情況下,也需要聚焦束大幅提高缺陷解決。

對偶元素傳感器——雙重元素傳感器利用單獨的發(fā)射機和接收機的元素在一個單一的組裝。 他們通常用于應用程序涉及到粗糙表面、粗粒材料,檢測的點蝕或孔隙度,他們提供良好的耐高溫。