超聲波檢測的原理和應用

　　超聲波檢測是指超聲波與被檢測工件相互作用，研究超聲波與工件作用后的反射、投射和散射波，以達到對被檢測工件宏觀缺陷、幾何特性及力學變化等方面的檢測，并對工件應用性進行評價的一門技術。超聲檢測是目前常用的無損檢測技術，是控制工件質量、設備維護、改進生產工藝及提高工作效率的重要手段，已在工業生產中被廣泛運用。

一、發展過程

　　1929年，前蘇聯科學家提出利用超聲波檢查金屬內部缺陷的建議，并進行了超聲波穿透法的實驗研究并申請了材料缺陷檢測的專利。

　　1940年，美國提出了基于脈沖發射法的超聲波檢測儀。

　　1946年，英國科學家研制出第一臺A型脈沖反射式超聲波探傷儀。

　　20世紀中期，隨著電子技術的發展，超聲波檢測技術也隨著得到迅猛發展，使用超聲波對焊縫等缺陷進行檢測。

　　不久后，英國原子能管理局提出了運用衍射時差法進行超聲檢測，利用衍射現象對被檢測工件內部缺陷尺寸進行確定。

　　20世紀80年代，隨著數字式超聲儀器的出現，模擬式超聲檢測儀逐漸被取代。

　　最近，超聲檢測技術發展非常迅速，出現了超聲三維成像，電磁超聲檢測及導波技術等新型的超聲檢測技術，使得超聲檢測技術在工業生產中的應用效率得到了大大提升。

二、超聲檢測基本原理

　　超聲波是一種機械振動在介質中傳播的彈性機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。

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

　　其工作原理可分為：由超聲波檢測儀的聲源產生超聲波，通過一定的方式進入被檢測工件內部。超聲波在被檢測工件中的傳播特性與被檢測工件材料以及其中的缺陷密切相關。之后，通過超聲波接收設備接收通過被檢測工件的超聲波，并對其進行處理分析。根據所接收的超聲波特征，評估被檢測工件內部缺陷的特性。

三、超聲檢測的物理基礎

　　振動在彈性介質內的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在20～20000Hz之間，能為人耳所聞的機械波稱為聲波;低于20Hz的機械波稱為次聲波;高于20000Hz的機械波，稱為超聲波，見圖1。

　　當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中的傳播速度不同，在異質界面上會產生反射、折射和波型轉換等現象。

　　1、波的反射和折射

　　由物理學知，當波在界面上產生反射時，入射角α的正弦與反射角α'的正弦之比等于波速之比。當入射波和反射波的波型相同時，波速相等，入射角α即等于反射角α'，見圖2。

　　當波在界面外產生折射時，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中的波速c1與折射波在第二介質中的波速c2之比，即:

　　sinα/sinβ=c1/c2

　　2、超聲波的波型及其轉換

　　當聲源在介質中的施力方向與波在介質中的傳播方向不同時，聲波的波型也有所不同。質點振動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;質點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。質點振動介于縱波和橫波之間，沿著表面傳播，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，它只在固體的表面傳播。

　　當聲波以某一角度入射到第二介質(固體)的界面上時，除有縱波的反射、折射以外，還會發生橫波的反射和折射，見圖3。在一定條件下，還能產生表面波。各種波型均符合幾何光學中的反射定律：

　　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、反射介質與折射介質內的縱波速度;cS1、cS2為反射介質與折射介質內的橫波速度。

　　如果介質為液體或氣體，則僅有縱波。

　　3、聲波的衰減

　　聲波在介質中傳播時，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散、散射、吸收等因素有關。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強I的衰減規律如下：

　　p=p0e-ax

　　I=I0e-2ax

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

四、超聲檢測的設備和器材

　　超聲檢測設備與器材包括超聲檢測儀、超聲換能器、耦合劑、試塊等組成。

　　超聲檢測儀是超聲檢測的主要設備，通過超聲檢測儀產生的電振蕩作用于換能器上，同時也可以接收通過換能器所接收的信號。根據信號處理技術，超聲檢測儀分為模擬式和數字式。近年來，由于電子信息技術的發展，數字式超聲檢測儀正在逐漸取代模擬式超聲檢測儀。

　　超聲換能器又稱探頭，是超聲檢測設備中關鍵的器件。探頭是將其它形式能轉換成超聲的器件，探頭的性能直接關系到超聲檢測能力。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用的換能器。也可以根據波型種類，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工件間超聲波的傳遞，因為空氣對超聲波的反射率較高，使得超聲檢測儀發出的超聲波無法進入被檢測工件內部。因此，選擇耦合劑排除探頭與被檢測工件間的空氣間隙，使得超聲波進入被檢測工件內部。目前常用的耦合劑有：甘油、機油、水及化學漿糊等，其中化學漿糊是用于最為廣泛的耦合劑。

　　試塊是為了保證超聲檢測結果的正確性，所使用的已知固定特性的試件對檢測系統進行校準。試塊分為標準試塊、對比試塊及模擬試塊三類。標準試塊又可以分為：荷蘭試塊、牛角試塊及CSK-IA試塊。

五、超聲檢測應用領域

　　目前，在工業生產的各行各業都用到超聲波檢測技術，超聲波檢測技術的應用使得工業生產中的質量得到了大大的提高，提高了工作效率。

　　超聲波在工業生產中的應用簡單介紹：

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

　　2、新材料的檢測。如有機基復合材料、陶瓷材料、陶瓷基復合材料、金屬基復合材料等，超聲檢測已成為復合材料質量檢測的重要手段。

　　3、非金屬的檢測。如混凝土、巖石和路面等質量檢測，對其內部缺陷、強度、內應力等方面進行質量把控。

　　4、高溫超聲檢測、動態超聲檢測等方面都有很大進展。

　　5、核電工業的超聲檢測。我國已能完成核電廠和核設施的全程檢查，使得核電工業發展更為安全可靠。

　　6、醫學診斷，應用超聲波對胎兒身體健康狀況進行判定。

　　7、人們正試圖將超聲檢測技術用于開辟其它新領域，如將超聲檢測技術用于液壓控制系統進行系統作非接觸檢測、性能分析和故障診斷等。

六、展望

　　目前，超聲檢測正向高精度、高分辨率發展，并且超聲檢測在高溫、動態檢測等方面也迫切需要。隨著科技的發展：無損檢測逐步向定量化、圖像化方向發展，超聲檢測系統將進一步數字化、自動化、智能化、圖像化。超聲波探傷正沿著攜小型化、智能化、數字彩色等方向發展。超聲無損檢測技術伴隨材料與工業技術的發展而發展，并隨著人們對產品質量與安全性的不斷重視而得到進一步提高。