超声波检测

3.超声检测3.4由圆形压电晶片产生的声场简介3.5超声波检测方法第三章超声波检测3.4由圆形压电晶片产生的声场一、用压电材料做的压电晶片，压电晶片的两表面涂有导电银层作为电极，使晶片表面上各点都具有相同的电位。将晶片接于高频电源时，晶片两面便以相同的相位产生拉伸或压缩效应，发射超声波的晶片恰如活塞做往复运动一样辐射出声能。因此它相当于一个活塞声源，发射的波称为活塞波。3.4.3常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm圆盘声源发出的声场，由于声源尺寸有限，必然在其边缘发生衍射效应使声束向周围空间扩散，形成扩散声束。另一方面，声源上各点发出的声波相互干涉又使得声压的空间分布不是随距离单调变化的。通过圆盘中心且垂直于盘面的直线应是声场的对称轴，称为圆盘声源轴线。讨论圆盘声源的声场将从声压沿轴线的分布以及声束扩散的特性着手。根据叠加原理，圆盘声源轴线上任何一点处的声压等于声源上各点辐射的声压在该点的叠加。假定：连续简谐波，为无衰减的液体介质，则可推出声源轴上声压幅值P的分布符合下式：式中：P0为声源的起始声压；D为圆盘声源的直径；λ为传声介质中声波的波长；x为圆盘声源轴线上某一点距声源的距离。圆盘声源远场中任一点的声压推导二、近场区、远场区和超声波的指向性由轴线上声压公式，经数学推导，可以得到最后一个声压极大值点距声源距离的表达式：当Dλ时，λ/4可以忽略，从而得到近场长度的简化计算公式如下，可用于实际工作中近场长度的估算：圆盘声源轴线上的声压分布近场区远场区距离大于3N以后，圆盘声源声轴上的声压幅值变化与球面波的曲线非常接近。在声场中，称xN的区域为声源的近场区，最后一个声压最大值至声源的距离N称为近场长度。在近场区内，由于声源表面上各点辐射至被考察点的波程差大，所引起的声源振幅差和相位差也大，且它们彼此相互干涉，结果是近场区的声源分布十分复杂，出现很多极大值与极小值。因此在近场区内如果有缺陷存在，其反射波极不规则，对缺陷的判断十分困难。在声场中，xN的区域为声源的远场区。在远场区，声压随距离增加而减小，声源轴线上距离为x处声压p的最大值为近场区远场区球面波声压公示声场中的指向性是指声场中θ方向的声压振幅pmax(θ)与θ=0°时的声压振幅pmax(0)之比，它表达了声场中声压p的振幅与方向角θ之间的变化关系，以Dc表示：J1—第一类一阶贝塞尔函数：第一类贝塞尔函数，记作Jn（x），用x的偶次幂的无穷和来定义，数n称为贝塞尔函数的阶，它依赖于函数所要解决的问题。圆盘声源声场指向性示意图指向性与扩散角超声场中超声波的能量主要集中于以声轴为中心的某一角度范围内，这一范围称为主声束。这种声束集中向一个方向辐射的性质叫做声场的指向性。在主声束角度范围以外还存在一些能量很低的、只分布于声源附近的副瓣声束。圆盘声源声场指向性示意图设a为圆形声源的半径，x为空间任一点M到声源中心的距离，θ为M点与声源中心的连线与声源轴线的夹角。声压p最大值的表达式为圆盘声源声场指向性示意图主声束所包含的角度范围可由距声源充分远处的声压分布得到。当声源为圆形活塞声源且直径为D、半径为a时，用指向角θ来描述主声束宽度（又称半扩散角）指向角是代表主声束范围的角度，反映了声束的定向集中程度，也反映了声束随距离扩散的快慢。指向角越大，则声束指向性越差，声束扩散越快。声源的直径越大，波长越短(频率越高)，则声束指向角越小，指向性越好。3.5.1超声检测通用技术1.超声波检测仪2.探头3.试块4.耦合剂3.5.2超声检测方法3.5超声波检测方法一、超声检测仪超声检测设备和器材包括超声波检测仪、探头、试块、耦合剂和机械扫查装置等。超声检测仪和探头对超声检测系统的性能起着关键性的作用，是产生超声波并对经材料中传播后的超声波信号进行接收、处理、显示的部分。3.5.1超声检测通用技术超声波检测仪是超声检测的主体设备，脉冲式超声波检测仪应用最广泛。(1)超声波检测仪的作用。它的作用是产生电振荡并加于换能器——探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大处理后以一定方式显示出来，从而得到被探测工件内部有无缺陷及缺陷的位置和大小等信息。（2）按缺陷显示方式分类：脉冲式检测仪按回波信号的显示方式又可分为A型显示、B型显示和C型显示三种类型。超声检测仪屏幕的横坐标代表声波的传播时间（或距离）纵坐标代表反射波的声压幅度。图为A型显示原理图，T表示发射脉冲，F表示来自缺陷的回波，B表示底面回波。A型显示的缺点：难以判断缺陷的几何形状，缺乏直观性。A型显示原理图A型显示是一种波形显示：A型显示在实际应用中以该法为主。A型脉冲反射法超声波检测原理(1)原理：A型脉冲反射法超声波检测就是利用超声波在传播过程中，遇到声阻抗差较大的异质界面时，将产生反射的原理来实现对内部缺陷检测的。超声检测仪(2)实现方法：该法采用单一探头——既作发射器件，又作接收元件，以脉冲方式间歇地向工件发射超声波；接受到的回波信号经功能电路放大、检波后，在探伤仪的示波屏上，以脉冲信号显示出来。(3)信号的解读：根据探伤仪示波屏上始波T、缺陷波F、底波B的有无、大小及其在时基轴上的位置可判断工件内部缺陷的有无、大小和位置。见下图：超声检测仪直探头缺陷显示a.无缺陷b.小缺陷c.大缺陷TBTTBFFTB超声检测仪底面多次回波超声检测仪示波屏特征小结（a）无缺陷——示波屏上只有始波T和底波B，而且底波较高；（b）有小缺陷——示波屏上不仅有始波T和底波B；而其间还有伤波F;相对（a）无缺陷的情况，底波变矮；（c）有大缺陷——示波屏上只有始波T和伤波F,没有底波B。相对（b）而言，伤波变高。超声检测仪超声波探头的作用。超声波探头用于实现声能和电能的互相转换。它是利用压电晶体的正、逆压电效应进行换能的。探头是组成检测系统的最重要的组件，其性能的好坏直接影响超声检测的效果。直径为5-40mm，大于40mm时，很难获得与之对应的平整接触面，一般不采用。而直径小于5mm时，检测灵敏度显著下降，不宜采用。二、超声波探头超声探头类型常用超声波探头的类型。超声波检测中由于被探测工件的形状和材质、探测的目的、探测的条件不同，因而要使用各种不同形式的探头。基本形式是直探头和斜探头，直探头主要用于发射和接收纵波，斜探头常用的有横波探头、表面波探头、板波探头等。其中最常用的是接触式纵波直探头、接触式横波斜探头、双晶探头、水浸探头与聚焦探头等。一般横波斜探头的晶片为方形，纵波直探头的晶片为圆形，而聚焦声源的圆形晶片为声透镜。所以声场就有圆盘源声场、聚焦声源声场和斜探头发射的横波声场。各种探头(a)纵波直探头；(b)横波斜探头；(c)双晶探头选择探头时，应综合考虑性能稳定、结构可靠、使用方便，并能满足静压力、温度等条件的要求。超声探头直探头锆钛酸铅(PbZrTiO3)缩写为PZT，以Pb3O4、TiO2、ZrO2和少量添加物为原料，经预烧合成再经高温烧结而成PbTiO3-PbZrO3固熔体，是最重要的一种压电陶瓷。直探头表示方法基本频率晶片材料晶片尺寸探头种类特征2.5Ｂ20Ｚ直探头园晶片直径20ｍｍ钛酸钡陶瓷频率2.5MHz5P10Ｚ直探头园晶片直径10ｍｍ锆钛酸铅陶瓷频率5MHz斜探头压电晶体形状：矩形有机玻璃楔块入射点波形转换吸声材料直探头有机玻璃楔块钢与直探头不同之处是：斜楔：用有机玻璃制成，使声束倾斜发射以在工件中产生波型转换。其上开有吸声槽，周围填充吸声材料，以减少杂波。我国斜探头用K值标示，以钢中横波折射角的正切值(K值)标称，常用斜探头K值与折射角和入射角的关系如下表。我国斜探头用K值标示，以钢中横波折射角的正切值(K值)标称，常用斜探头K值与折射角和入射角的关系如下表。K11.522.53Βs45056.3063.4068.2071.60αL36.7044.6049.1051.6053.50(有机玻璃/钢）基本频率晶片材料晶片尺寸探头种类特征5P6×6Ｋ3Ｋ表示折射角矩形晶片6×6ｍｍ钛酸铅陶瓷频率5MHzＫ值为3斜探头表示方法聚焦探头聚焦探头特点:具有良好的方向性适用于探测曲面零件与晶片垂直方向上一定深度的缺陷。依据：工件材质、形状、缺陷和技术要求探头型式：直探头—探测与探测面平行的缺陷斜探头—控测与探测面倾斜的缺陷表面波探头—探测表面缺陷双晶探头—探测薄件或近表面缺陷聚焦探头—薄壁管水浸探伤或薄件水浸探头—水浸探伤工件探头选择探头频率（0.5-10MHz)依据：工件材质、厚度、检测要求1.频率影响：（1）频率高，可发现缺陷小（波的绕射）（2）频率高，脉冲宽度小，分辨力好（3）频率高，指向性好（4）频率高，近场区长（5）频率高，衰减大2.（1）晶粒较细（锻件、轧制件、焊缝）2.5～5MHz（2）晶粒较粗（铸件、奥氏体钢）0.5～2.5MHz探头选择超声探头探头晶片尺寸（φ10～φ30）依据：工件厚度、形状、晶片尺寸影响：（1）尺寸大，指向性好（）（2）尺寸大，近场长（）（3）尺寸大，能量大，发现远距离缺陷能力强。大尺寸探头—厚大工件小尺探头—薄工件、表面不平整、曲率大的工件。斜探头K值依据：工件厚度、检测对象、缺陷类型厚工件—大K值薄工件—小K值缺陷方向—主声束垂直于缺陷主平面D22.1sin142DN超声探头探头选择与一般的测量过程一样，为了保证检测结果的准确性与重复性、可比性，必须用一个具有已知固定特性的试样(试块)对检测系统进行校准。这种按一定的用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件即称为试块。超声检测用试块通常分为两种类型，即标准试块(校准试块)和对比试块(参考试块)。四、试块试块的意义超声波检测，离不开试块。它们都是超声波检测的辅助工具。标准试块用于测试探伤仪的性能、模拟各种工艺缺陷调整检测灵敏度和声时的测定范围。试块中精心设计了各种人工反射体，并进行了科学布置。缺陷的当量法：由于实际缺陷形状是各种各样的，甚至可能是不规则的，在进行理论分析时，采用几种简化的规则形状模型来进行计算。试块标准试块与对比试块的定义标准试块指材质、形状和尺寸均经主管机关或权威机构鉴定的试块。也叫校准试块。用于对超声检测装置或系统的性能测试及灵敏度调整。对比试块用于调整超声检测系统灵敏度或比较缺陷大小的试块。也叫参考试块。一般采用与被检材料特性相似的材料制成。试块当探头和试件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100％，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入试件。因此，排除探头和试件之间的空气非常重要。耦合剂就是为了改善探头和试件间声能的传递而加在探头和检测面之间的液体薄层。耦合剂可以填充探头与试件间的空气间隙，使超声波能够传入试件，这是使用耦合剂的主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减少探头和试件之间的摩擦，防止试件表面磨损探头，并使探头便于移动。五、声波的耦合耦合剂的选择探头与试块之间的耦合方式有直接接触法和液浸法。在液浸法检测中，通过液体实现耦合，此时液体也是耦合剂。常用的耦合剂有水、甘油、变压器油、化学浆糊等。（1）透声性能好。声阻抗尽量和被探测材料的声阻抗相近。（2）有足够的润湿性、适当的附着力和粘度。（3）对试件无腐蚀，对人体无损害，对环境无污染。（4）容易清除，不易变质，价格便宜，来源方便。超声检测的方法很多，可按原理、波型和使用探头的数目及探头接触方式来分类。按原理分类，有脉冲反射法、穿透法和共振法；按显示方式分类，有A型显示、B型显示和C型显示；按波型分类，有纵波法、横波法、表面波法和板波法；按探头数目分类，有单探头法、双探头法和多探头法；按耦合方式分类，有接触法和液浸法；按入射角度分类，有直射声束法和斜射声束法。3.5.2超声检测方法（1）脉冲反射法的工作原理脉冲反射法是利用超声波探头脉冲试件内传播的过程中，遇有声阻抗相差较大的两种介质的界面时，将发生反射的原理进行检测的方法。采用一个探头兼做发射和接收器件，接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷及底面反射波的有无、大小及