第2讲超声检测及参数测量1

第1章超声检测1.3.4.2穿透法探伤穿透法又叫透射法，是利用声波穿过被检材料或工件后能量（或声压幅度）的变化来判断缺陷的有无及其性质的。穿透法是超声波应用于无损检测最早的方法。

穿透法探伤采用双探头，一个在工件或材料的这面作为发射装置，一个放在另一面（和发射相对的一面）作为接收装置，如果材料或工件中有缺陷，由接收探头接收到的能量很小或没有。其原理如图所示。当工件完好时，接收探头可接收到较强信号。当工件有小缺陷时，部分声能被反射，接收探头接收到较弱信号。当工件内有大缺陷将声能全部反射时，接收探头完全接收不到超声信号。

a)无缺陷b)有小缺陷c)有大缺陷

第1章超声检测1.3.4.2穿透法探伤实现穿透法探伤有连续波和脉冲波两种。实际检测中连续波用的更多些。为了排除在试件中可能产生驻波的影响，连续波采用调频波。在不可能产生驻波的试件探伤中，连续波也可采用调幅被。在实际工作中，往往会遇到不允许进行双探头双面探测的情况，这是采用双探头单侧穿透法探伤，如图所示，原理和上面是一样的，这种方法大多适用于带蒙皮或包覆层的样品检验。反射式穿透法探伤示意图

第1章超声检测1.3.4.2穿透法探伤当缺陷较小时，即缺陷的大小可与声波长相比，或还要小，此时在缺陷边缘会发生绕射，在缺陷后形成声影，在缺陷后不同位置的声影的形状是变化的。声影的形状基本上有一段是截面不变的，之后是按一定角度绕射，缺陷距离接收探头越远，对能量遮挡的影响越小。当缺陷距离接收探头的大于SH时，所接收到的声能基本上不受缺陷的影响。反射式穿透法探伤示意图

第1章超声检测1.3.4.2穿透法探伤反射式穿透法探伤示意图

声影后截面不变的距离

在之后，声影将按一定角度绕射

在实际探伤中，由于接收探头距离缺陷越远对接收的能量影响越小，形成的声影越小，缺陷越不容易发现，所以能否探测到缺陷，还和缺陷距离接收探头的距离有关。第1章超声检测1.3.4.2穿透法探伤穿透法探伤优缺点：优点：几乎不存在盲区，声程衰减小，一般用来检测对声波衰减较大的试样。缺点：不能给出缺陷存在的位置，只能分辨有无缺陷存在。由于声波衍射现象的存在，检测灵敏度低，需要专用探头夹持装置以使两个探头对准，操作不便，实际应用比较少。第1章超声检测1.3.4.3共振法检测当具有一定波长的声波在介质中传播遇到界面时声波的部分或全部要反射回来，行进波与反射波同相位叠加的现象叫做共振，利用共振原理检验工件或材料的方法称为共振法。用频率连续可调的正弦信号去激励压电晶片，经过耦合剂把超声波辐射到工件或材料中，然后调整发射频率，改变其声波的波长，当工件的厚度为超声波半波长的整数倍时，由于入射波和反射波相位相同其振幅同相叠加，从而在工件中形成驻波。如果工件中存在较大的缺陷或板的厚度不均匀时，原来的厚度是半波长的整数倍的关系就不成立，则共振点就偏移或消失，这样就可以判断缺陷的存在与否。问题：本征值？本征模态？存在的条件是什么？第1章超声检测1.3.4.4表面波探伤表面波探伤：表面波探伤法是探测材料表面缺陷的一种方法。如图给出声表面波对裂纹探伤的例子。图小L,S均为棱角处散射的纵波和横波．探测脉冲F1、F2对应于棱角F1和裂纹尖端处F2的反射回波。在已知表面波声速的情况下，利用脉冲反射或频谱法通过F1、F2两个脉冲的时差测量，可以测定出裂纹的深度。注意：表面波探伤是不适合应用于液浸表面的探伤。表面粗糙度对表面波有明显的影响，粗糙的表面由于容易发声散射而使表面波的衰减增大。表面波对表面裂缝的探伤

第1章超声检测1.3.4.5纵波探伤法利用纵波进行探伤的方法称为纵波探伤法，一般说直探头垂直工件表面入射的声波是纵波，所以垂直探伤一般是纵波探伤法。发射波、缺陷波和底波经过放大后在显示器上。由它们在时间基线上的位置可求出缺陷的位置。纵波脉冲反射法分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法。当工件中无缺陷时，显示器上出现指数曲线递减的多次反射底波。当工件内有吸收性缺陷时（如疏松等）时，声波在缺陷处衰减很大，反射底波的次数减少甚至消失，以此判断有无缺陷及其严重程度。在纵波探伤中，一般出现底面回波，探伤仪的测量范围通常调为至少在荧光屏的时间轴（横轴）上能显示2个底波。测量范围可用标准试块或适当的对比试块来调整。表面波纵波探伤法的基本原理第1章超声检测1.3.4.6横波探伤法利用横波进行探伤的方法称为横波探伤法。主要用于焊缝探伤，因为焊缝表面有加强梁，凸凹不平，不易放置直探头，加上焊缝中有害缺陷总是垂直于板面，所以一般都采用横波探伤法。横波探伤法基本原理

第1章超声检测1.3.4.7板波探伤在板状固体媒质中传播的声波称为板波。在超声探伤中所用的板波是兰姆波，即在板中传播的波中含有振动方向与板面垂直的横波（SV波）和振动方向与板面平行的纵波。板波按照质点运动相对板的中间层是对称的，区分为对称型（S型symmetry）或非对称型（A型asymmetry）。每种型式按不同相速度CP再区分为若干种模式。分别用下标0,1,2,…表示。不同模式的板波是通过选择探头的入射角来产生的。激发方式和表面波类似，采用声波斜入射到固体介质中，入射的角度满足

第一种介质中的纵波声速

板中所兰姆波的传播速度（相速度）第1章超声检测1.3.4.7板波探伤利用兰姆波检测表层下层状缺陷(a)和（b）分别是两种产生兰姆波的方法应用场合：层状缺陷；薄板材的探伤。用于纵波探伤形式的检验块的设计

第1章超声检测1.3.5超声探伤的应用探伤在实际中的应用举例：金属材料，金属焊缝，陶瓷材料，复合材料，混凝土，塑料。超声探伤是一种非常有效、应用日益广泛的无损探伤技术，目前也已应用于核电站、压力容器以及汽车工业等各个重要部门。国内超声探伤的研究现状，超声探伤产品介绍。武汉科声技术公司生产的多通道超声自动探伤系统以及便携式数字化超声探伤仪。针对不同的用途，分多种型号。（《超声手册》p472）广东省汕头市超声仪器研究所研制的CTS-2000笔记本式数字超声探伤仪，厚度为5.0cm，重量1.6kg（带电池）。江苏省南通市友联智能仪器公司生产的各种型号的数字超声探仪，仅售几万元钱。掌上宝型，有很多公司。

第1章超声检测1.4介质中声学参量的测量声波在介质中传播时，介质中的声速、声衰减和声阻抗等声学参量和介质自身的特性以及它所处的状态有关。例如，介质的温度、含湿量不同，其声速也不相同。所以，往往通过测量该介质中的某些声学量的变化来分析介质的性质及其所处的状态。这就是说，以测量介质中的声学参量为手段,来达到分析介质的特性，了解其状态变化的目的。本节重点介绍声速、衰减和声阻抗的测量方法，在后面举例说明这些声学量的测量在介质特性分析上的应用。1.4.1声速的测量方法声速是声波在介质中传播的一个基本的物理量，而且也是最重要的一个声学量。声速的测量方法有多种，如共振干涉法、临界角法、相位比较法、脉冲法等。

第1章超声检测1.4.1.1共振干涉法测量声速共振干涉法是测量介质中声速最常用的方法之一，其原理是通过测定声波长和频率求得声速，即。有两种办法，一种是采用固定频率的声波，调整声在介质中的传播距离，以达驻波共振状态，从而确定波长，由上述关系式求出值，通常把这种改变距离固定频率的共振干涉法称为变程干涉法。另一种是固定传播距离改变声波频率的方法达到共振，从而求出声速，后一种法称之为定程干涉法。1、变程共振干涉法变程干涉仪主要由一个辐射声波的换能器和一个反射声波的反射板组成，如图所示，反射板和换能器之间保持严格平行，并充以待测液体，声程的改变即是两者之间距离的改变，依靠与反射板之间刚性连接的测微螺旋计精密调节来实现。第1章超声检测1.4.1.1共振干涉法测量声速（1）变程共振干涉法变程干涉仪原理图变程干涉仪电流随距离变化关系

可精确至5/1000mm第1章超声检测1.4.1.1共振干涉法测量声速（1）变程共振干涉法待测液体保持恒温状态，避免由于温度变化引起测量误差。当调节螺旋计时，反射板也随之移动，使声程发生改变，这时在一系列特定的距离上，介质中将会出现驻波共振现象。有反射板时，换能器采用收发兼用的形式。该方法要求反射板和换能器之间严格平行，测得的电流和距离之间的关系如图所示。变程干涉仪由于电路比较简单，需用的测量介质量也比较少，测量精度较高，所以，在科学研究中被广泛应用。但它的机械装置比较复杂，测量比较麻烦，所以很难在工业中得到广泛应用。第1章超声检测1.4.1.1共振干涉法测量声速（2）定程干涉法

采用固定声波传播距离，通过改变超声频率来建立驻波共振状态，称为定程共振干涉法。测量原理如图

定程干涉仪电压表响应

第1章超声检测1.4.1.1共振干涉法测量声速用变程干涉法测声速时，其精度可达。而定程干涉法的声速测量精度可达，比变程干涉法高两个数量级，原因在于定程干涉法是改变声波频率，用频率计测量频率比用测微计测量距离的精度要高的多。一般定程干涉仪和变程干涉仪均可适用于流体介质。而对于固体介质，由于改变距离不容易，所以，一般变程干涉仪不大适用，而大多采用改变频率的定程干涉仪。第1章超声检测1.4.1.2临界角法测量声速共振干涉法只能测量纵波声速，而临界角法(或称全反射法)既能测量固体中的纵波声速，也能测量固体中的横波声速。临界角法测声速示意图第一临界角第二临界角如果液体的声速为已知，则可通过测量出两个临界角的值，分别求出声在固体中传播的纵波和横波速度。第1章超声检测1.4.1.2临界角法测量声速两个临界角和的测量是这样进行的，在改变入射角时，达到第一临界角时，在A处接收到第一个极大值，而在B处接收到第一个极小值。继续增大入射角，当入射角增大到第二临界角时，在A处接收到第二个极大值，而在B处接收到第二个极小值。在测试中用脉冲信号而不同连续波，这样可以减小干涉的影响。另外，待测样品一定要做得两面光滑平行。第1章超声检测1.4.1.3脉冲法测量声速原理(a)透射法（b）反射法

脉冲法测量声速示意图目前，脉冲法测量声速是用得最多的一种，原理式子为，测出声波传播的距离和传播时间，即可求出声速。它可以是双探头透射法测量也可以是单探头反射法进行测量。用透射法测量时，一个换能器用作发射声波，而另一个换能器安放在被测样品的另一侧接收经介质传播后的声波。反射法由一个换能器收发兼用。如果采用斜探头，则可在固体中同时激发出纵波和横波，探头接收横波便可测出横波声速。第1章超声检测1.4.1.3脉冲法测量声速原理(a)透射法（b）反射法

示波器上接收到的脉冲波形示意图

把反射和接收脉冲加到示波器上，就可得到如图所示的波形，显示出的多个接收脉冲是发射声脉冲在试样的两个界面来回反射的结果。每两个相邻的接收脉冲之间，声波往一返在介质中走过了的距离，若能测出走过这段距离所用的时间，就能求出，在介质中声传播的时间的测量方法很多，下面分别介绍几种声传播时间的测量方法。第1章超声检测1.4.1.3脉冲法测量声速原理（1）脉冲回鸣法测量声传播时间原理

回鸣法测量原理图

脉冲回鸣法又称脉冲循环法，是20世纪50年代发展起来的一种测量介质声速的方法。回鸣法测量原理如图所示

发射换能器被激发后向被测介质中辐射声波，声波在介质中传播一段距离后被接收换能器接收，被接收的声信号转换成电信号后经放大、整形和鉴别后又去触发发射电路，使发射换能器发射下一个声脉冲，如此循环往复，便得到一个声脉冲系列。如果忽略发射电路和接收电路以及换能器系统的延迟作用，脉冲重复周期T

就等于声在介质中传播距离后所需的时间。用频率计测量脉冲的重复周期T(或频率f)就可求出声在介质中的声速c。这种方法用的电路比较简单，借助于计数器的记录精度可达±0.01%。如果l为发射换能器和接收换能器在介质中的距离，T是脉冲的重复周期(或重复频率f)则介质的声速为第1章超声检测1.4.1.3脉冲法测量声速原理（1）脉冲回鸣法测量声传播时间原理

回鸣法测量原理图

无论是测量传播时间法测量时间或是回鸣法测量时间，都有一个测时误差问题。这个时间误差主要来源于电路的时延，连接电缆的时延，声波透过耦合层和探头面的时延等额外时延所造成的，所以，在测时时可通过相应的方式加以修正第1章超声检测（2）脉冲回波叠加法原理

脉冲回波叠加法的原理，若采用反射法时，把声发射的周期调到近似地等于声波在试样中往返传播两次所需的时间，当介质的衰系数不太大时，则第一次反射的声波的多次反射回波尚没有全部衰减完，第二次发射的声波又开始，这样在被测介质中同时存在多次反射的声波及其回波，这引起波在探头上相互叠加，如果调节发射的重复频率，使得同时到达探头上的多次回波的相位恰好相同，这些回波在探头上叠加，达到振幅最大。脉冲回波叠加法原理

第1章超声检测1.4.1.3脉冲法测量声速原理（2）脉冲回波叠加法原理

这个重复频率称“共振频率”通过对这个“共振频率”或周期的测量便可求出声速。“共振频率”时周期等于声波在介质中往返两次的传播时间。脉冲回波叠加法原理

第1章超声检测1.4.1.3脉冲法测量声速原理声速测量总结：

（1）c和f无关，c不是频率的函数。

（2）利用，，，，求出声速。还有其他方法吗？第1章超声检测1.4.2超声测量声衰减当声波在介质中传播时，由于声束扩散，散射以及吸收等原因而造成声能降低而产生衰减，这三种衰减随频率变化的规律是各不相同的，如果选择适当的频率，一定介质的某种衰减就可被突现出来，测量介质的声衰减是分析和了解介质特性的有效方法之