上海仓信电子科技有限公司

                                                                                                                吕世磊

【摘要】：本文从超声波的物理本质谈起，进而论述了超声波与检测技术相结合的产物超声波检测的原理，即基于超声波穿过物体时会产生线能量损失（衰减）并在分界面上发生反射，然后对反射波束，或在某些条件的传输波束进行分析，从而确定是否存在裂缝或缺陷以及缺陷的大小，位置等。深入细致的分析了超声波检测的优缺点，并一一介绍了超声波检测在油井管、铸钢件、钢结构焊接、空间网架结构焊接等的质量检测中的应用。

【关键字】：超声波 无损探伤  应用

一、 超声波的物理本质

超声波是频率高于20000HZ的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用以测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。

超声波被用于无损检测，主要是因为有以下几个特性：

（1） 超声波在介质中传播时，遇到界面会发生反射；

（2） 超声波指向性好，频率愈高，指向性愈好；

（3） 超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。

近几年来的研究表明，超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息，并且成为超声波广泛应用的条件。

脉冲超声波探测的主要电子设备包括一个电压电源(用于激发压电式换能器（脉冲器）)和一个显示装置（用于分析接收超声波的脉冲）。图1所示为超声波探伤基本装置系统的典型框图。普通光波和X光波产生的是电磁能量，而超声波产生的却是包括物体分子或原子振动或振荡的机械能。超声波的行为与可听声音相似：它们能通过固体、液体和气体传播，但不能通过真空传播。目前，超声波在材料和裂缝间的相互作用可以通过各种模拟技术成功建立模型。

超声波在无限大介质中传播时，将一直向前传播，并不改变方向。但遇到异质界面（即声阻抗差异较大的异质界面）时，会产生反射和透射现象。即有一部分超声波在界面上被反射回第一介质，另一部分透过介质交界面进入第二介质。超声波在介质中传播时有多种波型，检验中最常用的为纵波、横波、表面波和板波。用纵波可探测金属铸锭、坯料、中厚板、大型锻件和形状比较简单的制件中所存在的夹杂物、裂缝、缩管、白点、分层等缺陷；用横波可探测管材中的周向和轴向裂缝、划伤、焊缝中的气孔、夹渣、裂缝、未焊透等缺陷；用表面波可探测形状简单的制件上的表面缺陷；用板波可探测薄板中的缺陷。横波也在超声波探伤中有广泛应用，它的传播有点类似于在绳子一端有规律地抖动所形成的绳子的振动形式，分子和原子在一个平面上垂直于波浪传播方向上下振动；表面波只是有时采用在超声波探伤中，它沿着平面或相对较厚的曲面传播；平面波只是应用于超声波探伤的某些场合，仅在厚度只有几个波长大小的材料表面传播。界面处超声波的反射与材料的物理状态关联较大，而与材料本身的物理性能关联较小。

二、超声波的产生和检测

多数情况下，用于无损检测的超声波是采用压电转换器产生和检测试波形的产生和检测件的。压电转换器需要一个耦合器在转换器和试件间传输超声波。压电转换器具有一个压电晶体（比如钛酸钡、锆酸铅、钛酸铅等），当通电后能迅速改变形状。当它们被快速加压时会发生相反的变化，产生一个电磁场。用于无损检测超声波的产生和检测也可通过其它方法实现。其中之一是利用非接触空气耦合转换器，它是基于微电子机械系统（简称MEMS）的基础；另一种方法是通过试件表面的快热膨胀和融蚀产生非接触激光超声波，采用激光干涉仪或空气耦合换能器检测产生的超声波。此外，磁性金属也能通过超声波探伤，主要采用非接触电子机械声波转换器（简称EMATS）同时产生和检测超声波。超声波通常通过以下一种或几种方法检查裂纹和缺陷。

（1）通过材料边界或缺陷分界面的反射声波检测。

（2）通过超声波的切换时间或传播时间检测。

（3）通过超声波的衰减程度检测。

（4）通过透射信号或折射信号的频谱响应特征检测。

三、超声波探伤的优点和缺点

优点:

1、穿透率高，在许多工件中穿透率大小可以达到几米，轴向能达到6米。

2、敏感度高，可以检测极其微小的缺陷。

3、检测工件内壁缺陷的位置，估计缺陷大小，以及标识缺陷的取向、形状及其性质时准确度高。

4、 只需一个表面接触检测。

5、 电子化操作，几乎可以同时显示缺陷，适合于即时分析试验结果，自动化操作，快速扫描，在线生产监测以及工艺控制。

6、 可从工件前表面至后表面进行整体扫描。

7、 无损害操作。

8、 便携。

9、 数字输出，可以利用计算机分析缺陷和材料性质。

缺点：

1、 人工操作需要工作人员具备专业技术并且小心仔细进行检测。

2、 为制定出恰当的检测步骤需要多方面的技术知识。

3、 不能检测表面粗糙、形状不规则，体积太小或材质不均匀的工件。

4、 不能检测恰巧发生在紧邻工件表面下的薄层的缺陷。

5、 耦合介质通常需要在转换器和工件之间传输超声波能量。

6、 需要校准设备和标识缺陷的实际参考标准。

四、超声波探伤仪原理

无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗在介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。超声检测方法通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。

数字式超声波探伤仪现在通常是对被测物体（比如工业材料、人体）发射超声，然后利用其反射、多普勒效应、透射等来获取被测物体内部的信息并经过处理形成图像。超声波探伤仪其中多普勒效应法是利用超声在遇到运动的物体时发生的多普勒频移效应来得出该物体的运动方向和速度等特性；透射法则是通过分析超声穿透过被测物体之后的变化而得出物体的内部特性的，其应用目前还处于研制阶段；超声波探伤仪这里主要介绍的是目前应用最多的通过反射法来获取物体内部特性信息的方法。反射法是基于超声在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作的，正如我们所知道，声波在从一种介质传播到另外一种介质的时候在两者之间的界面处会发生反射，而且介质之间的差别越大反射就会越大，所以我们可以对一个物体发射出穿透力强、能够直线传播的超声波，超声波探伤仪然后对反射回来的超声波进行接收并根据这些反射回来的超声波的先后、幅度等情况就可以判断出这个组织中含有的各种介质的大小、分布情况以及各种介质之间的对比差别程度等信息（其中反射回来的超声波的先后可以反映出反射界面离探测表面的距离，幅度则可以反映出介质的大小、对比差别程度等特性）,超声波探伤仪从而判断出该被测物体是否有异常。在这个过程中就涉及到很多方面的内容，包括超声波的产生、接收、信号转换和处理等。其中产生超声波的方法是通过电路产生激励电信号传给具有压电效应的晶体（比如石英、硫酸锂等），

使其振动从而产生超声波；而接收反射回来的超声波的时候，这个压电晶体又会受到反射回来的声波的压力而产生电信号并传递给信号处理电路进行一系列的处理，超声波探伤仪最后形成图像供人们观察判断。这里根据图像处理方法（也就是将得到的信号转换成什么形式的图像）的种类又可以分为A型显示、M型显示、B型显示、C型显示、F型显示等。其中A型显示是将接收到的超声信号处理成波形图像，根据波形的形状可以看出被测物体里面是否有异常和缺陷及在哪里、有多大等，超声波探伤仪主要用于工业检测；M型显示是将一条经过辉度处理的探测信息按时间顺序展开形成一维的“空间多点运动时序图”，适于观察内部处于运动状态的物体，超声波探伤仪如运动的脏器、动脉血管等；B型显示是将并排很多条经过辉度处理的探测信息组合成的二维的、反映出被测物体内部断层切面的“解剖图像”（医院里使用的B超就是用这种原理做出来的）,超声波探伤仪适于观察内部处于静态的物体；而C型显示、F型显示现在用的比较少。

超声波探伤仪检测不但可以做到非常准确，而且相对其他检测方法来说更为方便、快捷，也不会对检测对象和操作者产生危害，所以受到了人们越来越普遍的欢迎，有着非常广阔的发展前景。

五、超声波探伤仪的特点

1、检测速度快

 数字式超声波探伤仪一般都可自动检测、计算、记录，有些还能自动进行深度补偿和自动设置灵敏度，因此检测速度快、效率高。

2、 检测精度高

数字式超声波探伤仪对模拟信号进行高速数据采集、量化、计算和判别，其检测精度可高于传统仪器检测结果。记录和档案检测，数字式超声波探伤仪可以提供检测记录直至缺陷图像。

3、 可靠性高 稳定性好

数字式超声波探伤仪可全面、客观地采集和存储数据，并对采集到的数据进行实时处理或后处理，对信号进行时域、频域或图像分析，还可通过模式识别对工件质量进行分级，减少了人为因素的影响提高了检索的可靠性和稳定性。可以实现的功能主要有：

（1）自动校准：自动测试探头的“零点”、“K值”、“前沿”及材料的“声速”；

（2）自动显示缺陷回波位置如：深度d、水平p、距离s、波幅、当量dB、孔径￠自由切换标尺；

（3）自动录制探伤过程并可以进行动态回放；

（4）自动增益、回波包络、峰值记忆功能；

（5）探伤参数可自动测试或预置；

（6）数字抑制，不影响增益和线性；

（7）多个独立探伤通道，可自由输入并存储任意行业的探伤标准，现场探伤无需携带试块；

（8）可自由存储、回放波形及数据；

（9）DAC、AVG曲线自动生成并可以分段制作，取样点不受限制，并可进行修正与补偿；

（10）自由输入各行业标准；

（11）与计算机通讯，实现计算机数据管理，并可导出Excel格式、A4纸张的探伤报告；

（12）实时时钟记录：实时探伤日期、时间的跟踪记录，并存储；

（13）增益补偿：对表面粗糙度、曲度、厚工件远距离探伤等因素等造成的Db衰减可进行修正；

六、超声波探伤仪的应用

1、油井管超声波自动探伤系统

该超声波自动探伤系统的应用不但从客观上保证了油井管检测的准确性和高效率，而且降低了探伤检测的生产成本，减少了探伤检测中许多人为因素的影响；系统设计具有兼容性、通用性，能满足不同生产的要求，而且其缺陷波形动态回放有效地克服了超声波自动化探伤检测中缺陷种类难以识别的不足。但同国外先进的检测设备相比仍存在一定差距，该系统应加大以提高超声波传感器部分和信号处理部分的性能为重点的研究，带动电子线路的研究开发，以便进一步提高自动化探伤的检测效率和精度以及稳定性，减小缺陷的误判率。

2、铸钢件超声波探伤及缺陷判别

铸钢件缺陷的定位、定量和定性评定，是产品生产对探伤人员工作提出的要求。实际检测过程中，在对缺陷定性评定方面却存在相当大的困难，这主要是由于缺陷对超声波的反射特性取决于缺陷的取向、几何形状、相对超声波传播方向的长度和厚度、缺陷的表面粗糙度、陷内含物以及缺陷的种类和性质等等，并且还与所使用的超声检测系统特性及显示方式有关。因此，在超声检测时所获得的缺陷超声响应是一个综合响应。

3、超声波探伤在钢结构焊接中的应用

超声波探伤用于全熔透焊缝，其探伤比例按每条焊缝长度的百分数计算，并且不小于200mm。对于局部探伤的焊缝如果发现有不允许的缺陷时，应在该缺陷两端的延伸部位增加探伤长度，增加的长度应不小于该焊缝长度的10%且不应小于200mm,当仍有不允许的缺陷时，应对焊缝进行100%的探伤检查。

4、超声波无损检测技术在空间网架结构焊接质量检测中的应用

利用超声波无损检测技术对空间网架结构管——球节点坪缝、管——管对接和相贯线连接焊缝、管——板封头连接焊缝以及常见缺陷的规律性和特殊性进行了研究，限于结构的特殊性，一般只能进行钢管单侧单面扫查，探头选用圆弧形探头，小晶片探头前沿短五，便于一次波探测焊缝根部。扫查方式为锯齿形，在一次和二次波范围内进行观察。

七、结束语

超声波无损探伤技术广泛应用于制造业的质量控制、验收试验和定期维修检查中，并且适用于各种材料的缺陷定位和确认。超声波探伤在石油和航空航天工业中应用也非常广。超声波探伤是一项成熟的技术，它有坚实的物理学理论基础和成熟的检测结果模型。操作简单，便于携带的设备和一切齐全即可使用的计算机系统都在生产中广泛应用。

参考文献：

1、张旭辉 马宏伟《超声无损检测技术的现状和发展趋势》现状趋势战略2002.24-26

2、蒋危平《超声波探伤仪发展简史无损检测》1997：24-25

3、曹玉华《宁夏机械》2008年第4期；

4、常少文《油井管超声波自动探伤系统的研制与应用》2010-08-18

5、拓凌玺《钢铸件超声波探伤及缺陷判别》2010-12-07

6、郭伟  《超声波探伤不确定度的分析探讨》2009-09-16

7、美国无损检测学会，美国无损检测手册（超声卷上、下）【M】北京：世界图书出版社

8、中国机械工程学会无损检测学会超声波探伤【M】北京：机械工业出版社，1989.

9、刘福顺 汤明 《无损检测基础》北京航空航天大学出版社