超声波检测技术

超声波检测技术

摘要

本文主要阐述了超声波的性质与特点，简单说明了超声波的波型与声速，以及超声波的折射、反射等。详细地论述了超声波的发射与接受、压电换能器的工作原理。讲述了超声波无损探伤及其工作原理，并论述了超声波探伤仪的使用方法及影响探伤结果的因素。

关键词：超声波、探伤仪、压电换能器

1引言

19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制应用方便。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。

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2超声波概述

2.1超声波在工业领域的应用

超声波在工业领域主要用于探伤、距离和厚度测量、流量和密度测量、超声清洗、超声焊接等。

图1 超声波测厚

2.2超声波的性质

机械波分为：声波、次声波、超声波。声波的频率在20HZ～20000HZ,频率低于20 HZ的声波称为次声波，频率超过20000HZ的声波称为超声波。

工业探伤上常用的超声波范围是：0.5～20MHz ;其中金属探伤最常用的频率是：1～5MHz；探水泥构建用的频率是：小于0.5MHz,如100KHz、200KHz; 探测玻璃陶瓷中μm级小缺陷用的频率是100MHz～200MHz,甚至更高。

图2声波的频率界限

2.3 超声波的特点

1、超声波具有良好的指向性。

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2、超声波的能量高，由于超声波的能量（声强）与频率的平方成正比，故超声波的能量远大于声波的能量。

3、能像光线一样呈直线传播，并在界面上产生反射、折射和波型转换，在传播过程中还有干涉、叠加、绕射现象，故可以充分利用这些几何、物理特征进行探伤。

4、在金属材料中的传播速度很快，穿透能力强、衰减小，如对某些金属的穿透能力可达数米。超声波速度慢，容易提高测量分辨率。

2.4超声波的波型

1、纵波：质点的振动方向与波的传播方向相平行 。纵波在固、液、气三种介质中均能传播。

2、横波：质点的振动方向与传播方向相垂直 ，质点受到的是交变剪切应力的作用，故亦称切变波。液体和气体不能够承受剪切应力，故无横波传播。

3、表面波，在固体表面传播。

2.5超声波的折射 反射 波型转换

1、入射纵波反射、折射波型转换纵波倾斜入射到不同介质的表面时会产生反射纵波反射横折射纵波折射横波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。

2、第一临界角：当在第二介质中的折射纵波角等于90度时，称这时的纵波入射角为第一临界角 。这时在第二介质中已没有纵波，只有横波。焊缝探伤用的横波就是，经过界面波型转换得到的。

3、第二临界角：当纵波入射角继续增大时，在第二介质中的横波折射角也增大，当β

S达

90度时，第二介质中没有超声波，超声波都在表面，为表面波。

2.6超声波的发射与接受

超声波换能器又称为超声波探头，是完成超声波发射和接收的关键器件。所谓换能器就是能进行能量转换的器件。超声波换能器可以将其他形式的能量转换成高频声能(发射换能器)，并且也能够把超声能量转换成其他易于检测的能量(接收换能器)：在超声检测中往往用一个超声换能器，既作发射换能器，又作接收换能器。

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图3 几种典型的探头结构 （a）直探头 （b）双探头

2.6.1 压电换能器

1、超声波的产生(电能转化为超声波)

逆压电效应：将具有逆压电效应的介质置于电场内，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置受化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比，这一现象称为逆压电效应。

2、超声波的接收(超声波转化为电能)

正压电效应：当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应

3超声波无损探伤

3.1超声波无损探伤

超声检测是无损检测中最重要的一种方法，由于超声波具有穿透能力强、对材料人体无害、使用方便等特点，利用此方法可对高速运动的金属板材、棒料进行检测。已经广泛应用到现代工业中。

以广泛应用的A型为例进行介绍。A型显示脉冲反射式超声探伤仪是日前使用最广泛的探伤仪，它不采用连续波，而是采用按一定频率间隔发射的具有一定持续时间的超声脉冲波，其探测结果以荧光屏显示，具有灵敏度高、缺陷定位

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