超声波讲稿(相关知识部分)

前言：

1．什么是超声波：

人耳听不见（人耳可听见16-20000Hz），即频率大于2万赫兹(2

×104 Hz)的机械波（超声波） 2．工业超声波探伤频率：1-5M Hz

a．粗晶材料（奥氏体不锈钢，大的锻件，铸件）用1-2 M Hz b．细晶材料（厚度不大的钢板、锻件，薄的焊缝）用4-5 M Hz，

常用5 M Hz

c．其它材料：2-3 M Hz 常用2.5 M Hz 3．金属材料用高频超声波原因：

C7070a．指向性好（即DDf）：

－声能集中，可以传播很远，检测深度大。 －距离分辨力好，相邻缺陷分辨率高。

小b．f大即λ小，检测灵敏度高（可达到

2）

9.1超声波的发生及其性质： 1、超声波的发生和接收 （1）（机械）振动和波动：

a.振动——是物质在平衡位置附近的往复（周期性）运动。 b.波动——是振动状态或振动能量的传播，不是物质的迁移。 （2）超声波产生的条件：

a.振动源（波源）——晶片振动 b.能传播波的介质——弹性介质 （3）压电效应：

a. 正压电效应: 交变（拉、压）应力——交变电场（接受超声

波）

b.逆压电效应: 交变电场——振动（晶片）（发射超声波） （4）压电晶片：

a.常用的压电晶片：

石英——单晶体、稳定性好、耐高温（550℃） 硫酸锂——单晶体、接收性能好

锆钛酸铅——多晶体、灵敏度高、发射性能好 钛酸钡——多晶体、发射性能好 铌酸锂——单晶体、耐高温（1200℃） b.单晶直探头常用锆钛酸铅制作（PZT）

双晶探头常用PZT+硫酸锂，高温探头用铌酸锂和石英。

CL晶＝晶fc.晶片参数：频率常数Nt22、超声波的种类(仅指波型)：

（1）纵波–

––振动方向与波传播方向平行

（2）横波–––振动方向与波传播方向垂直（只能在固体中传播）

（3）表面波–––长轴是横波,短轴是纵波的合成，在表面下2 λ内传播的椭圆振动（只能在固体中传播）

在表面下 在表面下2

处，振幅减为1/5，能量减为1/25 处，振幅减为1/100，能量减为1/10000

（4）板波：充满板内，各种模式的纵、横波 （5）爬波：表面下纵波

－当纵波λ射角在第一临界角（有机斜楔/钢为27°36）附近时产生

－检测深度与（晶片×频率）的乘积大小有关 （6）探头：

a．直探头（纵波）

①阻尼块：

缩短晶片振动时间，脉冲宽度变窄，提高分辨力 吸收晶片背面的杂波，提高信噪比

②保护膜（按声阻抗Z大力分为硬、软保护膜） 硬保护膜—适用于表面光洁度高的工件 软保护膜—适用于表面粗糙工件

b．斜探头：（直探头+斜楔） ①斜楔（作用有二方面）

波型转换(CL有机玻璃< CL2件) 表面开槽：减少探头杂波

②K值（折射角的正切函数）：t↗→k↗；斜楔磨损时，磨前k

↘，磨后k↗。

C．双晶探头（双直，双斜）：发射与接收分开 ①是一个粗糙的聚焦探头，

②杂波少、盲区小，可检测近表面缺陷。 ③近长区长度小（延迟块的使用） ④检测深度取决于晶片的倾角 d. 聚焦探头(线聚焦、点聚焦)

①灵敏度高（聚焦区声能集中－主要参数有 焦点位置、焦拄长度和焦拄宽度） ②声束窄（焦拄宽度小），横向分辨率高 ③定位精度高

Δ聚焦探头的焦距总是小于近场长度 3．声速（波速） （1）常用的声速参数：

CL钢=5900米/秒 CS钢=3230米/秒 CL有机=2730米/秒 C水=1500米/秒 （2）与声速有关的参数：

a．与材料种类有关，

ρ（密度）↗→C↗， E（弹性）↗→C↗ b．与波型有关：CL：CS：Ct =1.8 : 1 : 0.9（对于钢材） c．与温度（t↗→c↘,只有水例外）有关，

与应力(F↗(拉应力)→c↗)有关。 与介质尺寸有关。

4．频率、波长、声速相互关系：

C=f

yAxλ

图1振动曲线

（1）λ——质点完成一次全振动波传播的距离。

或者波线上相邻两振动相位相同质点间的距离。 （2）f——波动过程中，每秒内通过某点波的个数。 （3）C——波在1秒内传播的距离。 5．超声波的特征量：

（1）声压——超声场中某点瞬间压强与无超声波存在时同一点静压

强之差。

PmAc2Afccm＝Z Vm

即声压 p与频率f成正比

（2）声强——垂直于超声波传播方向上，单位时间，单位面积通过

的声能。

1pmPm2I2Z2c 即声强正比于频率f

22（3）声阻抗——声压的幅值与质点振动速度的幅值的比值 （表示

介质的声学性质）

PmZCVm①与材料的种类有关ρ ②与波型有关C

③与温度有关t↗→C↘→Z↘

Δ质点的振动速度Vm≠波速C Δ质点的振动频率f=波传播的频率f

2220g（4）分贝Δ–––20g11（仪器垂直线性好时）

a．已知波高为H2=90%和H1=15%，求H2/H1的分贝差Δ？

29020g15.6分贝 解：20g1152？ b．已知波高差6db, 求121020， 解：1H2=H11062021

即两波高差一倍

6．异质界面的反射和透射 （1） 垂直入射：

a.声压反射率γ(Pr/Pe)和透射率t(Pd/Pe)

2122t 2121

b.声强反射率R(Ir/Ie)和声强透射率T(Id/Ie)

图2 纵波垂直入射

21R T2

1221c.边界条件：由力的平衡：PO+Pr=Pt

2421 由于波的连续性，两侧振动速度的振幅相等：

ortVm 12r+1=t； R+T=1

Δ超声波在钢中传播到底面遇到空气100%反射；

Δ超声波从钢传到水中时，88%的声能反射，12%进入水中；

d.均匀介质中的异质薄层：(相当于钢板中的均匀夹层) Z1=Z3≠Z2 21=3≠1 Z1 nΔ当d=2时 2 t=1、 r=0 Δ当d=24(2n1)时 3 Z3 2 Z2 d

t很小、r很大

（2）斜入射：

a.反射和折射定律：

SinL1CL1b.纵波斜入射：

SinS1CS1L1SinLSinSCL2CS2

S1L1S1L1SL112LSS2L2 图3纵波斜入射时的反射和折射 第一临界角CL2（纵波）全反射，

ISin1CL1CL2

第二临界角CS（横波）全反射，Sin21CS2

CL1Δ因此CL2必须大于CL1才有第一临界角，即工件的纵波声速必须

大于斜楔的纵波声速，才能实现纯横波探伤。

Δ如果CS2须大于第一介质的纵波声速，才会产生表面波。

c.横波入射：当横波入射，CL全反射时，对应S叫第三临界角

CS αIIISinCL即只有固体才会有第三临界角

1 （钢中的αIII＝33.20 ）

d.对于有机斜楔探头检测钢工件时：

αI =27°36′ αII=57°48′

即纵波入射角在27°36′~57°48′实现纯横波探伤

实用β=38°~80° K=0.78~5.07

（3）平行声束在曲界面上的传播规律：（速度快、角度大）

C1 £ C2 

介质1 介质2

C1 ≥ C2 

介质1 介质2 7.指向性：

（1）直探头的指向角

C7070a.圆晶片指向角oSin1.22DDDf

1 (方晶片指向角oSin1a57a)

D2b.未扩散区：b=1.64N (N=

4)

D4c.声束宽度：W= b1.64D

DX W

Nb ≈ 1.64N未扩散区扩散区 图5 指向角，未扩散区，声束宽度

（2）斜探头的指向角：

a.纵向θ上＞θ下 使6dB测高增加误差 b.横向θ左=θ右 测长同直探头

8．近场区和远场区： （1）圆盘源的声压曲线：

图7 圆盘形声源轴线 上声压分布， N—近场长度。

2D2Px2PoSinxx 4D2 N=

4

FD（2） 远场区：X≥3N 接球面波规律，PX=P0

X

△频率越高，指向性越好。

△小晶片指向性差，大晶片指向性好。 △近场区越大，指向性越好。

△盲区不是近场区，是脉冲宽度＋阻塞效应。 △近场区缺陷定量不准。

△当量计算法适用于X≥3N时，小于声束截面尺寸W的缺陷的当量计算。

△只要当缺陷某个方向的尺寸大于声束截面尺寸W时，就能用移动探头法测长。 9、小物体的声波反射

（1）遇到不同尺寸的障碍物时的桡射和反射：

a.当λ≥d时，桡射（衍射），无反射。 b.当λ≈d时，既桡射，又反射。 c. 当d 》λ时，只有反射，形成声影。 （2）缺陷的反射率：

a.光滑表面：00~100%， 2.50~10%, 120~0.1%

b.粗糙表面：00~100%， 800~10%

1（凹凸度<为光滑面）。

3△ 当探头指向性好，缺陷指向性差时，缺陷定位准确。 △ 当探头指向性差，缺陷指向性好时，缺陷定位差。 △ 裂纹反射波幅不一定总是很高(与裂纹面的方向有关)。 △ 检测裂纹不宜采用较高的频率。 10、标准反射体的反射声压（X≥3N）

1（1） 大平底，PB=PX（同等厚度的实心圆柱体）

21， X~6db， X2F2（2） 平底孔，PP

X， X~12db， Φ~12db

1232（3） 长横孔，PØ=PX

8X

， X~9db ，Ø~3db

Xdd（4） 球孔，Pd=PX 4XX2， d~6db X~12db

（5） 圆柱曲底面，P

P凸9.2超声检测的原理： 1． 纵波探伤：（直探头）

凸

=PB

rR、 P

凹

=PB

Rr、

a.定位时，应读脉冲前沿（不能读峰

值或后沿）

b.适用于钢板、锻件、铸件

c.检测与探测面平行或稍有倾斜的缺陷 2、横波探伤（斜探头）：

图9 直探头定位示意图

适用于焊缝,钢管以及大锻件和厚钢板的辅助检测，检测与探测面垂直或与探测面倾斜较大的缺陷，主要用于焊缝。 （1）扫描线三种调试方法：

a.水平调试（中薄板焊缝） δ≤20mm；

KL=S.Sin

β

=S.=K.d

b.垂直调试（较厚焊缝）δ＞20mm

1K2

1d=S.Cosβ=S.

1K2

图10 斜探头检测时缺陷定位

示意图

由tg=K

从右图的直角三角形可看出，

Ksin

=

1K2 2 1

1K

1Cosβ=

1K2

K

c.声程调试（形状复杂工件） 如曲面焊缝，

S

（2）调试扫描线的几种试块

a.CSK-IA CSK-IIIA b.R40半圆试块 c.Ⅱw试块

(3)焊缝探伤时的伪缺陷波 a仪器杂波。

b探头杂波 c耦合剂反射波

d焊缝表面沟槽反射波、自动焊表面山形反射波，焊缝上下错位引起的反射波，单面焊焊瘤反射波等 ⑷迟到波、变形波：

a直探头轴向检测直径为d的细长工件，迟到波的位置出现在底波后0.76d×n(n=1、2、3、4…)

b直探头径向检测直径为d的园拄工件，三角反射波的位置出现在底波后0.3d和0.67d

9.3试块： 1.试块的用途

（1）确定合适的探伤方法

（2）确定探伤基准灵敏度：（JB/T4730）

a.钢板：

δ≤20mm 双晶直探头， 大平底50%-10db

δ＞20mm 单直探头， Φ5平底孔50%

b.锻件：Φ2平底孔

c.焊缝：纵向缺陷 评定线 横向缺陷 评定线-6dB

d.钢管： 60°尖角槽80% （3）检测仪器，探头性能：

a.仪器：垂直线性，水平线性，动态范围，衰减器精度 b.探头：K值，前沿长度，双峰，水平偏差。

c.系统：盲区，远场分辨力(直≥30db 斜≥6db) ,有效灵敏度余

量≥10 dB ，始脉冲宽度

(5MHz ) L≤10mm；(2.5 MHz ) L≤15mm.

2．试块种类：

（1）调节仪器及测试探头性能的试块：CSK-IA，半圆试块，Ⅱw试

块……等。

（2）纵波用试块：Φ5平底孔（CBII），阶梯试块(CBI)，CS-I（Φ2）、

CS-II（Φ2、Φ3、Φ4、Φ6）试块……等。

（3）横波用试块：CSK-IA、CSK-ⅡA、CSK-IIIA 、CSK-ⅣA、600

尖角槽试块……等。

（4） 标准试块系统性能校准和检测校准，对比试块检测校准，

（JB/T4730的分类）

（5） 自然缺陷试块 3．试块的要求： （l）材质要求

试块的声速C应与被探工件基本一致，且材质均匀 ，没有大于2mm平底孔当量的缺陷。 （2）试块的表面光洁度和几何尺寸要求

－对比试块应与被探工件具有相同的表面光洁度。 －标准试块表面光洁度一般在

5－

6。

－几何尺寸应消除试块边界造成的回波干扰。即试块宽度b≤2

X/D0

9.4检测工艺 1、 探伤方法分类： （1） 找原理分类

a.脉冲反射法： ①缺陷回波高度法：

用回波幅度判断缺陷大小，可进行当量计算、比较或测长（6dB法） ②底波高度法：

F/B， F/BF， F/BG 用缺陷波与底波高的比值表示缺陷的大约尺寸。

△相同的F/BF值，缺陷离探头越近，则缺陷的尺寸越小。

（当X≥1.64b）

△相同尺寸的缺陷，缺陷离探头越近，则F/BF的值越大。（当X≥1.64b）

△底波高度法主要用于检测小于声束宽度的缺陷。 ③底面多次回波法：

观察衰减规律PX =P0 eα x 来确定材料有无缺陷，晶粒度……等

b.穿透法：利用缺陷挡住声束多少程度来发现缺陷。 小缺陷漏检

①缺点＜ 不能定位

没有盲区，可检测薄工件

②优点＜ 检测速度快，易于实现自动化

c.共振法：利用驻波来判断缺陷或测厚（老式测厚仪）

（2）按显示方法分类：

a. A显示：幅度显示

提供信息： 幅度~缺陷大少

声程~缺陷位置（时间）

b. B显示：纵截面显示

提供信息 深度

纵截面面积（长×高）

c. C显示：水平截面显示

提供信息 水平截面面积（长×宽） 无深度 （3）按波型分类：

a.纵波：钢板、锻件、铸件、奥氏体不锈钢焊缝（波长长，穿透

力强，可用于粗晶材料）

b.横波：焊缝，钢管及厚钢板、厚锻件辅助检测（波长短，衰减

快，检测深度小，不适用粗晶材料）

c.表面波：表面开口缺陷，时延法可较精确检测开口裂纹的高度 d.板波：用于δ6mm以下的薄板

e.爬波：检测粗糙表面(角焊缝、堆焊)的近表面缺陷 （4）探头数目：

a.单探头（收、发共用） b.双探头（一收、一发）

①双晶直探头——δ20mm以下的钢板，δ45mm以下的锻

件，堆焊层未结合

②双晶斜探头——薄壁小径管焊缝，堆焊层焊缝

③串列扫查或TOFD法——厚焊缝（坡口角度小于5度的未

熔合和垂直于表面的面状缺陷）

－使用串列式检测法不论缺陷位置的深度多少，超声波的总声程不变。而且对不同深度缺陷的探测灵敏度也基本不变。被探得缺陷的坐标可根据两个探头之间的距离b来确定。

a=TK-b/2 d=T-b/2k

串列式检测

c.多探头：多对探头交替发、收，适用钢板自动化检测 （5）按接触方法分类：

a.直接接触法：

①用一层薄的耦合剂（≤

4）

②特点：探伤简便，适用于手工操作，灵敏度高；工件表

面粗糙度控制在6.3μm，探头易磨损；耦合效果与接触力有关（1~2Kg）

b.液（水）浸法：

①全浸和局部水浸

②特点：耦合稳定，粗糙表面对探伤无影响；探头不接触

工件，不易磨损；盲区小（因为水钢界面波宽度很小），调整入射角，可获得任意角度的横波 ，但声能损耗较大。

2．基本操作：

（1）探伤时机： 根据工件检测面能够对缺陷进行检测和工

件中危险缺陷发生的时间来选择

a锻件：热处理后，槽孔台阶加工前

b焊缝：（i）有延迟裂纹倾向的,应在焊后24小时以后 （ii）有再热裂纹倾向的,应在热处理后再增加一次检测（沉淀强化材料，如含Cr,, Mo, V, Ti ,Nb钢）

（iii）电渣焊应在正火后进行——晶粒粗大

（2）探伤方法：根据工件的形状及工件中缺陷的分布方向来选择

a.钢板：分层，因此用直探头纵波探伤 . b锻件：缺陷垂直于锻压方向。

δ＜45用双晶直探头或单直探头

δ≥45用单直探头

c.钢管：检测纵向缺陷为主，采用水浸法自动探伤时，用聚焦

探头

d.焊缝：①一般用单斜探头，当厚度大时用串列法或TOFD

法

②不锈钢焊缝检测难点：

晶粒粗大 ： 杂波多，衰减大

“形似”信号：当相邻晶粒晶界回波叠加，如晶界回

波足够长，几个分波幅的合成，形成一个假回波 解决办法：

用低频（0.5~2MHz）, 用纵波斜探头 ,用一次波探伤

( JB4730 ) 用 2.5MHz ,高阻尼，窄脉冲，45°纵波斜探头，或者纵波聚焦斜探头或双晶纵波斜探头。

（3）探伤仪选择：常用模拟机或数字机，裂纹测高须用数字机 （4）探伤方向和扫查面：根据缺陷种类和方向来选择

a.钢板垂直于压延方向≤100mm列线扫查，坡口边缘50mm或壁厚的一半，取大者100%扫查； b.焊缝根据不同厚度，δ≤46mm,单面双侧；

δ＞46mm双面4侧

横向缺陷，平行，斜平行扫查（100－200）

电渣焊八字裂纹45°扫查

c.轴类锻件径向检测，饼形锻件端面检测(大于400mm两个端面检测)为主要检测方向。

（5）频率选择：

a.选用高频：

①优点： λ小——检测灵敏度高，可检出小缺陷能力强

f高——脉冲窄，纵向分辨率高（脉冲宽度一般

为4λ）

θ小——指向性好

②缺点： 衰减大，f4——穿透能力差

N大——近场定量不利

b.选用低频：

最大优点是衰减小，穿透能力强，适用于检测粗晶材料，如大的锻件，不锈钢焊缝等

（6）晶片尺寸选择：

a.大晶片：

①指向性好，幅射声能大，远距离缺陷检出能力高

②扫查范围大，检测效率高

b.小晶片：

①检测小工件，定量，定位，精度高

②检测有曲率的工件，耦合效果好

（7）探伤面：过于粗糙表面不仅耦合不良，严重时会造成声束分叉，

影响缺陷的定位。一般标准控制为粗糙度6.3μm

（8）耦合剂和耦合方法：

a.作用：

①传递声波

②直接接触法时，减少探头与工件间的摩擦力作用

b.影响耦合效果的因素：

①耦合层厚度T：当T≤（越薄越好）；T=n 效果

42好

当T=

42n1效果差

②工件表面光洁度高，效果好 ③耦合剂声阻抗大，效果好 c.耦合方法：

①粗糙面或竖面用粘度大的耦合剂（如水玻璃、凡士林、化

学浆糊等）

平面：一般用机油、甘油、水、化学浆糊等 ②直接接触法要加1~2Kg力

W2③曲面耦合：当R£4应用和检测面曲率相近的试块

纵缝为±10%（0.9~1.1）R工件

环缝为（0.9~1.5）R

工件

或用弧形导块

（9）探伤灵敏度：

a.不同检测对象有不同的灵敏度（见9.3.1(2)） b.灵敏度的补偿

①表面粗糙度的补偿（实测）（对同样尺寸的反射体进行测

量）

②材质衰减（α）的补偿（实测）：

B120lg6B2当x3N时,单

2TBm20lg6Bn当x3N时（用薄板）， 单2mnT

（m=2n n>3N/T 不考虑反射损失）

③曲率补偿：用曲面试块（实测）：

当X≥3N时可用大平底调灵敏度，只须考虑材质衰减引起的补偿

（10）粗探伤和精探伤：

粗探伤是一种快速检测工件中是否有缺陷，采用的灵敏度又叫

扫查灵敏度（不得低于基准灵敏度）

如检测焊缝纵向缺陷时，用评定线灵敏度沿焊缝长度方面作距

齿扫查。发现有疑问时，再进行精探伤，即用定量线灵敏度对疑问点进行前后（测深）、左右（测长），转角，环绕（测方向）扫查，确定缺陷的位置和尺寸、方向等。 往往粗扫查比基准灵敏度高6db （10）缺陷大小测定：

a.小于声束宽度W的缺陷 ①X＜3N,用当量试块比较法； ②X≥3N,用当量公式计算法； ③用AVG曲线法 b．大于声速截面W的缺陷

①相对灵敏度法；最大波高6dB法；端点6dB法

JB4730

②绝对灵敏度法：用评定线灵敏度 JB4730, GB11345 ③端点峰值法：GB11345、 ④几种测长方法的比较：通常

绝对灵敏度法测长端点6dB法

端点峰值法

最

大波高6dB法测长

各种探头移动法测得缺陷指示长度比较 半波高度缺陷测长法

（10）超声检测的优缺的和局限性 ①优点：

a.适用范围广，可用于各种工件。

b.适宜检测厚度较大的工件, 厚度方向上的定位较准确。 c.面积型缺陷捡出率较高。

d.检测成本低，速度快，仪器体积小，重量轻，现场使用方便。 ②缺点和局限性

a. 不适宜检测薄的工件，体积型缺陷捡出率低。 b.无法得到缺陷的直观图像，定性困难，定位精度不高。 c.检测结果无直接见证记录。

d.工件不规则外形和结构会影响检测，材质晶粒度对探伤有影响，表面不平和粗糙会影响扫除和耦合，从而影响检测精度和可靠性。