超声波检测的原理和应用

　　超声波检测是指超声波与被检测工件相互作用，研究超声波与工件作用后的反射、投射和散射波，以达到对被检测工件宏观缺陷、几何特性及力学变化等方面的检测，并对工件应用性进行评价的一门技术。超声检测是目前常用的无损检测技术，是控制工件质量、设备维护、改进生产工艺及提高工作效率的重要手段，已在工业生产中被广泛运用。

一、发展过程

　　1929年，前苏联科学家提出利用超声波检查金属内部缺陷的建议，并进行了超声波穿透法的实验研究并申请了材料缺陷检测的专利。

　　1940年，美国提出了基于脉冲发射法的超声波检测仪。

　　1946年，英国科学家研制出第一台A型脉冲反射式超声波探伤仪。

　　20世纪中期，随着电子技术的发展，超声波检测技术也随着得到迅猛发展，使用超声波对焊缝等缺陷进行检测。

　　不久后，英国原子能管理局提出了运用衍射时差法进行超声检测，利用衍射现象对被检测工件内部缺陷尺寸进行确定。

　　20世纪80年代，随着数字式超声仪器的出现，模拟式超声检测仪逐渐被取代。

　　最近，超声检测技术发展非常迅速，出现了超声三维成像，电磁超声检测及导波技术等新型的超声检测技术，使得超声检测技术在工业生产中的应用效率得到了大大提升。

二、超声检测基本原理

　　超声波是一种机械振动在介质中传播的弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。

　　超声检测主要是基于超声波在被检测工件中的传播特性，对反射、投射和散射波进行分析，从而确定被检测工件的特性。超声波在介质中传播的性能(波速、衰减、吸收)与介质中(被检测工件)的非声量(如浓度、密度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、厚度、缺陷等)有密切的联系。

　　其工作原理可分为：由超声波检测仪的声源产生超声波，通过一定的方式进入被检测工件内部。超声波在被检测工件中的传播特性与被检测工件材料以及其中的缺陷密切相关。之后，通过超声波接收设备接收通过被检测工件的超声波，并对其进行处理分析。根据所接收的超声波特征，评估被检测工件内部缺陷的特性。

三、超声检测的物理基础

　　振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在20～20000Hz之间，能为人耳所闻的机械波称为声波;低于20Hz的机械波称为次声波;高于20000Hz的机械波，称为超声波，见图1。

　　当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。

　　1、波的反射和折射

　　由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α'的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同时，波速相等，入射角α即等于反射角α'，见图2。

　　当波在界面外产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即:

　　sinα/sinβ=c1/c2

　　2、超声波的波型及其转换

　　当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波型也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播;质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，它只在固体的表面传播。

　　当声波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射，见图3。在一定条件下，还能产生表面波。各种波型均符合几何光学中的反射定律：

　　cL/sinα=cL1/sinα1=cS1/sinα2=cL2/sinγ=cS2/sinβ

　　式中，α为入射角;α1、α2为纵波与横波的反射角;γ、β为纵波与横波的折射角;cL、cL1、cL2为入射介质、反射介质与折射介质内的纵波速度;cS1、cS2为反射介质与折射介质内的横波速度。

　　如果介质为液体或气体，则仅有纵波。

　　3、声波的衰减

　　声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律如下：

　　p=p0e-ax

　　I=I0e-2ax

　　式中，p0、I0为距声源x=0处的声压和声强;e为自然对数的底;α为衰减系数，Np/cm(奈培/厘米)。

四、超声检测的设备和器材

　　超声检测设备与器材包括超声检测仪、超声换能器、耦合剂、试块等组成。

　　超声检测仪是超声检测的主要设备，通过超声检测仪产生的电振荡作用于换能器上，同时也可以接收通过换能器所接收的信号。根据信号处理技术，超声检测仪分为模拟式和数字式。近年来，由于电子信息技术的发展，数字式超声检测仪正在逐渐取代模拟式超声检测仪。

　　超声换能器又称探头，是超声检测设备中关键的器件。探头是将其它形式能转换成超声的器件，探头的性能直接关系到超声检测能力。目前，常用的换能器有：压电换能器、电磁换能器、激光及换能器磁致伸缩换能器，其中压电换能器为目前最普遍应用的换能器。也可以根据波型种类，将换能器分为：纵波换能器、横波换能器、板波换能器及表面波换能器。

　　耦合剂为了改善探头与被检测工件间超声波的传递，因为空气对超声波的反射率较高，使得超声检测仪发出的超声波无法进入被检测工件内部。因此，选择耦合剂排除探头与被检测工件间的空气间隙，使得超声波进入被检测工件内部。目前常用的耦合剂有：甘油、机油、水及化学浆糊等，其中化学浆糊是用于最为广泛的耦合剂。

　　试块是为了保证超声检测结果的正确性，所使用的已知固定特性的试件对检测系统进行校准。试块分为标准试块、对比试块及模拟试块三类。标准试块又可以分为：荷兰试块、牛角试块及CSK-IA试块。

五、超声检测应用领域

　　目前，在工业生产的各行各业都用到超声波检测技术，超声波检测技术的应用使得工业生产中的质量得到了大大的提高，提高了工作效率。

　　超声波在工业生产中的应用简单介绍：

　　1、金属材料检测。如钢板、高压管道、焊缝、管道、压力容器、堆焊层及车辆零部件等工件的检测，以控制工件的质量。

　　2、新材料的检测。如有机基复合材料、陶瓷材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等，超声检测已成为复合材料质量检测的重要手段。

　　3、非金属的检测。如混凝土、岩石和路面等质量检测，对其内部缺陷、强度、内应力等方面进行质量把控。

　　4、高温超声检测、动态超声检测等方面都有很大进展。

　　5、核电工业的超声检测。我国已能完成核电厂和核设施的全程检查，使得核电工业发展更为安全可靠。

　　6、医学诊断，应用超声波对胎儿身体健康状况进行判定。

　　7、人们正试图将超声检测技术用于开辟其它新领域，如将超声检测技术用于液压控制系统进行系统作非接触检测、性能分析和故障诊断等。

六、展望

　　目前，超声检测正向高精度、高分辨率发展，并且超声检测在高温、动态检测等方面也迫切需要。随着科技的发展：无损检测逐步向定量化、图像化方向发展，超声检测系统将进一步数字化、自动化、智能化、图像化。超声波探伤正沿着携小型化、智能化、数字彩色等方向发展。超声无损检测技术伴随材料与工业技术的发展而发展，并随着人们对产品质量与安全性的不断重视而得到进一步提高。