JI A N G S U U N I V E R S I T Y
超声波无损检测概述
学院名称：材料科学与工程 专业班级：金属1302 学生姓名：钱振
2016年 10 月
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超声波无损检测概述
钱振
3130702063，金属1302，材料科学与工程学院 摘要：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。超声波检测应用主要包括在工业上对各种材料的检测和在医疗上对人体的检测诊断，通过它人们可以探测出金属等工业材料中有没有气泡、伤痕、裂缝等缺陷，可以检测出人们身体的软组织、血流等是否正常。运用超声检测的方法来检测的仪器称之为超声波探伤仪。超声检测方法通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。超声无损检测是物体无损检测的一种重要方法，几乎应用到所有工业部门。本文回顾了超声无损检测技术的发展历史，阐述了超声无损检测技术应用现状，并展望超声无损检测技术未来发展趋势 。 关键词：超声波检测，无损检测，超声波检测的原理，应用
1.引言
超声检测是无损检测技术中研究和应用最活跃的方法之一。通过研究超声波在被检材料中传播时的变化情况来探测材料性能和结构变化。超声波用于无损检测主要具备以下优点[1]：
（1）检测范围广，能够进行金属、非金属和复合材料检测。
（2）波长短、方向性好、穿透能力强、缺陷定位准确、检测深度大。 （3）对人体和周围环境不构成危害。
（4）施加给工件的超声作用应力远低于弹性极限，对工件不会造成损害。
2.超声波无损检测的国内外研究情况和发展趋势
2.1 国外研究情况
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国外对于超声波检测技术的研究始于上世纪二三十年代。1929 年苏联科学家 Sokolov 利用连续超声波的穿透法研制成功了世界上第一台超声波检测装置。二战期间超声检测装置有了进一步发展，英国和美国分别于 1944 年和 1946 年成功制造出 A 型脉冲发射式超声波探伤仪。20 世纪 50 年代，A 型脉冲反式超声波探伤仪已被广泛用于发达国家的机械、钢铁制造以及造船等工业[2]。20 世纪 60 年代以后，随着电子技术和电子元器件的进步，超声波检测装置也有了较大的改进。1964 年德国 Krautkramer 公司研制成功的小型超声检测设备成为了 近代超声探伤技术的标志[3]。20 世纪 80 年代，计算机技术和大规模集成电路得到了快速发展，各公司开始了数字式超声检测装置的研制，特别是Krautkramer 公司生产的便携式数字化超声波探伤仪—USDI 型，代表着超声检测装置向数字化的发展趋势[4]。目前国外的许多知名公司（如美国的 METEC 公司、德国的 K—K 公司、西班牙的TECHATOM 公司等）生产的超声检测系统在信号采集、分析和成像处理方面处于世界领先水平[1]。 2.2 国内研究情况
20 世纪 50 年代，我国开始从国外引进模拟超声检测设备并应用于工业生产中。上世纪80 年代初，我国研制生产的超声波探伤设备在测量精度、放大器线性、动态范围等主要技术指标方面已有很大程度的提高[3]。80 年代末期，随大规模集成电路的发展，我国开始了数字化超声检测装置的研制。近年来，我国的数字化超声检测装置发展迅速，已有多家专业从事超声检测仪器研究、生产的机构和企业（如中科院武汉物理研究所、汕头超声研究所、南通精密仪器有限公司、鞍山美斯检测技术有限公司等）[1]。目前，国内的超声超声检测装置正在向数字化、智能化的方向发展并且取得了一定的成绩。另外，国内许多领域（如航空航天、石油化工、核电站、铁道部等）的大型企业通过引进国外先进的成套设备和检测技术（如相控阵超声检测设备与技术和 TOFD 检测设备与技术），既完善了国内的超声检测设备，又促进了超声无损检测技术的发展[5]。 2.3 超声波无损检测技术发展趋势
超声检测技术的应用依赖于具体检测工件的检测工艺和方法，同时，超声检测还存在检测的可靠性，缺陷的定量、定性、定位以及缺陷检出概率、漏检率、
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检测结果重复率等问题，这些对超声检测仪器的研制提出了更高要求。
为克服传统接触式超声检测的不足，人们开始探索非接触式超声检测技术，提出了激光超声、电磁超声、空气耦合超声等。为提高检测效率，发展了相控阵超声检测。随着机械扫描超声成像技术的成熟，超声成像检测也得到飞速发展。目前，超声检测仪器已明显向检测自动化、超声信号处理数字化、诊断智能化、多种成像技术的方向发展[5-7]。
3.超声波检测的基本原理
3.1超声波无损检测基本介绍
超声检测（UT）是超声波在均匀连续弹性介质中传播时，将产生极少能量损失；但当材料中存在着晶界、缺陷等不连续阻隔时，将产生反射、折射、散射、绕射和衰减等现象，从而损失比较多的能量，使我们由接收换能器上接收的超声波信号的声时、振幅、波形或频率发生了相应的变化，测定这些变化就可以判定建筑材料的某些方面的性质和结构内部构造的情况达到测试的目的[10]。当超声遇到缺陷面时，反射回波幅度会异常增大，根据反射幅度、延迟和相位等就可以判断缺陷的位置、面积和形状[13-15]。如图1所示 产生用于检测的超声信号 与介质（包括介质中缺陷）相互作用 超声信号的接收、处理和显示 检出介质特性和缺陷 发射 传播 接受 判别
图 1超声检测过程的基本原理
按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲反射法超声检测； 按显示缺陷方式不同分为： A型、B型、C型、3D型超声检测； 按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测； 3.2超声波的产生（发射）与接收
（1）超声波的物理本质：它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。 即超声频率的机械波。一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。超声检测常用频率在 0.5～10 MHZ。
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（2）超声波的产生机理——利用了压电材料的压电效应。
压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。 (3)超声波的发射与接收
①发射——在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的机械振动——产生超声波；若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件——这就是超声波的发射。
②接收——若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信 号。将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接收。可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥重要的作用。
下面简单介绍三种较常用的检测方法。
脉冲反射法
工作原理：脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上发生反射的原理进行检测。采用同一换能器兼作发射和接收，接收信号显示在荧光屏上。基本原理和波形如图2所示。
当工件中无缺陷时，接收波形如图2-a)所示，荧光屏上只有始波T和底波B；当有小于声束截面的缺陷时，有缺陷波F出现，F波在时基轴上的位置取决于缺陷声程Lf，可由此确定缺陷在试件中的位置。缺陷回波的高度，取决于缺陷的反射面积和方向角的大小，借此可评价缺陷的当量大小。由于缺陷使部分声能反射，从而使底波高度下降，如图2-b)所示；当有大于声束截面的大缺陷时，全部声能将被缺陷反射，届时将仅有始波和大的缺陷波出现在荧光屏上。
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