1、第一章 超声波探伤物理基础1.1 第一节：超声波的一般概念一、超声波的定义及基本物理量超声波的定义：超声波(Ultrasound)是指频率超过2万赫兹(Hertz,Hz)即超过人耳听阈高限的声波,属于机械波。（一）超声波有三个基本物理量，即频率（f） ，波长（） ，声速（ c） 。频率（Frequency）就是在每秒钟内，介质所振动的次数，以 f 表示，单位为赫（Hz） ；声速（Speed of sound） 指声波在传播介质中的传播速度，用 c 表示；波长（Wavelength 为完成一次完全振动的时间内所传播的距离，以 表示。三者的关系是：c=f 或 =c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质
2、。（二）相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同。（三）声阻抗（Acoustic impedance） 是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度 与声波在该介质中的传播速度C 的乘积所决定，即： Z=C ，单位为 Kgm2s。二、超声波的物理性能（一）超声波在介质中传播时，遇到不同声阻抗的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射（Reflection） 。人体软组织声阻抗差异很小，只要有1的声阻抗差，便可产生反射。由于人体软组织的声阻抗比空气的声阻抗大得多，超声波在该交界处几乎全部被反射，故超声的进行检查需用耦合剂，同样原因，超声一般不适合于检查肺、骨等与周围软
3、组织声阻抗差别极大的脏器。超声诊断仪就是利用人体组织对超声波的反射作用，从声反射波中提取医学诊断信息的。（二）当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变即产生折射（Refraction） 。声波从一种小声速介质向大声速介质入射时，声波经过这两种介质的界面后出现折射波的折射角大于入射角。当入射角超过临界角（90 ）时，相应的折射波消失，出现全反射。我们在进行超声检查时，需要尽可能地将声束垂直于界面，避免入射角过大，否则将会引起反射体的实际位置与显示位置发生错位，甚至出现全反射，从而导致超声无法检查该界面以下的组织器官。（三）当障碍物的直径等于或小于 2，超声波将绕过该
4、障碍物而继续前进，这种现象称为绕射（Diffraction） ，故超声波波长越短（即频率越高） ，能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力较差。（四）超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物（或一组小障碍物形式）时，将有一部分能量被散射（Scattering）（五）超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现象称为声波衰减（Acoustic attenuation） 。声波衰减与介质对声波的吸收(Acoustic absorption)、散射以及声束扩散等原因有关，其中吸收是衰减的主要因素。（六）多普勒效应（Doppler effe
5、ct） 为声源与接收器之间的相对运动而导致声波频率发生改变的现象。当声源与接收器作相向运动时，接收器所接收到的声波频率高于声源所发出的频率，如两者的运动方向相反时，则接收频率低于声源所发出的频率，两者的频率差为频移（Frequency shift） 。超声多普勒仪器的超声源和接收器均安装在探头（换能器）中，探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。因此接收换能器所收到的超声回波的频率经过了两次多普勒效应过程，所以收发超声频率之差与血流相对于换能器运动速度的两倍成正比什么是无损探伤/无损检测？答：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
6、部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。无损检测：Nondestructive Testing（缩写 NDT）2、常用的探伤方法有哪些？答：无损检测方法很多据美国国家宇航局调研分析，认为可分为六大类约70余种。但在实际应用中比较常见的有以下几种：常规无损检测方法有：超声检测 Ultrasonic Testing（缩写 UT） ；射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT） ；磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写 MT） ；渗透检验 Penetrant Testing （缩写 PT） ；涡流检测 Eddy current Testing（缩写
7、 ET） ；非常规无损检测技术有： 声发射 Acoustic Emission(缩写 AE)；泄漏检测 Leak Testing（缩写 UT） ；光全息照相 Optical Holography；红外热成象 Infrared Thermography；微波检测 Microwave Testing3、超声波探伤的基本原理是什么？答：超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在萤光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。4、超声
8、波探伤与 X 射线探伤相比较有何优的缺点？答：超声波探伤比 X 射线探伤具有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高，对人体无害等优点；缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性；超声波探 伤适合于厚度较大的零件检验。5、超声波探伤的主要特性有哪些？答：（1）超声波在介质中传播时，在不同质界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，则超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可将反射波显示出来；如缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过射线而不能反射；（2）波声的方向性好，频率越高，方向性越好，以很窄的波束向介质中辐射，易于确定缺陷的位
9、置。（3）超声波的传播能量大，如频率为1MHZ（100赫兹）的超生波所传播的能量，相当于振幅相同而频率为1000HZ（赫兹）的声波的100万倍。6、超生波探伤板厚14毫米时，距离波幅曲线上三条主要曲线的关系怎样？答：测长线 1 6 12dB定量线 1 6 6dB判度线 1 6 2dB7、用超生波探伤时，底波消失可能是什么原因造成的？答：（1）近表表大缺陷；（2）吸收性缺陷；（3）倾斜大缺陷；（4）氧化皮与钢板结合不好。8、简述超生波探伤中，超生波在介质中传播时引起衰减的原因是什么？答：（1）超声波的扩散传播距离增加，波束截面愈来愈大，单位面积上的能量减少。（2）材质衰减一是介质粘滞性引起的吸收
10、；二是介质界面杂乱反射引起的散射。9、CSKA 试块的主要作用是什么？答：（1）校验灵敏度；（2）校准扫描线性。10、用超生波对饼形大锻件探伤，如果用底波调节探伤起始灵敏度对工作底面有何要求？答：（1）底面必须平行于探伤面；（2）底面必须平整并且有一定的光洁度。11超声波探伤选择探头 K 值有哪三条原则？答：（1）声束扫查到整个焊缝截面；（2）声束尽量垂直于主要缺陷；（3）有足够的灵敏度。12、超声波探伤仪主要有哪几部分组成？答：主要有电路同步电路、发电路、接收电路、水平扫描电路、显示器和电源等部份组成。13、发射电路的主要作用是什么？答：由同步电路输入的同步脉冲信号，触发发射电路工作，产生高
11、频电脉冲信号激励晶片，产生高频振动，并在介质内产生超声波。14、超声波探伤中，晶片表面和被探工件表面之间使用耦合剂的原因是什么？答：晶片表面和被检工件表面之间的空气间隙，会使超声波完全反射，造成探伤结果不准确和无法探伤。15JB115073标准中规定的判别缺陷的三种情况是什么？答：（1）无底波只有缺陷的多次反射波。（2）无底波只有多个紊乱的缺陷波。（3）缺陷波和底波同时存在。16JB115073标准中规定的距离波幅曲线的用途是什么？答：距离波幅曲线主要用于判定缺陷大小，给验收标准提供依据它是由判废线、定量线、测长线三条曲线组成；判废线判定缺陷的最大允许当量；定量线判定缺陷的大小、长度的控制线；
12、测长线探伤起始灵敏度控制线。17什么是超声场？答：充满超声场能量的空间叫超声场。18反映超声场特征的主要参数是什么？答：反映超声场特征的重要物理量有声强、声压声阻抗、声束扩散角、近场和远场区。19探伤仪最重要的性能指标是什么？答：分辨力、动态范围、水平线性、垂直线性、灵敏度、信噪比。20超声波探伤仪近显示方式可分几种？答：（1）A 型显示示波屏横座标代表超声波传递播时间（或距离）纵座标代表反射回波的高度；（2）B 型显示示波屏横座标代表超声波传递播时间（或距离） ，这类显示得到的是探头扫查深度方向的断面图；（3）C 型显示仪器示波屏代表被检工件的投影面，这种显示能绘出缺陷的水平投影位置，但不能
13、给出缺陷的埋藏深度。21超声波探头的主要作用是什么？答：1、探头是一个电声换能器，并能将返回来的声波转换成电脉冲；2、控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探 头入射 角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率；3、实现波型转换；4、控制工作频率；适用于不同的工作条件。22为什么要加强超波探伤合录和报告工作？答：任何工件经过超声波探伤后，都必须出据检验报告以作为该工作质量好坏的凭证，一份正确的探伤报告，除建立可靠的探测方法和结果外，很大程度上取决于原始记录和最后出据的探伤报告是非常重要的，如果我们检查了工件不作记录也不出报告，那么探
14、伤检查就毫无意义。23无损检测有哪些应用应用时机：设计阶段；制造过程；成品检验；在役检查。应用对象：各类材料（金属、非金属等） ；各种工件（焊接件、锻件、铸件等） ；各种工程（道路建设、水坝建设、桥梁建设、机场建设等） 。24超声波焊缝探伤时为缺陷定位仪器时间扫描线的调整有哪几种方法？答：有水平定位仪、垂直定位、声程定位三种方法25在超声波探伤中把焊缝中的缺陷分几类？怎样进行分类？答：在焊缝超声波探伤中一般把焊缝中的缺陷 分成三类：点状缺陷、线状缺陷、面状缺陷。在分类中把长度小于10mm 的缺陷叫做点状缺陷；一般不测长，小于10mm 的缺陷按5mm 计。把长度大于10mm 的缺陷叫线状缺陷。把
15、长度大于10mm 高度大于3mm 的缺陷叫面状缺陷。26超声波试块的作用是什么？答：超声波试块的作用是校验仪器和探头的性能，确定探伤起始灵敏度，校准扫描线性。27什么是斜探头折射角 的正确值？答：斜探头折射角的正确值称为 K 值，它等于斜探头 射点至反射点的水平距离和相应深度的比值。28当局部无损探伤检查的焊缝中发现有不允许的缺陷时如何办？答：应在缺陷的延长方向或可疑部位作补充射线探伤。补充检查后对焊缝质量仍然有怀疑对该焊缝应全部探伤。29超声波探伤仪中同步信号发生器的主要作用是什么？它主要控制哪二部分电路工作？答：同步电路产生同步脉冲信号，用以触发仪器各部分电路同时协调工作，它主要控制同步发
16、射和同步扫描二部分电路。30无损检测的目地？答：1、改进制造工艺；2、降低制造成本；3、提高产品的可能性；4、保证设备的安全运行。31.超探仪的作用及主要应用行业超探仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（焊缝、裂纹、夹杂、折叠、气孔、砂眼等）的检测、定位、评估和诊断。既可以用于实验室，也可以用于工程现场。本仪器能够广泛地应用在制造业、钢铁冶金业、金属加工业、化工业等需要缺陷检测和质量控制的领域，也广泛应用于航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。它是无损检测行业的必备仪器.编号 应用行业1 电力2 锅炉与压力容器3 机械4
17、钢铁工业5 钢结构6 石油7 化工8 铁路9 航天航空10 船舶11 管道12 高校13 永磁14 科研院所15 军工16 陶瓷32.有关超声波探伤的国家标准和行业标准超声波探伤国家标准和行业标准有：1、QB/T 12604.1 90 无损检测术语 超声检测2、JB/T 10061-1999 A 型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件3、JJG 746-91 超声探伤仪 中华人民共和国国家计量检定规程33.斜探头 K 值与角度的对应关系NO. K 值 对应角度1 K1 对应45度2 K1.5 对应56.3度3 K2 对应63.4度4 K2.5 对应68.2度5 K3 对应71.6度34.焊缝探伤超
18、声波探头的选择方案参考 编号 被测工件厚度 选择探头和斜率 选择探头和斜率1 45mm 66 K32 68mm 88 K33 910mm 99 K34 1112mm 99 K2.55 1316 mm 99 K26 1725 mm 1313 K27 2630 mm 1313 K2.58 3146 mm 1313 K1.59 47120 mm 1313( K2K1)10 121400 mm 1818 ( K2K1)2020 ( K2K1)不锈钢：1.25MHz铸铁：0.5 2.5 MHz普通钢：5MHz注:以上方案仅作参考,各企业可视具体情况稍作改动.35.探头型号表注：下表所列探头型号仅供探伤时
19、参考产品名称 频率（MHZ） 晶片面积（mm2） 说明直探头（硬保护膜） 0.510 8 10 14 20 2430 直探头（软保护膜） 0.55 10 14 20 24 双晶片直探头 2.55 10122142202 F5 F10 F15 F20 F30斜探头 1599 88 1012 141215 1416 131320斜探头 15 181830o40o50oK1 K1.5 K2 K2.5 K3双晶片斜探头 2.5 5 882 10122K1 K2 K3F10 F20 F30表面波探头 2.5 5 99 1012 1313 HB-50回波探头 小角管探头 2.5 5 14 20 小角管探头
20、 5 66 57 K1 K2 K2.5 K3小角管探头 5 双晶曲面片 板波探头 15 2020? 3030 入射角由用户定爬波探头 15 薄波探头 5 可检测5MM 以下薄板可变角探头 2.5 5 1010 角度可变范围0o90o液浸式探头 15 10 12 14 20 充水探头 15 14 20 双晶充水探头 15 14 20 交距由用户定液浸聚焦探头 15 14 20 点聚焦线聚焦接触式聚焦直探头 2.5? 5 14 20 焦距1060接触式聚焦斜探头 2.5? 5 14 20 焦距1060常规测厚探头 15 小径管测厚探头 15 8 中温测厚探头 15 上限300高温测厚探头 15 上限500深水探头 15 用于水下超声探伤
