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超声波基础知识的一般讲解
一、超声波探伤物理基础
1、超声波是一种机械波
机械振动：物体沿直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动称为机械振动。
机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波；如水波、声波、超声波等。

产生机械波的条件：（1）要有作机械振动的波源（2）要有能传播机械振动的弹性介质
2、波长、波速、频率
1）波长：同一波线上相邻两振动相位相同的质点之间的距离，符号λ
2）波速：波动在弹性介质中单位时间内所传播的距离，符号 C
3）频率：波动过程中，任一给定点在1秒内能通过的完整波的个数，符号f
三者的关系：C=λ·f
3、次声波、声波和超声波
1）次声波：频率低于20Hz的机械波
2）声波：频率在20～20000Hz的机械波
3）超声波：频率高于20 KHz的机械波
4、超声波的特性
1）方向性好，犹如手电简灯光在黑暗中寻找到所需物品
2）能量高
3）能在界面上产生反射折射和波型转换
4）超声波穿透能力强
5、超声波的类型
a、按质点的方向分类
1）纵波：介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波
2）横波：介质中质点的振动方向与波的传播方向垂直的波
3）表面波：当介质表面受到交变应力作用时产生沿介质表面传播的波
4）板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波
C、按波的形状分类
1）平面波：波阵面为互相平行的平面的波
2）柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波
3）球面波：波阵面为同心球面的波
6、声速
纵波：钢 5900 m/s 铝 6300 m/s 水 1500 m/s 有机玻璃 2700 m/s
空气 340 m/s
横波：只能在固体中传播
钢 3200 m/s 铝 3130 m/s 有机玻璃 1120 m/s
表面波：声速大约为横波的0.9倍，纵波的0.45倍
7、超声波垂直入射到平面上的反射和透射
当超声波垂直入射到足够大的光滑平面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波
设入射波声压为P0 ，反射声压为Pr , 透射声压为Pt ,
其声压反射率r=Pr/ P0=(z2-z1)/ (z2+z1)
其声压透射率t=Pt/ P0=2 z2/ (z2+z1)
8、超声波斜射到平面上的反射与折射
波型转换：当超声波倾斜入射到异质界面时，除了产生与入射波同类型的反射波和折射波外，还会产生与入射波不同类型的反射波和折射波，称为波型转换，波型转换只可能在固体中产生。

第一临界角：超声波纵波倾斜入射到异质界面上，若第二介质纵波波速CL2大于第一介质纵波波速CL1，即CL2〉CL1，则纵波折射角βL，即βL〉αL，随着αL增加，βL也增加。当αL增加到一定程度时βL=90°，这时所对应的纵波入射角称为第一临界角。
第二临界角：超声波纵波倾斜入射到异质界面上，若第二介质横波波速CS2大于第二介质纵波波速CL1，即CS2〉CL1，则横波折射角βS，即βS〉αL，随着αL增加，βL也增加。当αL增加到一定程度时βS=90°，这时所对应的纵波入射角称为第二临界角。
第三临界角：超声波纵波倾斜入射到异质界面上，若第二介质中的横波波速C，在第一介质中产生反射纵波和横波，由于在同一介质中纵波声速CL恒大于横波声速CS1，所以纵波折射角恒大于纵波折射角，即γL〉αS，随着αS的增加γL也增加，当αS增加到一定角度时，γL=90°，这时横波入射角称为第三临界角。
第一， 二临界角的物理意义：
①当αL﹤αI时，第二介质中既有折射纵波也有折射横波
②αL=αI～αⅡ时，第二介质中只有折射横波
③当αL〉αI时，第二介质中既无折射横波又无折射纵波
例：有机玻璃中，纵波声速CL1=2700 m/s，钢中纵波CL2=5900 m/s，CS2=3230 m/s。求此有机玻璃横波斜探头纵波入射角的范围？
解：SinαⅠ/CL1=Sin90°/ CL2 SinαⅠ= CL1×1/ CL2=2700/5900
SinαⅠ=27.6°
SinαⅡ/CL1=Sin90°/ CS2 SinαⅡ= CL1×1/ CS2=2700/3230
SinαⅡ=57.6°

第三临界角的物理意义
当αS≥αⅡ时第一介质中只存在反射横波，不存在反射纵波
9、超声波的衰减
主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减
a、 扩散衰减：由于波束的扩散引起的衰减随着传播距离的增加，波束截面越来越大，单位上的能量逐渐减小。
b、 散射衰减：声波传播过程中遇到声阻抗不同的异质界面，产生反射折射和波型转换
c、 吸收衰减：超生波在介质中传播时由于介质质点间的内摩擦和热传导引起的衰减
当工件厚度x≥3N时，并具有平行底面或圆柱曲底面时
x=【20㏒（F /β2）-6】/2λ xβ/mm （不考虑底面反射损失）
10、关于纵波发射声场（圆盘声源）
圆盘声源轴线上声压分布：
波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在着若干个极大极小值，距波源的距离越近声压极大极小值的点就越密。声学上把由于波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声波的近场区
近场区长度N=D2/4λ
（超声波是有探头的×电晶片（激波），发出的而这个波源可以看作是由许多发射声波的子波源组成这些子波波源作同相位，同振幅振动，各自发出球面子波，并相互叠加长生干涉使一些地方声强互相加强，另一些地方互相减弱
※ 超声场的近场长度与波长成反比，与波源面积成正比
超声波频率越高，波长越短超声场的近场长度就越长
由于近场区存在声压极大极小值，处于声压极大值处的较小缺陷可能回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷可能回波较低，因此超声波探伤总是尽量避免在近场区定量。
波束半径扩散角θ=arc sin1.22λ/D≈70λ/D
未扩散区与扩散区（未扩散区用b表示）
当x≤b=1.64N，波束可视为直径为D的圆柱体，波阵面近似于平面，波束并不扩散，因此，这一区域内声场可视为平面波声场平均声压基本不变，实际探伤中薄板或块状工件前几次底波高度相差无几就是这个原因。
X〉b区域内，波束开始扩散，称为扩散区这时主波束可视为底波直径为D的截头圆锥体，
当x〉3N时，波束按环面波规律开始扩散
11、规则反射体的回波声压（条件x≥3N）
a、平底孔的回波声压：
P￠= PxF￠/λx=POFF￠/λ2x2
P￠：平底孔回波声压
PO ：晶片起好声压
F ：晶片的面积
F￠：平底孔面积
￠：平底孔直径
λ：波长
x ：平底孔至波源的距离
b、长横孔的回波声压：
P￠= POF/λx·(￠/8x)1/2
C、球孔的回波声压：
P￠= POF/λx·d/4x
d：球孔直径
d、大平底回波
PB= POFD/2λx
应用举例：
用2.5MH￠14mm的直探头，探测厚度为350mm的锻件 ，探伤灵敏度为￠3（平底孔当量），问如何用STB –GV -2调节仪器的探伤灵敏度？
答：P￠2=PO/FDF￠2= PO·FDF￠2/λ2x2￠2
P￠3=PO/FDF￠3= PO·FDF￠3/λ2x2￠3
ΔdB=20㏒10（P￠3/ P￠2）=20㏒10【（F￠3/ F￠2）·x2￠2/ x2￠3】=40㏒10【（F￠3/ F￠2）·x￠2/ x￠3】
=40㏒103×150/2×350=-7.8dB
所以应提高7.8 dB

二、仪器、探头
1、超声波探伤仪概述
①作用：超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，作用是产生振荡并加于换能器——探头，激励探头发射超声波同时将探头送回来的电信号进行放大通过一定方式显示出来从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息
2、仪器分类
①按超声波的连续性分类分为A、脉冲波探伤仪B、连续波探伤仪C、调频波探伤仪。
A、 脉冲波探伤仪：仪器通过探头向工件周期性的发射不连续且周期不变的超声波，根据超声波的传播时间及中 度判断工件中的缺陷位置和大小。这是目前应用最广泛的探伤仪
B、 连续波探伤仪：仪器通过探头向工件中发射连续且频率不变的超声波，根据透过工件的超声波强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。
C、 调频波探伤仪：仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波，根据发射波和反射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。
②按缺陷显示方式分类：A型显示探伤仪：是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代反射波的幅度。
B型显示探伤仪：是一种图形显示，探伤仪荧光屏的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫查轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表波的传播时间，因而可以直观的显示出被探工件横-纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。
C型显示探伤仪：也是一种图形显示，探伤仪荧光屏的横坐标与纵坐标都是靠机械扫描来代表探头在工件表面的位置，当探头在工件表面移动时荧光屏便显示出工件内部缺陷的平面图像。边 能显示其深度。
A型脉冲探伤仪几个主要组成部分：同步电路、扫描电路、发射电路、接受电路、显示电路和电源电路。
3探头的作用和原理
作用：将电能转换成超生能和将超生能转换成电能（产生超生波、接受超声波）
压电效应：某些晶体受到压力或拉力产生形变时，在晶体的界面上出现电荷的现象叫正压电效应。而在电场的作用下，晶体发生弹性形变的现象叫逆压电效应，正、逆压电效应统称为压电效应。逆压电效应产生超声波，正压电效应接受超声波。
压电晶体的主要性能参数
a、压电应变常数d33
压电应变常数表示单位电压产生的形变大小。若施加一定电压ua,使高度变化△tr，则：
d33=△ta/ua（米/伏）
它反映晶体的逆压电性能，它关系着晶片的发射灵敏度，d33大，晶体发射性能好，制作单发射超声波探头，应选用d33较大的压电晶片
b、压电电压常数g33
压电电压常数表示单位压力产生的相对形变电压的大小，若施加应力为p，晶体产生的电压为up，则g33=up/p（伏米/牛顿）
压电电压常数反映压电晶体的正压电特性，它关系着晶片的接受灵敏度，因此也称压电接受系数；g33大晶片接受性能好，接受到微弱的超声波信号就可以产生较高的电压，制作高接的超声波探头，应选用g33较大的压电晶片。
A型脉冲反射式超声波探伤仪的工作过程：
同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路受触发开始工作，产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板，使电子束发生水平偏转在荧光屏上产生一条水平扫描线。与此同时，发射电路受触发产生高频脉冲，加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波。超声波在工件中传播，遇到缺陷或底面发生发射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接受电路放大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的相应位置上，产生缺陷或底波。根据缺陷波的位置可以确定缺陷的埋藏深度，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷的当量大小
同步电路：又称触发电路，它每秒产生数十至千个脉冲，用来触发探伤仪其它电路（扫描电路、发射电路等），使之步调一致，有条不紊的工作。
扫描电路：又称时基电路，用来产生锯齿波电压，加在示波管水平偏转板上，使示波管荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动，产生一条水平扫描线（即时基线），（深度粗调、微调、扫描延迟，都是扫描电路的控制旋钮）
发射电路：利用闸流管或可控硅的开关，它产生几百伏至上千伏的电脉冲。电脉冲加于发射探头，激励压电晶片振动，使之发射超声波。
接受电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器组成，它将来自探头的电信号进行放大、检波，最后加至示波器的垂直偏转板上，并在荧光屏上显示。
C、机电耦合系数k
从能量观点出发，压电效应是一种电能和机械能相互转化的效应，机械能和电能之间耦合强弱用机电耦合系数k表示，其定义为：
k1=(从逆压电效应考虑)
k2=(从正压电效应考虑)
机电耦合系数关系着晶片的转化效率，k大转化效率高，晶片的发射灵敏度和接收灵敏度高，反之则低。
D、居里温度Tc
所有压电材料当温度达到一定值后，压电效应会自行消失，物理学上称该温度为材料的居里温度或居里点；压电体有上居里温度和下居里温度。如锆钛铅Tc上约为300°CTc下约为-80°C。
因此探测高温工件的探头，应采用上居里温度较高的压电晶片，而在寒冷地区应选用下居里温度低者。
机械品质因素θm
压电晶片谐振时贮存的机械能E贮与在一个振动周期内损耗的能量E损之比称为机械品质因素：
θm=〉1
机械品质因素θm反映了压电晶片谐振时由于内摩擦能消耗的机械能的大小，θm大机械能损耗小，灵敏度高，但脉冲宽度大，分辨率低，盲区大；θm小则反之。一般探头中压电晶片背面的吸收块的设置，就是为了降低探头的机械品质因素θm，从而提高探头的分辨率，减少盲区。
②探头的种类和结构
a、 种类：按波形分为：纵波探头、横波探头、板波探头和表面波探头。
按晶片数目分为：单晶探头、双晶探头和多晶探头
按入射束方向分为：直探头和斜探头
按频谱分类：宽频带探头和窄频带探头
b、 探头的结构：
常用的探头主要有：直探头、斜探头、表面波探头、双晶探头、水浸探头和聚焦探头
直探头：压电晶片是探头的核心元件，它的作用是发射和接收超声波。晶片由压电学晶片体按一定方式和一定方向切割而成或者由压电陶瓷经极化制成。晶片两面敷有作为电极的银层，目的是供给晶片的电压均匀，晶片上电极 火线引至电路，底面则接地线与电路的公共点相接以便形成回路。
保护膜：压电晶片（直探头）前面一般都加保护膜，作用是保护压电晶片和电极，防止磨损和破坏。
它还须耐磨性能好、强度高、材质声衰减小、透声性能好、厚度合适，一般分为软保护膜和硬保护膜，硬保护膜常用氧化铝（刚玉）、金属片等。软保护膜常用软性塑料制成。
阻尼块：也称吸收快，粘附在压电晶片背面，其作用是阻止晶片的惯性振动和吸收晶片背面辐射的声能，从而减小脉冲宽度和杂波信号干扰，阻尼块常用钨粉和环氧树脂按一定比例配制而成。
斜探头：
表面波探头：是斜探头的一个特例，当斜探头入射角等于第二临界角时，由波形转换得到沿被探材料表面传播的表面波，这种探头成为表面波探头。
双晶探头：又称联合双探头或分割式双探头，这种探头含两个压电晶片，装在同一个壳体内。一个晶片发射，一个晶片接收，两个晶片之间用隔声层隔开。防止发射声波直接串入接收晶片。晶片前带有机玻璃延迟块使声波延迟一段时间进入工件。由于使用了延迟块，所以大大减小了盲区，利于近表面探测。多数双晶探头的两个晶片都倾斜一定角度（3-18°）。若两个晶片同时发射超声波束，使其交叉覆盖区即为探伤区，声束中心线交点F处灵敏度最高。离开F点灵敏度降低很快。改变晶片倾角，可改变交点F处的位置和覆盖区的大小。倾角越大，交点F离探测面愈近，覆盖区越短粗，探测厚度越小；倾角愈小，交点F离探测面愈远，覆盖区越窄长，探测厚度越大。
三、超声波探伤方法和通用探伤技术
1、探伤方法概述
①按原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法和共振法
脉冲反射法：超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，根据反射波的情况来检测试块缺陷的方法。
按判断缺陷情况的回波性质，脉冲放射法还可分为：
a、缺陷回波法，根据示波屏上显示的缺陷探伤图形进行判断的探伤
b、底波回波高度法，依据底波回波高度变化判断试件缺陷情况的探伤方法。
c、底面多次回波法
穿透法：是依据脉冲波或连续波穿透试件的能量变化来判断缺陷情况的方法。
共振发：若声波在被检工件内传播，当试件的厚度为超声波的半波长或半波长的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，则引起共振，因而仪器可显示出共振频率点，用相邻的两个共振频率之差，由公式δ=算出试件厚度，当试件内存在缺陷时，将改变试件的共振频率特性，来判断缺陷情况的方法称为共振法。常用于测厚。
②按波形分为：纵波法、横波法、表面波法、板波法
表面波波长比横波还短，因此衰减也大于横波，同时它仅沿表面传播，对于表面上的复层、油污、不光洁等，声束反应敏感，并被大量衰减，利用此特点，可以通过手沾油在声束传播方向上进行触摸并观察缺陷回波高度的变化，对缺陷定位
③按探头数目分类：单探头法、双探法、多探头法
④按探头接触方式分类：直接接触法、液浸发
2、仪器与探头的选择
①探伤仪的选择
a、 对于定位要求高的情况，应选择水平线性误差小的仪器
b、 对于定量要求高的情况，应选择垂直线性好衰减精度高的仪器
c、 对于大型零件的探伤，应选择灵敏度 量高，信噪比高、功率大的仪器
d、 为了有效的发现近表面缺陷和区分相邻缺陷，应选择盲区小、分辨率好的仪器
e、 对于室外现场探伤，应选择重量轻，荧光屏亮度好，抗干扰能力强的携带式仪器
②探头的选择：
钢板中，锻件中的夹层、折叠等缺陷，应选用直探头探伤。
焊缝中的焊缝、夹渣、未熔金属缺陷，应选用斜探头探伤。
表面波探头用于探测工件表面缺陷。
双晶探头用于探测工件近表面缺陷
聚焦探头用于水浸探测管材或板材
频率选择：
频率高，灵敏度和分辨率高，指向性好，对探伤有利，但频率高，近场区度大，衰减大，又对探伤不利。实际探伤中，一般在保证探伤灵敏度的情况下尽看可能选择较低的频率。
对于晶粒较细的锻件、轧制件和焊接件，一般选用较高的频率，常用2.5-5MHz。对于晶粒粗大的铸件、奥氏体钢等宜选用较低的频率，常用0.5-2.5 MHz，如果频率过高，就会引起严重衰减，示波屏上出现林状回波，信噪比严重下降，甚至无法判断。
晶片直径的选择
晶片直径大小对探伤也有一定的影响，选择晶片尺寸时要考虑以下因素：
a、 由θ0=arcsin1.22 可知，晶片直径增加，半扩散较、波束指向性变好，超声波能量集中，对探伤有利。
b、 由N=可知，晶片尺寸增加，近场区长度迅速增加，对探伤不利。
c、 晶片尺寸大，辐射的超声波能量大，探头束扩散范围大，远距离扫查范围相对变小，发现远距离缺陷能力增强。
实际探伤中，探伤面积范围大的工件时，为了提高探伤效率，选用大晶片探头。探伤厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷，宜选用大晶片探头。
探伤小型工件时，为了提高缺陷定位定量精度宜选用小晶片探头。探伤表面不太平整，曲率较大的工件时，为了减少耦合损失，宜选用小晶片探头。
③耦合与补偿
耦合剂应满足以下要求：
a、 能湿润工件和探头表面、流动性、粘度和附着力适当，不难清理
b、 声阻抗高、透声性能好。
c、 来源广、价格便宜。
d、 对工件无腐蚀、对人体无害、不污染环境
e、 性能稳定、不易变质能长期保存
常用耦合剂有：机油、水、水玻璃、甘油（Zkg/m2.s:1.28、1.5、2.17、2.43）
影响耦合的主要因素
a、 耦合厚度的影响
b、 表面光洁度的影响
c、 耦合剂声阻抗影响
d、 工件表面状况影响

3、双晶探头探伤：
优点：据有盲区小、对近距离F探测灵敏度高、分辨率强、弥补了普通单直探头盲区大，分辨率低的缺点
探测范围：离心辊外层、铸钢工作辊工作层、冷辊工作层。
离心辊探测方法：
① 水平校准，将¢50试块的侧面的B1调至水平50%位置，B2调至水平100% 位置
② 将带¢5平底孔一次回波调至80%，将它作为探伤灵敏度
③ 发现缺陷，应予以详细记录，包括非超探缺陷
④ 执行XT08标准
铸钢辊、冷辊工作层探测方法：
① 探头：选用角度适宜的双晶探头，如探测深度较大，应选晶片角度较小的探头，反之，选用角度较大的探头
② 试块：采用纵波双晶直探头标准试块
③ 灵敏度及距离-波幅曲线：依据需要选择不同直径平底孔的试块，并依次测试 不同检测距离的平底孔（至少3个），调动衰减器，使其中回波最高的幅度达到８０％ｆ．ｓ，不改变仪器的参数，测出其他平底孔回波的最高点，将其标在荧光屏上，并连接这些点，即是对应不同直径平底孔的纵波双晶直探头的距离－波幅曲线，并以此作为检验灵敏度。
④ 发现缺陷，予以详细记录。

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