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超声波检测技术及应用
刘赣
（青岛滨海学院，山东省青岛市经济开发区266000）
摘 要：无损检测(nondestructive test)简称 NDT。无损检测就是不破坏和不损伤受检物体，对它的性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。本文主要讲的是超声波检测（UT）的工作原理以及在现在工业中的应用和发展。
关键词：超声波检测；纵波；工业应用；无损检测
1. 超声波检测介绍
1.1超声波的发展史
声学作为物理学的一个分支, 是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。在1940 年以前只有单晶压电材料, 使得超声波未能得到广泛应用。20 世纪70 年代, 人们又研制出了PLZT 透明压电陶瓷, 压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。声波的全部频率为10- 4Hz～1014Hz, 通常把频率为2×104Hz～2×109Hz 的声波称为超声波。超声波作为声波的一部分, 遵循声波传播的基本定律,
1.2超声波的性质
1） 超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击（基于“空化现象”）。从而引出了“功率超声应用技术“例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。
2） 超声波具有良好的指向性
3） 超声波只能在弹性介质中传播，不能再真空中传播。一般检测中通常把空气介质作为真空处理，所以认为超声波也不能通过空气进行传播。
4） 超声波可以在异质界面透射、反射、折射和波型转化。
5） 超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性。
6） 利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。
1.2超声波的产生与接收
超声波的产生和接收是利用超声波探头中压电晶体片的压电效应来说实现的。由超声波探伤仪产生的电振荡，以高频电压形式加载于探头中压电晶体片的两面电极上时，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。弱压电晶体片与焊件表面有良好的耦合时，机械振动就以超声波形式传播进入被检工件，这就是超声波的产生。反之，当压电晶体片收到超声波作用而发生伸缩变形时，正压电效应的结果会使压电晶体片两面产生不同极性的电荷，形成超声频率的高频电压，以回波电信号的形势经探伤仪显示，这就是超声波的接收。
1.3超声波无损检测的原理
超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。
目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。
1.4超声波无损检测的优缺点
优点：
1） 探伤速度快，效率高
2） 设备简单轻巧，机动性强，野外及高空作业方便，实用
3） 探测结果不受焊接接头形式的影响，除对焊接缝外，还能检查T形接头及所有角焊缝。
4） 对焊缝内危险性缺陷（包括裂缝、未焊透、未熔合）检测灵敏度高
5） 易耗品极少，检查成本低
缺点：
1） 若工件表面粗糙，需磨平，人工多
2） 探测结果判定困难，操作人员需经专门培训并经考核几个
3） 缺陷定型及定量困难
4） 探测结果的正确评定收人为思想束缚的影响较大
5） 探测结果不能直接记录存档
6） 对于形状复杂、表面粗糙、内部存在粗晶组织与奥氏体焊缝，探伤困难
2. 超声波检测的应用
2.1陶瓷的无损检测
2.1.1陶瓷气孔率的检测
陶瓷的强度、弹性模量、密度等直接和气孔率有关, 有些构件的气孔率决定了它能否使用。陶瓷中超声波的传递速度和气孔率（或密度） 之间也存在某种关系, 可以通过实测得到, 再利用式（1）、式（2） 求出陶瓷的气孔率:
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（1）
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（2）
式中:
——陶瓷的气孔率为零时的理论声速;
——陶瓷的气孔率;
——陶瓷的弹性模量;
——陶瓷的密度。
将气孔简化为随机取向的椭球, 均匀分布在各向同性的基体中, 用复合微观力学模型计算声速并和实测值进行比较, 由式（1）计算得到气孔率。
当陶瓷材料的理论密度已知时, 气孔率可由体密度计算而来。体密度的测量方法很多, 常用的有阿基米德法。陶瓷的内部缺陷也可以采用水浸探伤法来检测, 以水浸纵波垂直探伤法检测缺陷时, 波束路程可以直接读出。要检出微小缺陷时, 可以改用较低频率的探头。
2.1.2陶瓷表面缺陷检测

对于陶瓷而言, 同一形状和尺寸的表面缺陷比内部缺陷更容易引起破坏, 因此表面缺陷的检测特别重要。通常用水浸表面波法检测陶瓷的表面缺陷, 其原理见图1。将超声波( 纵波) 倾斜入射到浸入水中的被检物表面, 当入射角大于第二临界角时, 折射声波全部沿着工件表面传播, 形成表面波, 表示为:
⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（3）
式中:
——水中的纵波声速;
——工件水浸表面波声速。

图1　水浸表面波法原理
表面波波长比横波波长短, 衰减也大于横波。同时, 它仅沿表面传播, 遇到尖锐转角或棱角时将有强烈反射回波, 曲率越大反射越强。水浸表面波在试块表面传播时, 能量可泄漏到水中, 故仅仅传播数毫米后, 水浸表面波的反射波高度就显著降低。鉴于反射波传递距离较小的振幅特性, 应尽可能使探头靠近缺陷处。
2.2钻孔灌注桩的无损检测
2.2.1检测原理
采用超声脉冲检测混凝土缺陷的基本依据是，利用脉冲波在技术条件相同 （指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致） 的混凝土中传播的时间 （或速度）、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化来判定混凝土的缺陷。
超声脉冲波在混凝土中传播速度的快慢，与混凝土的密实度有直接关系，对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说，声速高则混凝土密实，相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时，便破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波只能绕过空洞或裂缝传播到接收换能器，因此传播的路程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。另外，由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在混凝土中传播时，遇到蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小或频率谱中高频成分明显减少。再者经过缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。
根据上述原理，可以利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合分析，判别其缺陷的位置和范围，或估算缺陷的尺寸。
2.2.2适用范围
基桩超声波检测法是一种检测混凝土灌注桩完整性的有效手段，它是利用声波的透射原理对桩身混凝土介质状况进行检测，因此仅适用于在灌注成型过程中已经埋了两根或两根以上声测管的基桩。
在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，可以测出被测混凝土介质的声学参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会产生绕射、反射和折射，因而到达接收换能器的声时、波幅及主频发生改变。超声波法就是利用这些声波特征参数来判别桩身的完整性。
对跨孔透射法，当桩径较小时，声测管间距也较小，其测试误差相对较大，同时预埋声测管可能引起附加的灌注桩施工质量问题。因此，超声波检测方法适用于检测直径不小于 800mm 的混凝土灌注桩的完整性。
3. 超声波检测的发展前景
无损检测与评价技术在我国日常产品质量检验和大量在用工业和民用设备的检验中发挥了十分重要的作用。从统计结果看，我国拥有近17万无损检测人员和2000多家无损检测机构，2007年无损检测仪器的销售额达10亿元人民币左右，大专院校每年培养近千名无损检测专业的大专、本科和研究生。我国不仅对常规无损检测设备、器材和服务有着巨大的需求，而且对先进的无损检测仪器、技术和服务也有大量的需求。我国已成为一个无损检测仪器、技术和服务的巨大市场。我国的无损检测工作者已经在许多技术和领域进行了大量的研究、开发和成功的应用。