淺談超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

1、超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展摘要：超聲波檢測(cè)技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的一種非常重要的方法。本文簡(jiǎn)單介紹了超聲檢測(cè)的方法、基本原理及其應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)非接觸超聲檢測(cè)方法進(jìn)行了比較， 對(duì)當(dāng)前非線性超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，展望了今后的發(fā)展趨勢(shì)與前 景。引言：利用超聲波進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)始于 20世紀(jì)30年代。1929年前蘇聯(lián)Sokolov 用超聲波探查金屬物體內(nèi)部缺陷。到了 20世紀(jì)40年代美國(guó)的Firestone推出了 脈沖回波式超聲檢測(cè)儀1。發(fā)展到60年代，超聲檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為有效面可 靠的無(wú)損檢測(cè)手段，并在工業(yè)探傷領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。80年代末計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了數(shù)字式檢測(cè)儀的發(fā)展，使得檢測(cè)

2、數(shù)據(jù)更加形象具體。有關(guān)資 料表明，國(guó)外每年大約發(fā)表3000篇涉及無(wú)損檢測(cè)的文獻(xiàn)資料，其中有關(guān)超聲無(wú) 損檢測(cè)的內(nèi)容約占45%。2隨著工業(yè)自動(dòng)化的提高，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)可以運(yùn) 用在生產(chǎn)的每一步中，能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)。成像技術(shù)、相控陣技術(shù)、人工智能、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、相適應(yīng)技術(shù)的逐步成熟促進(jìn)了超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。1常規(guī)檢測(cè)技術(shù)的介紹超聲波是指頻率大于20 kHz，并且能在連續(xù)介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。常用的 超聲波檢測(cè)方法有共振法、穿透法、脈沖反射法等。脈沖反射法是通過(guò)內(nèi)部缺陷或者試件的底部反射回波的情況來(lái)對(duì)試件中缺 陷的大小和位置進(jìn)行評(píng)估。1在金屬板中缺陷的定位判斷3、檢測(cè)套管和腐蝕 和缺陷4、人體

3、血管壁超聲傳輸特性研究5、鋼管的厚度測(cè)量6、混凝土內(nèi)部 結(jié)7 、引等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。共振法是根據(jù)聲波在試件中呈共振狀態(tài)來(lái)測(cè)量試件厚度或判斷有無(wú)缺陷的方法。南京大學(xué)聲學(xué)研究所研制的超聲共振自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)10列主要用于表面較光滑的工件的厚度檢測(cè)9、金屬焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)8等。透法則是在試件的兩側(cè)放置探頭，一個(gè)探頭發(fā)射超聲到試件中，而另外一個(gè) 則接收穿透試件后的脈沖信號(hào)，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度和幅度的變化來(lái)判斷內(nèi)部缺陷情 況。這種方法在金屬夾雜物缺陷的檢測(cè)等探傷方面得到廣泛的應(yīng)用。2非接觸式超聲波檢測(cè)技術(shù)用非接觸法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，加入耦合劑是為了減少超聲波在探頭與檢測(cè)面 的之間損耗，提供較好的穿透能力，獲得

4、更好的檢測(cè)效果。常見(jiàn)的非接觸式超聲 檢測(cè)技術(shù)有電磁超聲檢測(cè)技術(shù)、空氣超聲檢測(cè)技術(shù)以及激光超聲檢測(cè)技術(shù)。2.1電磁超聲檢測(cè)技術(shù)20世紀(jì)60年代末電磁聲換能器（EMAT）的出現(xiàn)，使得無(wú)損檢測(cè)能夠在高溫、 高速等惡劣條件下得以實(shí)現(xiàn)。EMAT靠電磁效應(yīng)激發(fā)和接收超聲波，由電磁鐵、 高頻線圈及被測(cè)試件組成。在實(shí)際庇用中通過(guò)改變不問(wèn)形狀的磁鐵和線圈的排列 方式，可以產(chǎn)生縱波、橫波、表面波和 Lamb波等不同模式的超聲波?；驹?是高頻線圈通過(guò)電流時(shí)，在試件的表面就會(huì)感應(yīng)渦流，此渦流在磁鐵提供的外加 磁場(chǎng)的作用下都會(huì)產(chǎn)生羅倫茲力，在此機(jī)械力的作用下產(chǎn)生高頻振動(dòng)，形成超聲 波。接收超聲波時(shí)。試件表面的振蕩也

5、會(huì)在外加磁場(chǎng)的作用下，在高頻線圈中感應(yīng)出電壓而被儀器接收。磁超聲只能在導(dǎo)電介質(zhì)上產(chǎn)生，因此主要應(yīng)用于金屬材料的檢測(cè)，跟傳統(tǒng)的 超聲檢測(cè)技術(shù)相比具有無(wú)需任何耦合劑、靈活的產(chǎn)生各類波形、聲傳播距離遠(yuǎn)、 檢測(cè)速度快等特點(diǎn)13。在金屬探傷12、火車車輪裂紋的檢測(cè)11等方面得到很 好的應(yīng)用。2.2空氣耦合超聲波檢測(cè)技術(shù)空氣耦合是一種直接用空氣作耦合劑的方法。探頭發(fā)射的超聲波，經(jīng)過(guò)空氣 后，進(jìn)入被檢試件，透過(guò)試件的超聲波再被接收探頭接收。 換能器和試件之間不 需要耦合劑，但主要受三方面的影響：超聲波在空氣中的衰減、氣固表面超聲波 的大量反射和超聲換能器的轉(zhuǎn)換效率。這三個(gè)方面限制了空氣耦合技術(shù)的發(fā)展。 Gr

6、an dia在1995年就開(kāi)始對(duì)空氣耦合式換能器的研究，提出了通過(guò)增加耦合層的方法制作適應(yīng)以空氣作介質(zhì)的換能器和采用顯微加工技術(shù)制作靜電換能器這兩 種方法，基本原理和制作方法都進(jìn)行了比較。國(guó)內(nèi)空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展受實(shí)驗(yàn)環(huán)境、人員水平等條件的限制，發(fā)展很緩慢。美國(guó)QMI實(shí)驗(yàn)室和加拿大R&D公司相繼研發(fā)成功100 kHz5 MHz 的壓電換能器給空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)工程應(yīng)用帶來(lái)了希望。1997年董正宏等以航天復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)為背景建立了空氣耦合式超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)浸入式超聲檢測(cè)技術(shù)相比較，分析和評(píng)估了空氣耦合式超聲在檢測(cè)靈敏度、回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍等方面與傳統(tǒng)浸入式檢測(cè)存在的差異。針對(duì)空

7、氣耦合存在的不足， 提出了相應(yīng)的解決方法。2.3激光檢測(cè)技術(shù)激光超盧技術(shù)的研究始于1963年由White R M提出用脈沖激光產(chǎn)生超聲脈 沖。激光可以通過(guò)熱彈效應(yīng)和燒蝕作用和利用被測(cè)材料周圍的其他物質(zhì)作為中介 這兩種方法激發(fā)超聲波。激光超聲激勵(lì)檢測(cè)可以利用超聲換能器和光學(xué)法檢驗(yàn)技 術(shù)實(shí)現(xiàn)，光學(xué)法可以分為干涉和非干涉兩種。干涉法又分為刀刃檢測(cè)技術(shù)、表面 柵格衍射技術(shù)、反射率檢測(cè)技術(shù)等；非干涉分為自差干涉、外差干涉、共焦FP干涉儀。目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行這一技術(shù)研究的單位有：中科院聲學(xué)所、北京科技大學(xué)物理系、 清華大學(xué)工程力學(xué)系、上海技物所等。其中北京科技大學(xué)在1994年已報(bào)道采用共焦F P干涉儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)固

8、體表面超聲波的檢測(cè)25，清華大學(xué)力學(xué)系采用紅 寶石調(diào)Q激光和氮激光也實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲波的激光激發(fā)與檢測(cè)。錢夢(mèng)碌29、應(yīng)崇福等人在激光超聲研究領(lǐng)域都有著重大貢獻(xiàn)。3超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)在建筑工程、軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)、泄漏檢測(cè)、電氣檢測(cè)等方面所 具有的優(yōu)越性彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)手段的不足， 使超聲波檢測(cè)在預(yù)防性維修中發(fā)揮了 應(yīng)有的作用。3.1超聲波檢測(cè)混泥土缺陷采用超聲脈沖檢測(cè)混凝土缺陷的基本依據(jù)是，利用脈沖波在技術(shù)條件相同 （指混凝土的原材料、配合比、齡期和測(cè)試距離一致）的混凝土中傳播的時(shí)間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化來(lái)判定混凝土的缺陷。超聲脈沖波在混凝土中傳播速度的快慢，與

9、混凝土的密實(shí)度有直接關(guān)系，對(duì) 于原材料、配合比、齡期及測(cè)試距離一定的混凝土來(lái)說(shuō)，聲速高則混凝土密實(shí)， 相反則混凝土不密實(shí)。當(dāng)有空洞或裂縫存在時(shí)，便破壞了混凝土的整體性，超聲 脈沖波只能繞過(guò)空洞或裂縫傳播到接收換能器，因此傳播的路程增大，測(cè)得的聲 時(shí)必然偏長(zhǎng)或聲速降低。另外，由于空氣的聲阻抗率遠(yuǎn)小于混凝土的聲阻抗率， 脈沖波在混凝土中傳播時(shí)，遇到蜂窩、空洞或裂縫等缺陷，便在缺陷界面發(fā)生反 射和散射，聲能被衰減，其中頻率較高的成分衰減更快，因此接收信號(hào)的波幅明 顯降低，頻率明顯減小或頻率譜中高頻成分明顯減少。 再者經(jīng)過(guò)缺陷反射或繞過(guò) 缺陷傳播的脈沖波信號(hào)與直達(dá)波信號(hào)之間存在聲程和相位差，疊加后互相

10、干擾， 致使接收信號(hào)的波形發(fā)生畸變。根據(jù)上述原理，可以利用混凝土聲學(xué)參數(shù)測(cè)量值和相對(duì)變化綜合分析，判別其缺陷的位置和范圍，或估算缺陷的尺寸。超聲波檢測(cè)法是比較有效的一種檢測(cè)方法，能比較準(zhǔn)確的判斷樁身混凝土質(zhì) 量，但聲測(cè)管的埋置及選用能較大影響檢測(cè)效果， 在濱德高速公路工程的檢測(cè)工 作中，運(yùn)用了以上介紹的多種措施和處理方法，對(duì)出現(xiàn)的聲測(cè)管堵塞困難做了較 好的克服，為工程的順利進(jìn)展奠定了良好的基礎(chǔ)。3.2軸承狀態(tài)的監(jiān)測(cè)目前超聲波檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)軸承初期損壞最可靠的方法。超聲波所發(fā)出的 警信比溫度上升或動(dòng)力的增加還早，因此超聲波檢查可用來(lái)辨識(shí)軸承初期疲勞、 滾道表面的壓迫侵蝕、潤(rùn)滑油多或少。使用超聲波

11、檢測(cè)可同時(shí)監(jiān)聽(tīng)軸承的聲音及 趨勢(shì)分析。超聲波檢測(cè)儀的調(diào)頻能力，可輕易地調(diào)到軸承的波段并將其孤立，使 分析工作不受噪聲影響。測(cè)試軸承和機(jī)械設(shè)備，則需要建立一個(gè)聲音水平的基線 值和音質(zhì)環(huán)境，在檢測(cè)時(shí)對(duì)比讀值和聲音樣本來(lái)作趨勢(shì)分析。（1）軸承失效的檢測(cè)用比較法和歷史法對(duì)軸承進(jìn)行檢測(cè)。使用歷史法時(shí)，首先，超過(guò)基線8dB表明軸承已有故障隱患或潤(rùn)滑短缺。正常的軸承聽(tīng)起來(lái)像“嘶嘶”聲，軸承缺潤(rùn)滑常 表現(xiàn)為超過(guò)基線值8dB，并伴有很大的“沙沙”聲。如果懷疑是缺潤(rùn)滑，可以在 加注潤(rùn)滑油的同時(shí)觀察儀表的變化。一次加少量的潤(rùn)滑油直到分貝值水平降低至 基線值。如果讀數(shù)水平持續(xù)很高且沒(méi)有降低的趨勢(shì)，可以考慮軸承進(jìn)入失效

12、期， 需要經(jīng)常檢測(cè)。其次，超過(guò)基線12dB表明各種故障已經(jīng)開(kāi)始。如果分貝值超過(guò) 基線12dB并伴有音質(zhì)的變化，則表明軸承進(jìn)入早期的失效階段。 超過(guò)基線36dB 表明更嚴(yán)重的故障狀態(tài)。最后，超過(guò)基線 50dB表明已經(jīng)進(jìn)入災(zāi)難性故障階段。在滾珠軸承超聲波監(jiān)測(cè)時(shí)，振幅改變所突顯的軸承問(wèn)題，比任何指標(biāo)包括紅 外線熱影像及振動(dòng)分析的改變都要早。當(dāng)滾珠通過(guò)滾道小裂縫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊， 并與軸承組件構(gòu)成共振，在監(jiān)測(cè)軸承頻率時(shí)，聽(tīng)起來(lái)相當(dāng)于振幅增加。當(dāng)滾珠由 球形趨于扁平化的過(guò)程中，軸承表面的壓迫侵蝕也會(huì)造成振幅增加。 這些扁平點(diǎn) 也會(huì)產(chǎn)生重復(fù)的聲響，監(jiān)測(cè)頻率時(shí)聽(tīng)起來(lái)也相當(dāng)于振幅增加。 損壞的滾珠聽(tīng)起來(lái) 像脆裂

13、聲，然而強(qiáng)度高且均勻的暴裂聲可能顯示溝槽損壞或均勻的滾珠損壞。（2）潤(rùn)滑狀況的監(jiān)測(cè) 由于軸承潤(rùn)滑油膜被破壞，聲音強(qiáng)度值將增加，如果分貝值超過(guò)基線8dB且伴有一致的“沙沙”聲，可以認(rèn)為是缺油。 在加潤(rùn)滑脂過(guò)程中，保證適當(dāng)?shù)牧渴乖肼晱?qiáng)度值等于基準(zhǔn)值。應(yīng)注意一 些潤(rùn)滑脂需要一定時(shí)間才能充分的覆蓋軸承的表面，請(qǐng)每次加入適量的潤(rùn)滑脂。 如潤(rùn)滑過(guò)度，可損壞軸承密封，并引起軸承過(guò)熱，因此應(yīng)避免過(guò)度潤(rùn)滑。（3）低速軸承的監(jiān)測(cè)超聲波傳感器可以監(jiān)測(cè)低速軸承 （低于200r/min）。由于靈敏度和頻率可調(diào)， 可收聽(tīng)到軸承的音質(zhì)。對(duì)于極端低速軸承（低于25r/min），常不考慮讀數(shù)的具體值，僅收聽(tīng)音質(zhì)的不同。在此條件

14、下，通常是大型軸承用高黏度的潤(rùn)滑脂，因 潤(rùn)滑脂會(huì)吸收大部分的聲音能量，僅能接收低程度的聲音信號(hào)，只有聽(tīng)見(jiàn)高強(qiáng)度 音或“渣渣”音，表明軸承失效的發(fā)生。（4）監(jiān)測(cè)頻譜的分析在收聽(tīng)聲音信號(hào)的同時(shí)，可通過(guò)聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜和時(shí)域分析。 當(dāng)設(shè)備零件 開(kāi)始失效時(shí)，超聲波信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)聲音的改變做故障診斷可節(jié)省時(shí)間。因此，關(guān)鍵設(shè)備的超聲波監(jiān)測(cè)可以避免無(wú)計(jì)劃的停機(jī)， 還可以通過(guò)在設(shè)備 上安裝超聲波探頭對(duì)一些無(wú)法直接接觸的零件運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行檢測(cè)。3.3電氣檢測(cè)電器設(shè)備的早期局部放電檢測(cè)，對(duì)保證設(shè)備本身的安全起著至關(guān)重要的作 用。常見(jiàn)的電器設(shè)備局部放電故障有： 電暈、電弧和電痕。電暈和初期的電痕不 會(huì)產(chǎn)生

15、熱量，用紅外熱像儀無(wú)法檢測(cè)，但它會(huì)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，用超聲波檢測(cè)儀 可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行檢測(cè)；電弧和嚴(yán)重的電痕在產(chǎn)生超聲波的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱量，因此用紅外和超聲波的方法都可以進(jìn)行測(cè)試。 但當(dāng)局部放電發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部時(shí)，用 紅外成像技術(shù)的方法也無(wú)法發(fā)現(xiàn)。不難看出超聲波檢測(cè)儀能在紅外線測(cè)溫儀檢測(cè) 出來(lái)溫度之前就能檢測(cè)到因絕緣損壞和松動(dòng)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)。用超聲波檢測(cè)儀在電器設(shè)備的表面或結(jié)合面處都可以進(jìn)行檢測(cè)。超聲波檢測(cè)儀對(duì)高壓輸電絕緣 子、變壓器、開(kāi)關(guān)柜等電器設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波檢測(cè)儀的靈敏度非常高，當(dāng) 絕緣子周圍的空氣被電離時(shí)，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，腐蝕金屬部件，削弱絕緣物的絕 緣能力。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)可以完善絕緣

16、檢測(cè)工作，可以探聽(tīng)到絕緣子故障、線套、 變壓器、端套、避雷針等故障聲響。4結(jié)論現(xiàn)代超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)沿著智能化、自動(dòng)化、圖像化、數(shù)字化、小型化、系 列化、多功能化、信息化和交叉領(lǐng)域的方向發(fā)展。檢測(cè)技術(shù)、成像技術(shù)的成熟， 是的超聲檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)滿足現(xiàn)代質(zhì)煞對(duì)無(wú)損檢測(cè)的要求。無(wú)線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得超聲檢測(cè)技術(shù)可以克服傳統(tǒng)技術(shù)上有線傳輸?shù)姆N種缺點(diǎn)。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的趨勢(shì)下，超聲檢測(cè)作為許多產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要手段之一必將得到 更多的關(guān)注和提高。參考文獻(xiàn)1 史亦偉超聲檢測(cè)M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20052 羅雄彪。陳鐵群超聲無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)J 無(wú)損探傷，2004, 28(3): 153 王杜

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