《無損檢測（第2版）》 課件第一章 超聲檢測

無損檢測（第2版）

第一章超聲檢測第一節(jié)超聲檢測的物理基礎(chǔ)第一章超聲檢測

超聲波簡介超聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的機械波，頻率高于20kHz。工業(yè)超聲檢測常用的工作頻率為0.5~10MHz。一、超聲波的特點（1）超聲波的方向性好。超聲波具有像光波一樣良好的方向性，經(jīng)過專門的設(shè)計可以定向發(fā)射。（2）超聲波的穿透能力強。對于大多數(shù)介質(zhì)而言，它具有較強的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達數(shù)米。（3）超聲波的能量高。超聲檢測的工作頻率遠(yuǎn)高于聲波的頻率，超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。（4）遇有界面時，超聲波將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。（5）對人體無害。超聲波簡介二、超聲波的分類

（一）描述超聲波的基本物理量超聲波簡介二、超聲波的分類1.縱波L：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相同的波叫縱波，有時又被稱為壓縮波或疏密波。固體、液體和氣體介質(zhì)都可以傳播縱波。2.橫波S（T）：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向垂直于波的傳播方向的波，又叫作切變波，由于只有固體介質(zhì)能夠承受切應(yīng)力，因而橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。3.表面波R：當(dāng)超聲波在固體介質(zhì)中傳播時，對于有限介質(zhì)而言的一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎ?885年瑞利（Raleigh）首先對這種波給予理論上的說明，因此表面波又稱為瑞利波。（二）超聲波的分類超聲波簡介二、超聲波的分類1.縱波L：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相同的波叫縱波，有時又被稱為壓縮波或疏密波。固體、液體和氣體介質(zhì)都可以傳播縱波。（二）超聲波的分類超聲波簡介二、超聲波的分類2.橫波S（T）：介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向垂直于波的傳播方向的波，又叫作切變波，由于只有固體介質(zhì)能夠承受切應(yīng)力，因而橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。（二）超聲波的分類超聲波簡介二、超聲波的分類3.表面波R：當(dāng)超聲波在固體介質(zhì)中傳播時，對于有限介質(zhì)而言的一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎ?885年瑞利（Raleigh）首先對這種波給予理論上的說明，因此表面波又稱為瑞利波。（二）超聲波的分類超聲波簡介二、超聲波的分類4.板波：在板厚和波長相當(dāng)?shù)膹椥员“逯袀鞑サ某暡?，又稱為蘭姆波。板波傳播時薄板的兩表面和板中間的質(zhì)點都在振動，聲場遍及整個板的厚度。按其傳播方式可分為對稱型（S型）和非對稱型（A型）兩種。（二）超聲波的分類板波（蘭姆波）：a)對稱型b)非對稱型超聲波簡介二、超聲波的分類超聲波的分類方法很多，主要的分類方法還有，按波陣面的形狀分類、按振動的持續(xù)時間分類等。（二）超聲波的分類超聲檢測過程中常采用脈沖波。脈沖波并非單一頻率。每種頻率的聲波決定一個聲場，總聲場為各種頻率的聲場成分的疊加。第二節(jié)超聲場及介質(zhì)的聲參量第一章超聲檢測

一、描述超聲場的物理量（一）聲壓p超聲場中某一點在某一瞬間所具有的壓強，與沒有超聲場存在時同一點的靜態(tài)壓強之差叫作該點的聲壓，常用p表示。單位為帕[帕斯卡]，記作Pa（(1Pa=1N/m2

）。對于平面余弦波可以證明：可見聲壓的絕對值與波速、質(zhì)點振動的速度振幅（或角頻率）成正比。因為超聲波的頻率高，所以超聲波比聲波的聲壓大。一、描述超聲場的物理量（二）聲強I

可見，超聲波的聲強正比于質(zhì)點振動位移振幅的平方、角頻率的平方和質(zhì)點振動速度振幅的平方。由于超聲波的頻率高，其強度(能量）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可聞聲波的強度。一、描述超聲場的物理量（三）分貝和奈培的概念

若取自然對數(shù)，則其單位為奈培（NP），計算可知：

二、介質(zhì)的聲參量（一）聲阻抗

二、介質(zhì)的聲參量（二）聲速聲波在介質(zhì)中傳播的速度稱為聲速，常用c表示。在同一種介質(zhì)中，超聲波的波型不同，其傳播速度亦各不相同，超聲波的聲速還取決于介質(zhì)的密度、彈性模量等。聲速又可分為相速度與群速度。相速度：聲波傳播到介質(zhì)的某一選定的相位點時，在傳播方向上的聲速。群速度：傳播聲波的包絡(luò)上，具有某種特性（如幅值最大）的點上，聲波在傳播方向上的速度。群速度是波群的能量傳播速度，在非頻散介質(zhì)中，群速度等于相速度。聲速的一般表達式為：聲速=彈性率/密度二、介質(zhì)的聲參量（二）聲速

二、介質(zhì)的聲參量（二）聲速

二、介質(zhì)的聲參量（三）聲衰減系數(shù)

二、介質(zhì)的聲參量（三）聲衰減系數(shù)

二、介質(zhì)的聲參量（三）聲衰減系數(shù)（4）衰減系數(shù)的測定2）薄件衰減系數(shù)的測定：薄工件衰減系數(shù)只存在介質(zhì)衰減，因此通常采用比較多次反射回波高度的方法予以測定。其衰減系數(shù)：式中，m、n是超聲波的底面反射次數(shù)，Hm、Hn分別是m和n次底面反射波的高度，d是試塊的厚度。

第三節(jié)超聲波在介質(zhì)中的傳播特性第一章超聲檢測

一、超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射（一）單一界面

超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時，將一直向前傳播，并不改變方向。但遇到異質(zhì)界面（即聲阻抗差異較大的界面）時，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象。一、超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射（一）單一界面

在鋼和水組成的界面上的反射和透射聲壓：a）鋼-水入射

b）水-鋼入射一、超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射（二）薄層界面

一、超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射（二）薄層界面

二、超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射（一）斯涅爾定律

當(dāng)聲波沿傾斜角到達固體介質(zhì)的表面時，由于介質(zhì)的界面作用，可能引起聲波傳輸模式的改變（例如從縱波轉(zhuǎn)變?yōu)闄M波，反之亦然）。（二）臨界角（專指入射角）

二、超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射（二）臨界角（專指入射角）

二、超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射（三）聲壓反射率與透射率在斜入射情況下，各種類型的反射波和折射波的聲壓反射率和透射率，不僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，而且還與入射波的類型以及入射角的大小有關(guān)。由于其理論計算公式復(fù)雜，一般借助于由公式或?qū)嶒灥玫降膸追N常見界面的聲壓反射率和透射率圖來確定檢測方案。縱波入射至鋼-空氣界面時的反射縱波入射至水-鋁界面時的反射和折射縱波入射至有機玻璃-鋼界面時的反射和折射二、超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射（四）聲壓往復(fù)透射率

各種界面上的往復(fù)透射率：a）水-鋁界面b）水-鋼界面c）有機玻璃-鋁界面d）有機玻璃-鋼界面二、超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射（五）端角反射當(dāng)工件的兩個相鄰表面構(gòu)成直角，超聲波束傾斜射向任一表面，且其反射波束指向另一表面時，即構(gòu)成了端角反射的情況。此時同類型的反射波和入射波總是互相平行，方向相反；不同類型的反射波和入射波互不平行，且難以被發(fā)射探頭接收。

三、超聲波在曲界面上的反射和透射1.反射波

平面波入射彎曲界面時的反射：a）凹面鏡；b）凸面鏡三、超聲波在曲界面上的反射和透射2.透射波

平面波入射彎曲界面時的透鏡作用三、超聲波在曲界面上的反射和透射3.水浸聚焦探頭的設(shè)計

聲透鏡聚焦作用原理a）水中無工件b）水中有工件三、超聲波在曲界面上的反射和透射3.水浸聚焦探頭的設(shè)計

聲透鏡聚焦作用原理a）水中無工件b）水中有工件三、超聲波在曲界面上的反射和透射3.水浸聚焦探頭的設(shè)計

聲透鏡聚焦作用原理a）水中無工件b）水中有工件三、超聲波在曲界面上的反射和透射3.水浸聚焦探頭的設(shè)計

聲透鏡聚焦作用原理a）水中無工件b）水中有工件第四節(jié)由圓形壓電晶片產(chǎn)生的聲場（活塞源聲場）第一章超聲檢測

一、圓形壓電晶片聲場中的聲壓超聲檢測中使用的超聲波探頭，其主要部件是用壓電材料做的壓電晶片，在壓電晶片的兩表面涂有導(dǎo)電銀層作為電極，使晶片表面上各點都具有相同的電位。將晶片接于高頻電源時，晶片兩面便以相同的相位產(chǎn)生拉伸或壓縮效應(yīng)，發(fā)射超聲波的晶片恰如活塞作往復(fù)運動一樣輻射出聲能。因此它相當(dāng)于一個活塞聲源，通常將直探頭所產(chǎn)生的超聲場作為圓形活塞聲源來處理。圓盤源遠(yuǎn)場中任意一點的聲壓推導(dǎo)圖一、圓形壓電晶片聲場中的聲壓

一、圓形壓電晶片聲場中的聲壓

圓盤源軸線上聲壓推導(dǎo)圖二、近場區(qū)、遠(yuǎn)場區(qū)和超聲波的指向性

二、近場區(qū)、遠(yuǎn)場區(qū)和超聲波的指向性

二、近場區(qū)、遠(yuǎn)場區(qū)和超聲波的指向性在聲場中，稱x<N的區(qū)域為聲源的近場區(qū)，最后一個聲壓最大值至聲源的距離N稱為近場長度。在近場區(qū)內(nèi)，聲源表面上各點輻射至被考察點的波程差大，聲源振幅差和相位差也大，彼此互相干涉，使近場區(qū)聲壓分布十分復(fù)雜，因此在近場區(qū)對缺陷的判斷十分困難。近場區(qū)截面聲壓分布（黑色部分為波峰）二、近場區(qū)、遠(yuǎn)場區(qū)和超聲波的指向性在聲場中沿中心軸線聲壓最大，形成聲場的主瓣，即主聲束。在近場區(qū)聲壓交替出現(xiàn)極大與極小值，形成聲束的副瓣。當(dāng)聲源為圓形活塞聲源且直徑為D、半徑為a時，用指向角θ

（單位：度）來描述主聲束寬度，或稱半擴散角：圓盤源遠(yuǎn)場聲壓的指向性a）主瓣聲束和副瓣聲束b）主瓣聲束a）b）第五節(jié)超聲檢測方法第一章超聲檢測

一、超聲檢測通用技術(shù)1、儀器選擇選擇檢測儀器應(yīng)從被檢對象的材質(zhì)及缺陷存在的狀況來考慮，如果儀器選擇不當(dāng)，不但檢測結(jié)果不可靠，在經(jīng)濟上也將蒙受不應(yīng)有的損失。超聲波探傷儀種類繁多，以脈沖式超聲波探傷儀應(yīng)用最為廣泛。脈沖式超聲波探傷儀主要可分為A型顯示和平面顯示兩大類，為了更好地進行缺陷的定量和定位，還研發(fā)了例如B型顯示、C型顯示、準(zhǔn)三維顯示和超聲透視等檢測設(shè)備。A型顯示：構(gòu)簡單、使用方便、適用面廣，但難以判斷缺陷的幾何形狀，缺乏直觀性。B型顯示：可以顯示出工件某一縱斷面的聲像顯示方法。C型顯示：可以顯示出工件的某一橫斷面的聲像顯示方法。在獲得B型顯示和C型顯示的基礎(chǔ)上，借助于計算機信號處理技術(shù)，可以獲得準(zhǔn)三維顯示的缺陷圖像，經(jīng)過仔細(xì)處理后，該圖像將具有較好的立體感。一、超聲檢測通用技術(shù)2、探頭的選擇目前超聲檢測工作中應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的是以壓電效應(yīng)為工作原理的超聲波探頭，或稱之為超聲波換能器。探頭是電子設(shè)備和超聲場間聯(lián)系的紐帶，是超聲檢測設(shè)備的重要組成部分。在超聲檢測中，超聲波探頭大多使用脈沖信號，其脈沖又分為寬脈沖和窄脈沖。寬脈沖：頻率近乎單一的脈沖，發(fā)射的超聲波在聲束軸線上的聲壓分布近似于連續(xù)激勵。窄脈沖：包含較多頻率成分的諧波。各頻率諧波的聲壓疊加后近場變平滑，故而窄脈沖能減小干涉現(xiàn)象的影響。與寬脈沖相比，其分辨率高。利用窄脈沖發(fā)射超聲波，聯(lián)合頻譜分析技術(shù)，是今后超聲檢測的發(fā)展方向之一。探頭的種類繁多、形式各異，其基本形式是直探頭和斜探頭。直探頭：主要用于發(fā)射和接收縱波。斜探頭：常用的有橫波探頭、表面波探頭、板波探頭等。其它探頭：聚焦探頭、高溫探頭、高分辨率探頭、可變角探頭和組合探頭等。一、超聲檢測通用技術(shù)2、探頭的選擇探頭的主要使用性能指標(biāo)除頻率外，還有檢測靈敏度和分辨力。檢測靈敏度：是指在最大深度上發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力，與探頭的換能特性有關(guān)。一般來講輻射效率高、接收靈敏度高的探頭，其檢測靈敏度亦高。且輻射面積越大，檢測靈敏度越高。檢測分辨力：可分為橫向分辨力和縱向分辨力，縱向分辨力是指沿聲波傳播方向、對兩個相鄰缺陷的分辨能力。脈沖愈窄，頻率愈高，分辨能力亦愈高。然而其靈敏度愈高，則分辨力愈低。橫向分辨力是指聲波傳播方向上對兩個并排缺陷的分辨能力，探頭發(fā)射的聲束愈窄，頻率愈高，則橫向分辨力愈高?？傊?，性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)可靠、使用方便，并能滿足靜壓力、溫度等條件的要求，是探頭選擇工作中應(yīng)考慮的基本內(nèi)容。一、超聲檢測通用技術(shù)3、試塊的選用在當(dāng)量法中所采用的具有簡單幾何形狀的人工反射體的試樣被稱為試塊。在超聲檢測中常用其調(diào)整和確定探傷儀的測定范圍，確定合適的檢測方法、檢驗儀器和探頭的性能以及檢測靈敏度，測量材料的聲學(xué)特性（如聲速、聲衰減系數(shù)、彈性模量等)。試塊主要可分兩種：即標(biāo)準(zhǔn)試塊（簡稱STB）和參考試塊（簡稱RB）。標(biāo)準(zhǔn)試塊：用以測試探傷儀的性能、調(diào)整檢測靈敏度和聲時的測定范圍。例如我國的標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-I、國際標(biāo)準(zhǔn)試塊IIW、IIW2等。參考試塊：針對特定條件（如特殊的厚度、形狀與缺陷等）而設(shè)計的非標(biāo)準(zhǔn)試塊，一般要求該試塊的材質(zhì)和熱處理工藝與被檢對象基本相同。如我國的RB-1、RB-2及RB-3試塊等。CSK-I型試塊CSK-I型試塊一、超聲檢測通用技術(shù)4、聲波的耦合為了使探頭有效地向試件中發(fā)射和接收超聲波，必須保持探頭與試件之間良好的聲耦合，即在二者之間填充耦合劑以排除空氣。耦合劑應(yīng)具有較好的透聲性能和較高的聲阻抗等，如水、甘油、硅油、機油等。根據(jù)不同的耦合條件和耦合介質(zhì)，探頭與試件之間的耦合方式可分為直接接觸法和液浸法。二、超聲檢測方法（一）透射法透射法又叫穿透法，是最早采用的一種超聲檢測技術(shù)。1.透射法的工作原理透射法是將發(fā)射探頭和接收探頭分別置于試件的兩個相對面上，根據(jù)超聲波穿透試件后的能量變化情況，來判斷試件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法示意圖1—脈沖波高頻發(fā)生器2—發(fā)射探頭3—工件4—缺陷5—接收探頭6—放大器7—顯示屏二、超聲檢測方法（一）透射法2.透射法檢測的優(yōu)缺點優(yōu)點：1)簡單易懂，便于實施，不需考慮反射脈沖幅度。2)聲波在試件中只做單向傳播，適合檢測高衰減的材料。3)當(dāng)選擇好耦合劑后，特別適用于單一產(chǎn)品大批量加工制造過程中的機械化自動檢測。4)在探頭與試件相對位置布置得當(dāng)后，即可進行檢測，在試件中幾乎不存在盲區(qū)。缺點：1)一對探頭單收單發(fā)的情況下，只能判斷缺陷的有無和大小，不能確定缺陷的方位。2)當(dāng)缺陷尺寸小于探頭波束寬度時，該方法的探測靈敏度低。二、超聲檢測方法（二）脈沖反射法脈沖反射法是應(yīng)用最廣泛的超聲檢測方法。在實際檢測中，直接接觸式脈沖反射法最為常用。該法按照檢測時所使用的波型大致可分為：縱波法、橫波法、表面波法、板波法。

a）b）c）直接接觸脈沖反射法a)無缺陷b)有小缺陷c)有大缺陷：A—一次B—多次1—探頭2—缺陷3—工件4—顯示屏1.脈沖反射法的工作原理脈沖反射法是利用超聲波脈沖在試件內(nèi)傳播的過程中，遇有聲阻抗相差較大的兩種介質(zhì)的界面時，將發(fā)生反射的原理進行檢測的方法。根據(jù)缺陷及底面反射波的有無、大小及其在時基軸上的位置來判斷缺陷的有無、大小及其方位。二、超聲檢測方法（二）脈沖反射法2.脈沖反射法的特點優(yōu)點：1）檢測靈敏度高，能發(fā)現(xiàn)較小的缺陷。2）當(dāng)調(diào)整好儀器的垂直線性和水平線性后，可得到較高的檢測精度。3）適用范圍廣，可采用多種不同的方法對試件進行檢測。4）操作簡單、方便、容易實施。缺點：1）單探頭檢測往往在試件上留有一定盲區(qū)。2）由于探頭的近場效應(yīng)，不適用于薄壁試件和近表面缺陷的檢測。3）缺陷波的大小與被檢缺陷的取向關(guān)系密切，容易有漏檢現(xiàn)象發(fā)生。4）因聲波往返傳播，故不適用于衰減太大的材料。二、超聲檢測方法（二）脈沖反射法3.直接接觸脈沖反射法使探頭與試件之間直接接觸，接觸情況取決于探測表面的平行度、平整度和粗糙度，一般在二者之間填充很薄的一層耦合劑，耦合劑的性能直接影響聲耦合的效果。直接接觸脈沖反射法中，可分為縱波法、橫波法、表面波法和板波法等，其中以縱波法應(yīng)用最為普遍。4.液浸法液浸法是在探頭與試件之間填充一定厚度的液體介質(zhì)作耦合劑，探頭與試件并不直接接觸，探頭角度可任意調(diào)整，聲波的發(fā)射、接收也比較穩(wěn)定，便于實現(xiàn)檢測自動化。缺點是當(dāng)耦合層較厚時，聲能損失較大，對單一產(chǎn)品（或幾種產(chǎn)品）往往具有很高的檢測能力，但缺乏靈活性。5．聲波在標(biāo)準(zhǔn)幾何反射體上的反射在超聲檢測中常用直探頭，一般采用圓形壓電陶瓷晶片作為超聲波的聲源，此時發(fā)射探頭又稱為活塞聲源。在確定缺陷當(dāng)量時，聲束軸線上不同位置的入射聲壓應(yīng)分兩個區(qū)域來考慮：當(dāng)N<L≤6N時，入射聲壓按活塞近場聲壓處理；當(dāng)L>6N時，入射聲壓則應(yīng)按球面波公式處理。第六節(jié)傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用第一章超聲檢測

一、典型構(gòu)件的超聲檢測技術(shù)（一）大型鍛件檢測鍛件是一種常見的構(gòu)件，在使用中承擔(dān)的載荷很高，制造成本也較高。因此對其內(nèi)在質(zhì)量和缺陷的檢測要求一般都比較嚴(yán)格。通常，大型鍛件的超聲檢測一般采用2～5MHz；檢測方法廣泛采用直探頭縱波脈沖反射法，有時還要用斜探頭進行補充性檢測；軸類鍛件以圓周檢測為主，必要時輔以兩端面的探測；對于方形鍛件，則應(yīng)在相互垂直的兩個端面上進行檢測。大型鍛件纖維組織的探傷方法一、典型構(gòu)件的超聲檢測技術(shù)（一）大型鍛件檢測1.鍛件中的常見缺陷可由超聲檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷主要分兩類：一類是在材料制造工藝過程中（如冶煉和鑄造）形成的縮孔、疏松、夾雜與偏析等；另一類是在金屬熱加工過程中（如鍛造和熱處理）形成的白點、裂紋和晶粒粗大等。2.鍛件缺陷的定量對于小于聲束直徑的缺陷來說，一般使用當(dāng)量法對其定量。當(dāng)量法是以圓形平底孔試塊為基準(zhǔn)，同時先假設(shè)試塊和鍛件的測試條件基本相當(dāng)，將缺陷的回波聲壓和與之同聲程的某種標(biāo)準(zhǔn)反射體的回波聲壓來進行當(dāng)量對比，若二者的反射回波聲壓相等，則認(rèn)為該人工缺陷與實際缺陷是同當(dāng)量的，這種方法稱為“當(dāng)量法”。一般來說，實際缺陷比當(dāng)量缺陷大3～5倍。常用的標(biāo)準(zhǔn)幾何反射體有：標(biāo)準(zhǔn)平底孔（或稱圓片形反射體）、標(biāo)準(zhǔn)橫通孔（或稱圓柱形反射體）、短橫孔，其它還有球形和矩形的反射體等。當(dāng)量法還可細(xì)分為：當(dāng)量試塊直接比較法、當(dāng)量曲線族法、距離波幅曲線定量法，波高比較法以及比例作圖法等。一、典型構(gòu)件的超聲檢測技術(shù)（二）鑄件缺陷的檢測鑄件內(nèi)部組織粗大、致密性差，與鍛件相比，對超聲波的衰減大，穿透性亦較差。因此一般選用較低的超聲波頻率，如0.5～2MHz，檢測靈敏度較低，只能檢出面積較大的缺陷。缺陷類型往往以體積型缺陷為主，常見的缺陷有縮孔、疏松、夾渣、夾砂、氣孔和鑄造裂紋等。經(jīng)過表面加工的鑄件，可用機油作耦合劑，采用直接接觸法進行超聲檢測。表面粗糙的鑄件可采用水浸法，也可使用粘度大的耦合劑（如潤滑油或漿糊等）并敷設(shè)塑料薄膜后，采用直接接觸法進行檢測。（三）小型壓力容器殼體檢測小型壓力容器殼體是由低碳鋼鍛造成形的，經(jīng)機械加工后成半球殼狀。對此類鍛件進行超聲檢測，通常以斜探頭橫波檢測為主，輔以表面波探頭檢測表面缺陷。對于壁厚3mm以下的薄壁殼體可只用表面法檢測。探傷前必須將探頭楔塊磨制成與工件相同曲率的球面，以利于聲耦合，但磨制后的超聲波束不能帶有雜波。通常使用易于磨制的塑料外殼環(huán)氧樹脂小型K值探頭，K值選1.5~2，頻率2.5~5MHz。探傷時采用接觸法，用機油耦合。探頭一方面沿經(jīng)線上下移動，一方面沿緯線繞周長水平移動一周，使聲束掃描線覆蓋整個球殼。在掃查過程中通常沒有底波，但遇到裂紋時會出現(xiàn)缺陷波，可以制作帶有人工缺陷與工件相同的模擬件調(diào)試靈敏度。一、典型構(gòu)件的超聲檢測技術(shù)（四）復(fù)合材料檢測復(fù)合材料粘合質(zhì)量的檢測主要有脈沖反射法、脈沖穿透法和共振法。復(fù)合材料粘合層中的分層多與板材表面平行，常選用脈沖反射法進行檢測。用縱波檢測時，若其粘合質(zhì)量良好，產(chǎn)生的界面波會很低，而底波幅度則較高。當(dāng)粘合不良時，界面波較高，而底面波較低甚至消失。若采用穿透法，當(dāng)粘合良好時，接收的超聲能量大，否則聲能減小。此法特別適用于檢測聲阻抗不同的多層復(fù)合材料。共振法適用于檢測聲阻抗相近的復(fù)合材料，粘合良好時，測得的厚度為兩層之和；粘合不好時，只能測得第一層的厚度。一、典型構(gòu)件的超聲檢測技術(shù)（五）各類構(gòu)件焊縫的檢測在科研和生產(chǎn)過程中，經(jīng)常遇到各類焊接結(jié)構(gòu)件，如試驗筒體、大型測試鋼架、焊接容器和殼體等。焊縫形式有對接、角接、搭接、T形接和接管焊縫等。超聲檢測常遇到的缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和焊接裂紋等。在科研和生產(chǎn)過程中，經(jīng)常遇到各類焊接結(jié)構(gòu)件，如試驗筒體、大型測試鋼架、焊接容器和殼體等。焊縫形式有對接、角接、搭接、T形接和接管焊縫等。超聲檢測常遇到的缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和焊接裂紋等。（六）非金屬材料檢測超聲波在塑料、有機玻璃、陶瓷、橡膠、混凝土等非金屬材料中的衰減一般都比金屬大。為減少聲能衰減，多采用低頻率檢測，一般為20~200kHz，也有的用2~5MHz,為了獲得較窄的聲束，需采用尺寸較大的探頭。塑料零件的探測一般采用縱波法，探測頻率0.5~1MHz，使用脈沖反射法。陶瓷材料可用0.5~2MHz的縱波和橫波探測。橡膠檢測頻率更低，可用穿透法檢測。

b)

c)

d)焊接接頭形式a)對接接頭b)搭接接頭c)T形接頭d)角接接頭二、超聲波測量技術(shù)借助特定的超聲檢測方式、信號處理方法識別超聲信號特征，能夠?qū)缀纬叽?、微觀組織、材料屬性和/或缺陷性質(zhì)等材料特性進行無損表征，這些特性參數(shù)對于材料性能評價及質(zhì)量控制非常重要，用超聲波方法進行無損測量具有重要意義。1.彈性常數(shù)彈性常數(shù)是描述材料彈性階段力學(xué)行為的工程指標(biāo)，是屈服強度、硬度和殘余應(yīng)力等力學(xué)性能測量與評定的基礎(chǔ)。對于各向同性材料，材料的彈性行為采用彈性模量E、泊松比υ兩個獨立彈性常數(shù)即可描述。通過測量材料的縱波聲速和橫波聲速，或者縱波聲速與表面波聲速，結(jié)合材料的密度值，即可測定彈性模量和泊松比。各向異性材料需要多個獨立彈性常數(shù)來描述其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。通常需要結(jié)合旋轉(zhuǎn)裝置或多組探頭實現(xiàn)多方位聲速的精準(zhǔn)測量，然后依據(jù)Christoffel描述的聲速、彈性常數(shù)、密度與聲波入射角之間的關(guān)系，通過解析或反演即可確定材料的彈性常數(shù)。二、超聲波測量技術(shù)2.覆層厚度覆層厚度是反映覆層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。利用超聲測量覆層厚度主要包括表面波法、蘭姆波法和脈沖回波法。脈沖回波法操作簡便、在工程中最常用，但由于實際工程應(yīng)用中覆層厚度往往很薄(數(shù)μm~數(shù)百μm)，界面回波可能產(chǎn)生疊加干涉，常通過對超聲干涉信號進行頻譜分析的方式實現(xiàn)對較薄覆層厚度的評價，也稱為超聲干涉法測厚技術(shù)。3.覆層內(nèi)界面粗糙度界面粗糙化是提高覆層和基體結(jié)合強度的有效措施，但在服役過程中增加界面粗糙度會使覆層內(nèi)殘余應(yīng)力增大，容易導(dǎo)致覆層剝落失效?？梢圆捎孟嗥两?粗糙度Rq<＜波長λ)理論對覆層內(nèi)界面粗糙度的定量表征。二、超聲波測量技術(shù)4.晶粒尺寸利用超聲衰減系數(shù)或超聲波聲速可以對多晶金屬材料的平均晶粒尺寸進行無損測量。當(dāng)波長遠(yuǎn)大于平均晶粒尺寸時，衰減主要由散射引起，因此通過測量超聲波散射衰減可以評定材料的晶粒尺寸。在某些特定的條件下，也可以利用超聲波聲速評定晶粒尺寸。一般認(rèn)為，聲速法評估平均晶粒尺寸的最大不確定度是20%。5.復(fù)合材料孔隙率復(fù)合材料的強度與孔隙率有關(guān)，通過測量超聲波聲速或衰減可以評估復(fù)合材料的孔隙率。類似地，通過測量超聲波速度或衰減，還可以對復(fù)合材料中增強體的體積分?jǐn)?shù)進行無損評估。例如，顆粒增強金屬基復(fù)合材料中增強顆粒的體積分?jǐn)?shù)等。第七節(jié)相控陣超聲檢測技術(shù)第一章超聲檢測

一、相控陣超聲檢測原理概述隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展以及制造業(yè)水平的提高，成像化、數(shù)字化、自動化、智能化等成為無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向。近年來隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、材料科學(xué)等的快速發(fā)展，相控陣超聲檢測技術(shù)日益精進，設(shè)備功能不斷完善，特別是有關(guān)法規(guī)的制訂和發(fā)布，為相控陣超聲檢測技術(shù)的普及應(yīng)用提供了基礎(chǔ)和條件。常規(guī)超聲檢測多采用單晶片探頭，超聲聲束以單一折射角沿聲束軸線傳播。相控陣超聲波探頭則基于惠更斯原理設(shè)計，由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列。每個晶片稱為一個陣元，按一定的規(guī)則和時序用計算機控制激發(fā)各個陣元，各陣元波陣面疊加形成一個新的波陣面，從而產(chǎn)生波束聚焦、偏轉(zhuǎn)等相控效果；在反射波的接收過程中，采用同樣的方法控制波束并進行信號合成，最后將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示。二、相控陣超聲發(fā)射和接收在相控陣發(fā)射過程中，超聲波探傷儀將觸發(fā)信號傳送至相控陣控制器，后者把觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換成高壓電脈沖。其間，脈沖寬度應(yīng)預(yù)先設(shè)定，而時間延遲則由聚焦法則界定。每個陣元接收一個電脈沖，并按照發(fā)射聚焦法則產(chǎn)生具有一定角度并聚焦在一定深度的超聲波束。在探傷過程中，該聲束遇到缺陷即反射回來。接收到回波信號后，相控陣控制器按接收聚焦律改變延遲時間后將這些信號疊加在一起，形成一個脈沖信號，繼而傳送至探傷儀。相控陣超聲發(fā)射、接收及時間延遲三、相控陣超聲聲束控制相控陣超聲檢測時，聲束的控制主要有3種類型：聲束的偏轉(zhuǎn)、聲束的聚焦以及聚焦聲束的偏轉(zhuǎn)。下面僅就一維線陣探頭的聲束控制加以討論。（一）聲束的偏轉(zhuǎn)若相鄰陣元按一定時間差τs被激勵源激勵，則各相鄰陣元所產(chǎn)生的聲脈沖亦將相應(yīng)延遲τs，這樣合成的波陣面不再與陣列平行，即合成波束與陣列軸線成一夾角θ，從而實現(xiàn)了聲束的偏轉(zhuǎn)。合成波陣面

探頭陣列

12N-1

N

激勵脈沖

合成波束方向θ

D相控陣聲束偏轉(zhuǎn)原理三、相控陣超聲聲束控制（一）聲束的偏轉(zhuǎn)根據(jù)波合成理論可知，相鄰兩陣元的時間延遲τs為式中，d為陣元中心間距，c是介質(zhì)聲速，τs也被稱為發(fā)射偏轉(zhuǎn)延遲，通過改變τs可改變超聲波束的偏轉(zhuǎn)角度θ。若以探頭中心作為參考點，則陣元n相對于探頭中心的延遲時間τn可通過下式來描述：當(dāng)陣元個數(shù)N為奇數(shù)時，當(dāng)陣元個數(shù)N為偶數(shù)時，式中，n=0，±1，…，±N/2。三、相控陣超聲聲束控制（二）聲束的聚焦在發(fā)射聚焦時，兩端陣元最先激勵，逐漸向中間陣元加大延遲，最終各陣元的波陣面在介質(zhì)內(nèi)合成一個新的波陣面，并指向一個曲率中心即焦點P處實現(xiàn)聲束的聚焦。在P點聲波同相疊加而增強，在P點以外則因異相疊加而減弱，甚至抵消。以陣列中心為參考點，當(dāng)N為奇數(shù)時，根據(jù)幾何聲程差可計算出各陣元發(fā)射的聲波在P點聚焦時的相對延遲時間為當(dāng)N為偶數(shù)時，式中的n改為（n+0.5）。合成波陣面

探頭陣列

P12N-1NDF激勵脈沖

相控陣聲束聚焦原理三、相控陣超聲聲束控制（三）聚焦聲束的偏轉(zhuǎn)以探頭中心作為參考點，當(dāng)N為奇數(shù)時，根據(jù)幾何聲程差可計算出聲束在焦距為F、偏轉(zhuǎn)角為θ的P點聚焦時的相對延遲時間為當(dāng)N為偶數(shù)時，式中的n改為（n+0.5）。通過各陣元的相位、幅度控制以及聲束形成等方法，能夠產(chǎn)生聚焦、變孔徑、變跡等多種相控效果。合成波陣面

探頭陣列

P

12N-1

N

激勵脈沖

DF

r1

rN

θ

相控陣聚焦聲束偏轉(zhuǎn)原理四、相控陣超聲聲束掃描方式在超聲相控陣檢測系統(tǒng)中，由計算機控制的聲束掃描方式主要有電子掃描、動態(tài)深度聚焦和扇形掃描三種。（一）線性掃描線性掃描，又稱E掃描、電子掃描，是以固定數(shù)量的陣元，以相同聚焦法則沿著探頭排列方向移動掃描，直到整個探頭掃描完畢。電子掃描過程中無需移動探頭即可完成聲束的大范圍覆蓋，特別適合于對板、管等規(guī)則形狀工件焊縫的高效檢測。線性掃描示意圖（3個陣元，間隔1個陣元的掃描）四、相控陣超聲聲束掃描方式（二）動態(tài)深度聚焦動態(tài)深度聚焦，也稱DDF（DynamicDeepFocusing）。對同一組陣元施加不同的延時律，聲束在掃描過程中沿聲束軸線對不同深度進行聚焦掃描。動態(tài)深度聚焦示意圖對不同深度橫孔的標(biāo)準(zhǔn)相控陣聚焦和DDF成像比較可知，標(biāo)準(zhǔn)相控陣檢測僅在焦距（50mm）附近獲得較好的分辨力，偏離焦距區(qū)域的橫孔成像質(zhì)量下降明顯。相比之下，DDF在更大的深度范圍內(nèi)都能獲得較好的分辨力。位于近場區(qū)的兩個橫孔，DDF可檢出，而標(biāo)準(zhǔn)相控陣聚焦則可能漏檢。（a）（b）不同深度橫孔標(biāo)準(zhǔn)相控陣聚焦與DDF成像比較：（a）標(biāo)準(zhǔn)相控陣聚焦；（b）DDF四、相控陣超聲聲束掃描方式（三）扇形掃描扇形掃描，又稱S掃描，是對固定數(shù)量的陣元，通過改變聚焦法則使得探頭在某個角度范圍內(nèi)進行掃描。扇形掃描有實際深度指示和體積校正的功能，缺陷的幾何位置可測，在實際檢測中很常用。扇形掃描示意圖在超聲相控陣檢測系統(tǒng)中，扇形掃描一般有以下四種聚焦方式可供選擇：（1）投影聚焦：所有聲束聚焦在垂直于楔塊底面的一個平面上，適用于檢測窄間隙焊縫。（2）真實深度聚焦：所有聲束聚焦在預(yù)設(shè)的某一個固定深度，不同角度聲束的聚焦深度相同，適用于內(nèi)壁疲勞裂紋的檢測。（3）半聲程聚焦：所有聲束聚焦在以單聲程為半徑的圓弧上，不同角度聲束的聚焦路程相同，是扇形掃描中常用的聚焦類型。（4）聚焦平面聚焦：所有聲束聚焦在自定義的任意平面，適用于焊縫中未熔合缺陷的檢測。扇形掃描的四種聚焦方式五、超聲相控陣的掃查圖像顯示模式（一）A掃描視圖A掃描視圖表示相控陣探頭接收到的超聲回波幅度與超聲傳播時間的關(guān)系，可為射頻信號或檢波信號，所有相控陣掃查圖像均由A掃描信號轉(zhuǎn)換而來，對于A掃描顯示的射頻信號，可利用系統(tǒng)中的相關(guān)功能分析其頻譜。S掃描視圖（扇形顯示或方位角顯示）是超聲相控陣特有的顯示方式，是延時和折射角經(jīng)校正后的特定通道內(nèi)所有A掃描信號的二維圖形顯示。典型的S掃描是用相同的陣元組聚焦在相同深度，通過一定角度的掃查獲得。（二）S掃描視圖A掃描視圖S掃描視圖五、超聲相控陣的掃查圖像顯示模式（三）B掃描視圖B掃描視圖是超聲相控陣系統(tǒng)記錄接收超聲波數(shù)據(jù)的二維顯示圖，通常水平軸表示掃查位置，垂直軸表示超聲聲程，也可根據(jù)顯示的需要反轉(zhuǎn)各軸。在對焊縫進行超聲檢測時，B掃描顯示為焊縫寬度方向上的橫截面圖像，可顯示缺陷的深度和寬度。C掃描視圖是被檢工件俯視圖的超聲數(shù)據(jù)二維顯示。對于超聲相控陣，一軸為機械軸，另一軸則為電子掃描軸。在C掃描圖像上，僅顯示每個點的最大波幅，從圖中可以獲得缺陷的水平位置信息，但不能獲得缺陷深度信息。（四）C掃描視圖（五）D掃描視圖D掃描視圖也是超聲數(shù)據(jù)的二維圖形顯示，一軸是進位軸，另一軸是超聲軸。它和B掃描顯示類似，如果B掃描視圖是側(cè)視圖，則D掃描視圖就是端視圖，具體情況由放置探頭的傾角來定。B掃描、C掃描、D掃描視圖六、相控陣探頭及聲場（一）相控陣探頭的類型按照陣元排列方式的不同，相控陣探頭有一維陣列、二維陣列和環(huán)陣等多種類型。其中，一維線陣探頭結(jié)構(gòu)相對簡單，超聲發(fā)射和接收的通道數(shù)較少，通用性好。一維陣列探頭產(chǎn)生的聲束僅能在x方向（陣元分布方向）聚焦，聲束焦點具有較大尺寸，對小缺陷的檢測能力較弱。相比于一維陣列探頭，二維陣列探頭能夠控制超聲波束在一定的三維空間進行偏轉(zhuǎn)和聚焦，具有更強的聲束控制能力。典型的超聲相控陣探頭類型一維陣列和二維陣列的聲束掃查方式六、相控陣探頭及聲場（二）相控陣探頭的陣元及孔徑一維線陣探頭陣元參數(shù)主要包括陣元數(shù)（N），陣元寬度（e）、陣元芯距（d）、陣元間距（g）、主動窗孔徑（A）以及從動窗孔徑（W）等。一維線陣探頭陣元的相關(guān)參數(shù)陣元數(shù)（N）：相控陣探頭包含的單個陣元數(shù)量為陣元數(shù)。陣元數(shù)增加可增加主瓣幅值，抑制旁瓣，有利于提高相控陣超聲探頭品質(zhì)。但會導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，綜合考慮，一般選擇16或32個。陣元寬度（e）：指單個壓電陣元的寬度。陣元寬度主要影響相控陣探頭的旁瓣和主瓣聲壓。六、相控陣探頭及聲場（二）相控陣探頭的陣元及孔徑陣元間距（g）：指相鄰兩陣元的絕緣寬度。陣元芯距（d）：指相鄰兩陣元中心的距離。陣元芯距會影響超聲波穿透能力、聲束的偏轉(zhuǎn)能力，以及陣元間的串?dāng)_信號、旁瓣信號，陣元芯距的選擇對檢測應(yīng)用至關(guān)重要。主動窗孔徑（D）：指探頭陣列受激勵的總長度。主動窗孔徑越大，探頭穿透能力越強，能夠聚焦的深度范圍越大，相應(yīng)的探頭尺寸也越大。主動窗孔徑長度由下式給出：從動窗孔徑（W）：指陣列探頭寬度。從動窗孔徑對檢測靈敏度和缺陷長度定量有較大影響。推薦的從動窗孔徑由探頭頻率和聚焦深度范圍決定：六、相控陣探頭及聲場（三）相控陣探頭的聲場分析相控陣探頭的聲場理論是超聲相控陣檢測的基礎(chǔ)。此處以一維線陣探頭為例說明相控陣探頭的聲場。一維線陣探頭的指向性函數(shù)由乘積定理可求出。乘積定理：由相同特征的陣元組成陣列后的指向性函數(shù)，等于單個陣元的指向性函數(shù)與當(dāng)每個陣元由位于其中心位置的點聲源代替時的指向性函數(shù)的乘積：因此，對于由N個線源組成的均勻線陣當(dāng)各陣元以相同的頻率、相位和振幅振動時，其聲壓歸一化指向性函數(shù)為：式中，d是相鄰陣元的間距，W是線源的長度，θ1是聲線在xoz平面上的投影與z軸的夾角，θ2是聲線在yoz平面上的投影與z軸的夾角，k是角波數(shù)，k=2π/λ。六、相控陣探頭及聲場（三）相控陣探頭的聲場分析當(dāng)陣元間距等于3mm、波長等于2.05mm、陣元數(shù)等于16時，由一維陣列的指向性函數(shù)可計算得到均勻線陣在xoz平面的聲壓指向性，如下圖。從圖中可以看出，在0°方向出現(xiàn)了一個相對幅值為1的聲壓極大值，這是主瓣。在主瓣的兩邊各出現(xiàn)了一個相對幅值也為1的極大值，稱為柵瓣；在主瓣和柵瓣之間可見許多幅值較小的尖峰，稱作旁瓣。一維線陣及其計算坐標(biāo)均勻條形線陣在xoz平面的聲壓指向性圖六、相控陣探頭及聲場（四）相控陣超聲檢測分辨率及影響因素相控陣超聲檢測的成像質(zhì)量是衡量系統(tǒng)檢測能力的重要依據(jù)，它主要取決于相控陣超聲探頭的聲束特性，對于相控陣超聲探頭，有五種分辨率值得考慮。1.近表面分辨率和遠(yuǎn)表面分辨率近表面分辨率：指離掃查表面的最小可檢測距離，孔徑越大，增益越大，則盲區(qū)越大。遠(yuǎn)表面分辨率：指離試件內(nèi)表面的最小可檢測距離，具體為對離試件內(nèi)表面1到5mm的反射體（橫通孔或平底孔），超聲相控陣探頭能區(qū)分其回波與底面回波。近表面分辨率和遠(yuǎn)表面分辨率示意圖六、相控陣探頭及聲場（四）相控陣超聲檢測分辨率及影響因素2.橫向分辨率橫向分辨率，也稱側(cè)向分辨率，指超聲相控陣探頭能區(qū)分（缺陷回波峰谷差值達到6dB以上）位于同一深度的相鄰缺陷的最小距離。通常，橫向分辨率由系統(tǒng)脈沖回波響應(yīng)主瓣的-6dB寬度來評估，是超聲相控陣系統(tǒng)成像真實分辨率的粗略估計。橫向分辨率示意圖六、相控陣探頭及聲場（四）相控陣超聲檢測分辨率及影響因素3.縱向分辨率縱向分辨率，也稱軸向分辨率，指超聲相控陣探頭在同一角度下能區(qū)分（缺陷回波峰谷差值達到6dB以上）沿聲束軸線上不同深度缺陷的最小距離。超聲脈沖發(fā)射持續(xù)時間越短，即脈沖寬度越小，縱向分辨力越高?？v向分辨率示意圖六、相控陣探頭及聲場（四）相控陣超聲檢測分辨率及影響因素4.角度分辨率角度分辨率，指能區(qū)分位于相同深度的相鄰缺陷A掃描信號的最小角度。角度分辨率示意圖5.對比度分辨率對比度分辨率表征缺陷與背景在色彩灰度上的差異，主要由檢測系統(tǒng)信噪比和AD采樣精度位數(shù)決定，該指標(biāo)越好，圖像越細(xì)膩柔和，細(xì)節(jié)信息越豐富。七、相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用（一）技術(shù)特點優(yōu)點：可以靈活、便捷而有效地控制聲束指向、波前形狀及聲壓分布；其焦柱長度、焦點位置和焦斑大小在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動態(tài)可調(diào)；通過相位控制可以快速偏轉(zhuǎn)或者移動聲束實現(xiàn)掃查。由于各聲束在焦點處的相干疊加，缺陷檢測信號的信噪比有顯著提高。局限性：檢測參數(shù)多，對操作人員要求高，數(shù)據(jù)分析和缺陷評定要求高等。七、相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用（二）應(yīng)用情況1.提高檢測效率和缺陷檢出率采用相控陣超聲探頭配合掃查器進行碳鋼、合金鋼管道焊縫檢測，通過設(shè)置合適的工藝參數(shù)，能夠在現(xiàn)場方便地實施快速掃查和高效檢測。對于形狀簡單規(guī)則的板、管等結(jié)構(gòu)，一般而言，相控陣超聲檢測速度比傳統(tǒng)檢測方法能提高5~10倍。傳統(tǒng)超聲檢測采用普通單晶片探頭，進入到工件的聲束角度有限且固定，探頭移動距離有限，方向不利或者遠(yuǎn)離聲束軸線位置的缺陷很容易漏檢。超聲相控陣能夠控制超聲波在工件中的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦掃描，即使是遠(yuǎn)離聲束軸線，隨機分布在不同方位的裂紋，相控陣超聲也能以鏡面反射方式有效檢出。常規(guī)單晶片探頭超聲和相控陣超聲的多向裂紋檢測比較：（a）常規(guī)超聲檢測；（b）相控陣超聲檢測碳鋼管道焊縫相控陣超聲檢測：(a)帶有兩個探頭的管道掃查器；(b)激光對中裝置七、相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用（二）應(yīng)用情況2.復(fù)雜幾何形狀工件的超聲檢測在對幾何形狀復(fù)雜的工件進行超聲檢測時，傳統(tǒng)的單探頭超聲檢測實施困難。利用相控陣超聲進行檢測，可靈活控制聲束在不同方向、不同區(qū)域的掃描，在不移動或少移動探頭的情況下即可實現(xiàn)對復(fù)雜形狀工件的高效檢測。反應(yīng)堆容器管座焊縫及其根部相控陣超聲檢測轉(zhuǎn)子焊接區(qū)的相控陣超聲檢測七、相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用（二）應(yīng)用情況3.粗晶高衰減材料的超聲檢測奧氏體不銹鋼粗晶材料曾被視為傳統(tǒng)超聲檢測的“禁區(qū)”，檢測難點主要表現(xiàn)為高衰減、檢測信噪比低，檢測靈敏度和分辨率差。相控陣超聲為解決此類檢測難題提供了解決途徑。使用一發(fā)一收縱波面陣探頭，盡可能消除反射法檢測盲區(qū)，同時利用相控陣超聲對聲束的調(diào)控優(yōu)勢獲得更大的聚焦深度，且在所有深度范圍內(nèi)保持良好的側(cè)向分辨率，提高對不同取向缺陷的檢出率，壓電晶片的高阻尼特性又提高了軸向分辨率和信噪比。目前，低頻一發(fā)一收縱波相控陣檢測技術(shù)已在“華龍一號”全球首堆核電示范工程福清5#機組等多個核電機組推廣應(yīng)用。奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測焊縫試塊及人工槽模擬的側(cè)壁未熔合全聚焦成像相控陣超聲扇掃描圖像相位相干處理后的圖像七、相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用（二）應(yīng)用情況4.不規(guī)則工件超聲檢測耦合問題對于形狀不規(guī)則的工件，相控陣探頭與工件之間的耦合是困擾檢測人員的問題。為此，法國原子能委員會（CEA）研制出了“柔性”相控陣探頭，其各陣元幾何位置可靈活改變，從而緊貼在各種形狀曲面上，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，“柔性”相控陣探頭的應(yīng)用尚未普及。大連理工大學(xué)推出一種固體柔性聲耦合楔塊。這種聲楔塊是固體介質(zhì)，透聲性好，且柔性可變形、裁剪方便，可根據(jù)工件的形狀規(guī)格進行仿形定制，能夠顯著改善楔塊與工件之間的耦合效果。配套了固體柔性聲耦合楔塊的相控陣超聲檢測技術(shù)目前已用于核工程厚壁壓力容器以及航空復(fù)材構(gòu)件的現(xiàn)場檢測，相控陣超聲技術(shù)的優(yōu)勢在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的檢測中得以進一步充分體現(xiàn)，十分高效便捷。航空復(fù)合材料R角相控陣超聲檢測（a）固體柔性聲耦合楔塊；（b）R角耦合楔塊及工裝；（c）R角相控陣超聲檢測成像八、相控陣全聚焦超聲檢測技術(shù)（一）相控陣全聚焦超聲檢測原理概述全聚焦方法是一種后處理成像技術(shù)，由英國Bristol大學(xué)Homles等于2004年首先提出，以全矩陣捕捉技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個檢測區(qū)域各位置點的聚焦成像顯示，以獲得最佳成像質(zhì)量，被認(rèn)為是相控陣超聲成像技術(shù)領(lǐng)域的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。包含N個陣元的線性陣列探頭在進行全矩陣數(shù)據(jù)采集時，所有活動陣元順序發(fā)射，同時各自獨立地接收超聲回波信號，共獲得N2個A掃描信號。全矩陣捕捉技術(shù)原理示意圖八、相控陣全聚焦超聲檢測技術(shù)（一）相控陣全聚焦超聲檢測原理概述全聚焦成像算法采用離線計算的方式對全矩陣數(shù)據(jù)進行分析，通過對全矩陣數(shù)據(jù)執(zhí)行“延遲與疊加”后處理，可將檢測區(qū)域內(nèi)各位置點的反射回波同相位疊加，實現(xiàn)聚焦成像。對于聚焦點(x,z)，其全聚焦成像幅值I(x,z)可由如下公式求得：式中，tij(x,z)表示聲波由陣元i發(fā)射傳播至成像點，并經(jīng)反射后返回至接收陣元j所需時間。全聚焦方法原理示意圖八、相控陣全聚焦超聲檢測技術(shù)（二）全聚焦與常規(guī)相控陣超聲檢測方法的比較全聚焦方法能夠?qū)崿F(xiàn)待檢測區(qū)域逐點聚焦，成像分辨力具有空間一致性，盲區(qū)小，可提高焊縫及鄰近定向缺陷(裂紋類面型缺陷)的檢出率，且有利于薄壁工件及近表面缺陷的檢測。但是，全聚焦數(shù)據(jù)量比常規(guī)相控陣超聲大幾個數(shù)量級，對系統(tǒng)計算處理能力要求明顯提高。實際應(yīng)用中，通常首先采用相控陣超聲技術(shù)進行檢測，如需要對局部區(qū)域進行精細(xì)表征，可采用高分辨率的全聚焦成像和分析工具。第八節(jié)超聲TOFD檢測技術(shù)第一章超聲檢測

一、TOFD檢測原理超聲波衍射時差(UltrasonicTimeofFlightDiffraction)，簡稱TOFD，20世紀(jì)70年代由英國哈威爾無損檢測中心提出，利用缺陷端部的衍射波來檢出缺陷并對其進行定量。TOFD法具有精度高、檢測快捷、實時成像、檢測數(shù)據(jù)易保存等優(yōu)點。在核工業(yè)、電力和石油化工等領(lǐng)域的在役設(shè)備檢驗中得到廣泛應(yīng)用。TOFD檢測時采用一對頻率、尺寸、角度都相同的縱波斜探頭，一發(fā)一收，發(fā)射探頭向被檢工件發(fā)射超聲波，一部分聲波沿物體表面?zhèn)鞑?，直接被接收探頭接收，具有傳播時間最短的特點，對應(yīng)于圖的①直通波。當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時，超聲波在缺陷上下端點分別發(fā)生衍射，相應(yīng)的衍射波②和③在直通波之后到達接收探頭。此外，探頭還能接收到工件底面的反射回波④。TOFD檢測原理示意圖二、TOFD檢測圖像TOFD檢測圖像由一維射頻A掃描信號和能夠顯示缺陷深度及位置信息的二維灰度圖像構(gòu)成。A掃描信號對應(yīng)某一位置沿焊縫厚度方向的檢測情況，其縱坐標(biāo)代表信號的幅度，橫坐標(biāo)反映超聲波傳播時間，射頻信號能夠體現(xiàn)波的相位信息。TOFD灰度圖像由大量A掃描信號構(gòu)成，，灰度圖像的橫坐標(biāo)表示探頭位移，數(shù)值代表掃查距離的長短；縱坐標(biāo)表示聲時，代表信號傳播的時間，可以直觀記錄缺陷信息，有利于缺陷的識別與判讀。TOFDA掃描信號與灰度圖像轉(zhuǎn)換示意圖三、TOFD掃描方式非平行掃描：即D掃描，探頭沿焊縫方向移動，探頭聲束出射面與探頭移動方向垂直。目的是用來確定檢測對象內(nèi)部缺陷情況，如缺陷數(shù)量、深度、長度等信息。平行掃描：也稱為B掃描，探頭垂直于焊縫方向移動，探頭聲束出射面與探頭移動方向平行，用來輔助D掃描，對已發(fā)現(xiàn)的缺陷進行精確定位及定量。TOFD掃描方式示意圖四、TOFD參數(shù)選擇TOFD檢測參數(shù)主要包括探頭頻率、探頭尺寸、探頭角度以及探頭中心間距。根據(jù)超聲探頭半擴散角公式可知，TOFD探頭頻率和探頭尺寸共同決定了探頭的聲束擴散范圍：式中，γ

是發(fā)射聲束半擴散角；D是探頭尺寸；cp是縱波聲速；f

是探頭頻率；F是聲束擴散因子，TOFD中一般取其值為0.7，對應(yīng)的γ

值表示聲束幅值下降12dB時的擴散角度。由上式可以看出，探頭尺寸和探頭頻率越小，聲束擴散角度越大，即檢測覆蓋范圍越大。但探頭頻率越小，會導(dǎo)致檢測分辨率降低，因此頻率的選擇需要綜合考慮檢測分辨率、工件厚度、衰減等。探頭的角度和探頭中心間距（