超聲波檢測方法分類與特點

超聲波檢測方法分類與特點概述1、按原理分類：UT脈沖反射法衍射時差法（TOFD）穿透法共振法概述2．按顯示方式分類：UTA型顯示超聲成像顯示B型顯示C型顯示D型顯示S型顯示P型顯示概述

3．按波型分類：UT縱波法橫波法表面波法板波法爬波法概述

4、按探頭數(shù)目分類：UT單探頭法雙探頭法多探頭法概述

5、按探頭與試件的接觸方式分類：UT接觸法液浸法電磁耦合法概述

6、按人工干預的程度分類：UT手工檢測自動檢測概述每一個具體的超聲檢測方法都是上述不同分類方式的一種組合，如最常用的：單探頭橫波脈沖反射接觸法（A型顯示）。每一種檢測方法都有其特點和局限性，針對每一檢測對象所采用的不同的檢測方法，是根據(jù)檢測目的及被檢工件的形狀尺寸、材質(zhì)等特征來進行選擇的。5.1按原理分類的超聲檢測方法

超聲檢測方法按原理分類，可分為脈沖反射法、衍射時差法、穿透法和共振法。5.1.1脈沖反射法超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢工件內(nèi)，通過觀察來自內(nèi)部缺陷或工件底面反射波的情況來對試件進行檢測的方法，稱為脈沖反射法。脈沖反射法缺陷回波法底波高度法多次底波法5.1.2衍射時差法1.定義：TimeOf

FlightDiffraction衍射時差法超聲檢測TOFD(timeofflightdiffraction)超聲波衍射時差法,是采用一發(fā)一收兩只探頭,利用缺陷端點處的衍射信號探測和測定缺陷尺寸的一種自動超聲檢測方法

TOFD基本結(jié)構(gòu)：一發(fā)一收雙探頭,寬角度縱波斜探頭（通常）2、TOFD檢測設(shè)備舉例設(shè)備參數(shù)：外形尺寸：45cm×30cm×22cm最大重量：12.8公斤脈沖輸出：50V～300V，1V步進；系統(tǒng)帶寬：（0.5~25）MHz；脈沖發(fā)射/接收器數(shù)量：16；增益范圍：（0~70）dB，每步0.1dB；檢波方式：全波，正半波，負半波，射頻；脈沖重復頻率：20KHz可調(diào)；檢測模式：PE、PC、TT、TOFD；編碼器：2個正交編碼器或數(shù)字輸入；記錄方式：時間，連續(xù)，位置或外部；實時平均次數(shù)：1～16高通濾波器：無，1,2,5,10MHz;A掃查長度：32～8092點3、TOFD檢測顯示示例4、物理基礎(chǔ)－衍射5.1.3穿透法穿透法是采用一發(fā)一收雙探頭分別放置在試件相對的兩端面，依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來檢測試件缺陷的方法特點：一收一發(fā)，超聲波通過檢測區(qū)域，指示透過聲波幅度。應用：復合材料；非金屬材料；粗晶材料；粘接或焊接質(zhì)量。發(fā)展：早期采用單頻連續(xù)波；脈沖波；調(diào)制脈沖波。被脈沖回波檢測儀取代。5.1.4共振法依據(jù)試件的共振特性來判斷缺陷情況和工件厚度變化情況的方法稱為共振法。常用于試件測厚。共振法測厚的原理見4.1.6，目前已很少使用共振法測厚。特點：連續(xù)波工作，自收自發(fā)，超聲波和工件相互作用，指示振蕩峰值頻率或自振頻率計數(shù)。應用：復合材料結(jié)構(gòu)；非金屬材料粘接；厚度測量。發(fā)展：儀器掃頻；系統(tǒng)自振。5.2A型顯示和超聲成像5.2A型顯示和超聲成像按超聲信號的顯示方式，可將超聲檢測方法分為A型顯示和超聲成像方法，其中超聲成像顯示按成像方式的不同又可再分為B、C、D、S、P型顯示等。5.1.1A型顯示

A型顯示是一種波形顯示，是將超聲信號的幅度與傳播時間的關(guān)系以直角坐標的形式顯示出來，橫坐標代表聲波的傳播時間，縱坐標代表信號幅度。A型顯示是最基本的一種信號顯示方式。

此時，示波管的電子束是振幅調(diào)制的。換言之，A型顯示的內(nèi)容是探頭駐留在工件上某一點時，沿聲束傳播方向的回波振幅分布。

結(jié)合脈沖放射法的A型顯示超聲檢測是目前用的最多的一種方法，目前特種設(shè)備行業(yè)常用的JB/T4730.3－2005標準規(guī)定的就是A型脈沖反射法超聲檢測，采用該方法時，檢測結(jié)果受檢測人員的素質(zhì)、經(jīng)驗等人為因素影響較大。特點：自收自發(fā)或一發(fā)一收，顯示測量接收脈沖信號的傳輸時間和幅度。應用：一般金屬，非金屬的無損檢測。模擬A掃顯示；傳輸延時比例；回波幅度比較數(shù)字化A掃顯示；參數(shù)化控制和讀數(shù)A型顯示（幅度-時間曲線記錄）5.1.2超聲成像方法超聲成像就是用超聲波獲得物體可見圖像的方法。由于聲波可以穿透很多不透光的物體，故利用聲波可以獲得這些物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)聲學特性的信息，超聲成像技術(shù)將這些信息變成人眼可見的圖像，即可以獲得不透光物體內(nèi)部聲學特性分布的圖像。物體的超聲圖像可提供直觀和大量的信息，直接顯示物體內(nèi)部情況，且可靠性、復現(xiàn)性高，可以對缺陷進行定量動態(tài)監(jiān)控。一般而言，超聲成像方法是基于A型顯示形成的工件不同截面的圖像顯示，大都具有自動數(shù)據(jù)采集、自動數(shù)據(jù)處理和自動作出評價的功能。超聲成像方法發(fā)展到現(xiàn)代，主要采用掃描接收信號、再進行圖像重構(gòu)的方式，因此又稱為超聲掃描成像技術(shù)，起初主要為B、C掃描成像，隨后為檢測焊縫而開發(fā)出D、P掃描（投影掃描成像）；因為相控陣技術(shù)的出現(xiàn)，又出現(xiàn)S掃描（扇形掃描成像）等。而對應的，A型顯示又可稱為A掃描顯示。探頭掃查位置相關(guān)的圖象顯示（B掃描成像，C掃描成像，D掃描成像，P掃描成像，TOFD掃查成像，合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT），波峰延時定位技術(shù)（ALOK））陣元探頭相位控制，合成聲束技術(shù)（移動，轉(zhuǎn)角，聚焦，采樣相控陣技術(shù)（SAMPLINGPHASEDARRAY）1.B、C、D掃描成像扇形B掃描線形B掃描組合B掃描B型顯示（亮度-時間掃查記錄）B型顯示(斜探頭PE平行掃查)B型顯示(TOFD非平行掃查)相控陣線掃和扇掃的B掃描成像B型顯示(TOFD平行掃查)C型顯示（）D掃顯示2.P掃描成像P掃描是“投影成像掃描”的簡稱，是專為檢測焊縫而開發(fā)的，其工作原理如圖516所示。兩個斜探頭位于焊縫兩側(cè)并按事先規(guī)劃好的方式掃查，掃查可手動或自動。測到的聲波以1dB甚至更小的精度記錄于硬盤上，然后，將測得的結(jié)果送入P掃描處理器，它以聲線理論為基礎(chǔ)進行計算，并將計算結(jié)果以兩個投影圖的方式顯示：一個是俯視圖，投影面平行于表面；另一個是側(cè)視圖，投影面平行于焊縫，且垂直于表面。P掃描實際上是一種同時顯示C掃描圖像（側(cè)視）和D掃描圖像（側(cè)視）的商品化成像系統(tǒng)3.ALOK超聲成像

ALOK（德文）是“振幅一傳播時間一位置曲線”的縮寫，其成像基本原理如圖5-17所示。在采集數(shù)據(jù)時不加時間閘門，測量系統(tǒng)記下探頭在各測量點Pi得到的回波串中所有的正峰值及其出現(xiàn)的時間。ALOK允許32個不同的探頭同時在線收集數(shù)據(jù)。成像和數(shù)據(jù)分析事后在計算機上進行。根據(jù)幾何聲學原理，回波的傳播時間r．k在重構(gòu)空間中確定了圓心在測量點P。半徑rik—Cik/V的一條圓弧。許多圓弧的交點就是重構(gòu)出的缺陷的像點，回波振幅用來對重建圖像作修正。振幅修正后可提高信噪比約20dB。ALOK成像系統(tǒng)已試用于核電站作役前和在役超聲檢測。它是目前獲得實際應用的少數(shù)高級成像系統(tǒng)之一。4相控陣和S掃描成像超聲相控陣技術(shù)是借鑒相控陣雷達技術(shù)的原理而發(fā)展起來的。超聲檢測中，往往要進行聲束掃描。常用的快速掃描方式有機械掃描和電子掃描。機械掃描又分為線掃描、扇形掃描、弧形掃描和圓周掃描等幾種形式，而電子掃描則也有線形和扇形掃描兩種形式。相控陣成像是通過控制換能器陣列中各陣元激勵（或接收）脈沖的時間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達（或來自）物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，就可實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化，從而可進行掃描成像。

相控陣探頭的特點：壓電晶片不再是一個整體，而是由多個獨立小晶片單元組成的陣列，常見的有直線排列的線陣、環(huán)形排列的面陣探頭等，如圖5-18所示。

相控陣儀器：與探頭陣列相對應，儀器中用于發(fā)射和接收信號的電路是多通道的，每一個通道接一個陣元。根據(jù)所需發(fā)射的聲束特征，由儀器軟件計算各通道的相位（延遲）關(guān)系，并控制發(fā)射／接收移相控制器，從而形成所需的聲束和接收信號。相控陣聲束偏轉(zhuǎn)和聲束聚焦的原理：

為了實現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)，相當于要使波陣面以一定的角度傾斜，也就是說，要使各陣元發(fā)出的聲波在與探頭成一定角度的平面上具有相同的相位，如圖5-19所示。這時，需要使各單元的激勵脈沖從左到右等間隔增加延遲時間，使得合成波陣面具有一個傾角，實現(xiàn)了聲束方向的偏轉(zhuǎn)。通過改變延時間隔，可以調(diào)整聲束角度。相控陣可實現(xiàn)多種掃描成像方式，如前所述的B、C、D掃描成像，較為特殊的是還可形成S掃描成像，即在某入射點形成一定角度的扇形掃查范圍，又稱扇形掃描成像，如圖5-21所示。超聲相控陣技術(shù)的優(yōu)勢在于：(1)由于可采用電子控制方法控制聲束進行掃查，可在不移動或少移動探頭的情況下進行快速線掃查或扇形掃查，從而大大提高了檢測效率。(2)由于可對聲束角度進行控制，具有良好的聲束可達性，通過多個檢測角度的設(shè)定，可以進行復雜形狀和在役零件的檢測。如核反應堆壓力容器管嘴和其他接頭、摩擦焊發(fā)動機組件、發(fā)動機盤件及葉片的根部和葉盤結(jié)合部的檢測。(3)通過動態(tài)控制聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，可以實現(xiàn)焦點位置的動態(tài)控制，避免了普通聚焦探頭為實現(xiàn)全深度聚焦檢測而對不同深度范圍頻繁更換探頭的麻煩。英國TDFOCUS-SCAN多功能超聲相控陣探傷儀一、TDFOCUS-SCAN超聲相控陣主機

1、硬件規(guī)格128/64/16

128晶片

/64有源

/16常規(guī)晶片數(shù)量

128個晶片

+16個常規(guī)晶片激活通道數(shù)量

可達64個

動態(tài)深度聚焦

是管道腐蝕成像三視圖檢測5.3按波型分類的超聲檢測方法縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等5.3.1縱波法

使用縱波進行檢測的方法，稱為縱波法。

在同一介質(zhì)中傳播時，縱波速度大于其他波型的速度，穿透能力強，對晶界反射或散射的敏感性不高，所以可檢測工件的厚度是所有波型中最大的，而且可用于粗晶材料的檢測。1．縱波直探頭法

使用縱波直探頭進行檢測的方法，稱為縱波直探頭法。

波束垂直入射至工件檢測面，以不變的波型和方向透人工件，所以又稱垂直入射法，簡稱垂直法，如圖5-22所示。垂直法分為單晶直探頭脈沖反射法、雙晶直探頭脈沖反射法和穿透法。

常用的是單、雙晶直探頭脈沖反射法。單直探頭，由于遠場區(qū)接近于按簡化模型進行理論推導的結(jié)果，可用當量法對缺陷進行評定；同時由于盲區(qū)和分辨力的限制，只能發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部離檢測面一定距離以外的缺陷。雙晶直探頭利用兩個晶片一發(fā)一收，很大程度上克服了單直探頭盲區(qū)的影響，因此適用于檢測近表面缺陷和薄壁工件。垂直法主要用于鑄造、鍛壓、軋材及其制品的檢測，該法對于與檢測面平行的缺陷檢出效果最佳。由于垂直法檢測時，波型和傳播方向不變，所以缺陷定位比較方便。2．縱波斜探頭法

將縱波傾斜入射至工件檢測面，利用折射縱波進行檢測的方法，稱為縱波斜探頭法。此時，入射角小于第一臨界角a一，工件中既有縱波也有橫波，由于縱波傳播速度快，幾乎是橫波的兩倍，因此可利用縱波來識別缺陷和定量，但注意不要與橫波信號混淆。

小角度縱波斜探頭：探頭移動范圍較小、檢測范圍較深的一些部件，如從螺栓端部檢測螺栓，多層包扎設(shè)備的環(huán)焊縫等。粗晶材料，如奧氏體不銹鋼焊接接頭的檢測。TOFD檢測技術(shù)使用的探頭一般也為縱波斜探頭。5.3.2橫波法

將縱波傾斜入射至工件檢測面，利用波型轉(zhuǎn)換得到橫波進行檢測的方法，稱為橫波法。由于入射聲束與檢測面成一定夾角，所以又稱斜射法。

斜射聲束的產(chǎn)生通常有兩種方式：

接觸法時采用斜探頭，由晶片發(fā)出的縱波通過一定傾角的斜楔到達接觸面，在界面處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，在工件中產(chǎn)生折射后的斜射橫波聲束；

利用水浸直探頭，在水中改變聲束入射到檢測面時的入射角，從而在工件中產(chǎn)生所需波型和角度的折射波。橫波法主要用于焊接接頭和管材的檢測，是目前特種設(shè)備行業(yè)中應用最多的一種方法。檢測其他工件時，則作為一種有效的輔助手段，用以發(fā)現(xiàn)與檢測面有一定傾角的缺陷。5.3.3表面波檢測

使用表面波進行檢測的方法，稱為表面波法。對于近表面缺陷的檢測，表面波是有效的檢測方法。(1)一部分聲波在裂紋開口處仍以表面波的型式被反射，并沿物體表面返回。(2)一部分聲波仍以表面波的形式沿裂紋表面繼續(xù)向前傳播，傳播到裂紋頂端時，部分聲波被反射而返回，部分聲波繼續(xù)以表面波的形式沿裂紋表面向前傳播。(3)一部分聲波在表面轉(zhuǎn)折處或裂紋頂端轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰v波和變形橫波，在物體內(nèi)部傳播。在表面波檢測中，主要利用表面波的上述特性來檢測表面和近表面裂紋。影響表面波傳播的其他因素油表面光潔度和材料組織圓柱曲面5.3.4板波檢測使用板波進行檢測的方法，稱為板波法。主要用于薄板、薄壁管等形狀簡單的工件檢測。1．板波的種類板波充塞于整個試件，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的和表面的缺陷。但是檢出靈敏度除取決于儀器工作條件外，還取決于波的形式。

根據(jù)質(zhì)點振動情況分類:

質(zhì)點振動方向與表面平行的橫波（簡稱SH波）射向邊界面時，反射波仍然是SH波。SH波如果射向薄板，就在薄板中產(chǎn)生SH型板波，如圖5-40a所示。

如在板中傳播的波中既有振動方向與板面垂直的橫波（簡稱SV波），又含有振動方向與板面平行的縱波（簡稱P波）時，這種板波叫做蘭姆波。

根據(jù)邊界條件分類:根據(jù)板的變形分類2.蘭姆波的產(chǎn)生

選擇不同的板波型式是靠選擇探頭入射角來實現(xiàn)的，這可以比較直觀地用圖5-42所示來解釋。為了獲得比較強的板波，總是希望外力的節(jié)奏與板中振動合拍，即共振。2.蘭姆波的傳播特點（1）衰減的非單調(diào)變化（2）反射時蘭姆波波型的變化（3）板波回波信號的寬度3.板波檢測的一般程序

a、盡可能選用寬的發(fā)射脈沖

b、制作一個與被測板材料相同的對比試塊

c、選擇合適的波型根據(jù)波型、頻率乘板厚的數(shù)值，從相應的圖中查得入射角

d、根據(jù)入射角選擇合適的探頭，在試塊上調(diào)整掃描速度

e、根據(jù)人工缺陷的反射，選擇合適的探測靈敏度

f、檢測時注意點5.3.5爬波法

當縱波從第一種介質(zhì)以第一臨界角附近的角度（±30。以內(nèi)）入射于第二種介質(zhì)時，在第二種介質(zhì)中不但存在表面縱波，而且還存在斜射橫波，如圖5-47所示。通常把橫波的波前稱為頭波，把沿介質(zhì)表面下一定距離處在橫波和表面縱波之間傳播的峰值波稱為縱向頭波或爬波。5.4按探頭數(shù)目分類的檢測方法5.4.1單探頭法使用一個探頭兼作發(fā)射和接收超聲波的檢測方法稱為單探頭法。對于與波束軸線垂直的片狀缺陷和立體型缺陷的檢出效果最好。與波束軸線平行的片狀缺陷難以檢出。當缺陷與波束軸線傾斜時，則根據(jù)傾斜角度的大小，能夠收到部分回波或者因反射波束全部反射在探頭之外而無法檢出。5.4.2雙探頭法使用兩個探頭（一個發(fā)射，一個接收）進行檢測的方法稱為雙探頭法。主要用于發(fā)現(xiàn)單探頭法難以檢出的缺陷。

雙探頭法又可根據(jù)兩個探頭排列方式和工作方式進一步分為并列式、交叉式、V型串列式、K型串列式、串列式等。5.4.3多探頭法使用兩個以上的探頭組合在一起進行檢測的方法，稱為多探頭法。

多探頭法的應用，主要是通過增加聲束來提高檢測速度或發(fā)現(xiàn)各種取向的缺陷。

通常與多通道儀器和自動掃查裝置配合5.5按探頭接觸方式分類的檢測方法接觸法、液浸法和電磁耦合法。5.5.1接觸法和液浸法

探頭與試件探測面之間，涂有很薄的耦合劑層，因此可以看作為兩者直接接觸，這種檢測方法稱為直接接觸法，或簡稱接觸法。

將探頭和工件浸于液體中以液體作耦合劑進行檢測的方法，稱為液浸法。耦合劑可以是水，也可以是油。當以水為耦合劑時，稱為水浸法。液浸法檢測，探頭不直接接觸試件，所以此方法適用于表面粗糙的試件，探頭也不易磨損，耦合穩(wěn)定，探測結(jié)果重復性好，便于實現(xiàn)自動化檢測。5.5.1接觸法和液浸法接觸法和液浸法特點比較：（1）接觸法優(yōu)點：（2）接觸法缺點：（3）液浸法優(yōu)點：（4）液浸法缺點：在實際檢測時，應根據(jù)應用的對象、目的和場合，結(jié)合兩種方法的優(yōu)缺點綜合選擇。

液浸分類：分為全浸沒式和局部浸沒式。(1)全浸沒式被檢工件全部浸沒于液體之中，適用于體積不大，形狀簡單的工件檢測，如圖5-51a所示。(2)局部浸沒式把被檢工件的一部分浸沒在水中或被檢工件與探頭之間保持一定的水層而進行檢測的方法，適用于大體積工件的檢測。局部浸沒法又分為噴液式、通水式和滿溢式。1)噴液式

超聲波通過以一定壓力噴射至檢測表面的水柱耦合方式，如圖5-51b所示。2)通水式

借助于一個專用的有進水、出水口的液罩，使液罩內(nèi)經(jīng)常保持一定容量的液體，這種方法稱為通水式，如圖5-51c所示。3)滿溢式

滿溢式液罩結(jié)構(gòu)與通水式相似，但只有進水口，多余液體從罩的上部溢出，這種方法稱為滿溢式，如圖5-51d所示。根據(jù)探頭與工件檢測面之間液層的厚度，液浸法又可分為高液層法和低液層法。1．接觸法和液浸法特點比較(1)接觸法優(yōu)點

多為手工檢測，操作方便；設(shè)備簡單，適用于現(xiàn)場檢測，且成本較低；直接耦合，入射聲能損失小，可以提供較大的厚度穿透能力；在相同的檢測參數(shù)下，可比液浸法提供更高的檢測靈敏度。(2)接觸法缺點手工操作受人為因素影響較大，耦合不易穩(wěn)定；要求被檢表面的粗糙度較小。(3)液浸法優(yōu)點探頭與被檢工件不接觸，超聲波的發(fā)射和接收均較穩(wěn)定，表面粗糙度的影響較??；通過調(diào)節(jié)探頭角度，可方便的改變探頭發(fā)射的聲束方向；可縮小檢測盲區(qū)，從而可檢測較薄的工件；探頭不直接接觸工件，探頭損壞的可能性小，探頭壽命長；便于實現(xiàn)聚焦聲束檢測，滿足高靈敏度、高分辨率檢測的需要；便于實現(xiàn)自動檢測，減少影響檢測可靠性的人為因素。(4)液浸法缺點超聲波在液體和金屬表面的反射，損失了大量能量，需采用較高的增益。當檢測高衰減材料或大厚度材料時，可能沒有足夠的能量。在較高增益下，還可能出現(xiàn)噪聲干擾。

在實際檢測時，應根據(jù)應用的對象、目的和場合，結(jié)合兩種方法的優(yōu)缺點綜合選擇。5.5.2電磁耦合法采用電磁超聲探頭激發(fā)和接收超聲波的檢測方法，通常稱為電磁超聲檢測（EMAT）。探頭與工件之間無耦合劑，也不相互接觸。電磁超聲探頭結(jié)構(gòu)及工作原理見1、電磁超聲產(chǎn)生的機理2、電磁超聲激發(fā)和接收3、電磁超聲的特點和現(xiàn)狀5.6手工檢測和自動檢測按人工干預的程度分類，超聲檢測可分為手工檢測和自動檢測。5.6.1手工檢測手工檢測一般指由操作者手持探頭進行的A型脈沖反射式超聲檢測。手工檢測方便易操作，大量應用，JB/T4730.3-2005主要的適用范圍即為手工檢測。

檢測結(jié)果受操作者的人為因素影響是較大的檢測過程中的超聲信號無法連續(xù)記錄檢測結(jié)果的可靠性、復現(xiàn)性難以保證。5.6.2自動檢測

自動檢測指使用自動化超聲檢測設(shè)備，在最少的人工干