JI A N G S U U N I V E R S I T Y 超声波无损检测概述
学院名称：材料科学与工程
专业班级：金属1302
学生姓名：钱振
2016年10 月
超声波无损检测概述
钱振
3130702063，金属1302，材料科学与工程学院
摘要：超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。超声波检测应用主要包括在工业上对各种材料的检测和在医疗上对人体的检测诊断，通过它人们可以探测出金属等工业材料中有没有气泡、伤痕、裂缝等缺陷，可以检测出人们身体的软组织、血流等是否正常。运用超声检测的方法来检测的仪器称之为超声波探伤仪。超声检测方法通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。超声无损检测是物体无损检测的一种重要方法，几乎应用到所有工业部门。本文回顾了超声无损检测技术的发展历史，阐述了超声无损检测技术应用现状，并展望超声无损检测技术未来发展趋势。
关键词：超声波检测，无损检测，超声波检测的原理，应用
1.引言
超声检测是无损检测技术中研究和应用最活跃的方法之一。通过研究超声波在被检材料中传播时的变化情况来探测材料性能和结构变化。超声波用于无损检测主要具备以下优点[1]：
（1）检测范围广，能够进行金属、非金属和复合材料检测。
（2）波长短、方向性好、穿透能力强、缺陷定位准确、检测深度大。
（3）对人体和周围环境不构成危害。
（4）施加给工件的超声作用应力远低于弹性极限，对工件不会造成损害。
2.超声波无损检测的国内外研究情况和发展趋势
2.1 国外研究情况
国外对于超声波检测技术的研究始于上世纪二三十年代。1929 年苏联科学家Sokolov 利用连续超声波的穿透法研制成功了世界上第一台超声波检测装置。二战期间超声检测装置有了进一步发展，英国和美国分别于1944 年和1946 年成功制造出A 型脉冲发射式超声波探伤仪。20 世纪50 年代，A 型脉冲反式
超声波探伤仪已被广泛用于发达国家的机械、钢铁制造以及造船等工业[2]。20 世纪60 年代以后，随着电子技术和电子元器件的进步，超声波检测装置也有了较大的改进。1964 年德国Krautkramer 公司研制成功的小型超声检测设备成为了近代超声探伤技术的标志[3]。20 世纪80 年代，计算机技术和大规模集成电路
得到了快速发展，各公司开始了数字式超声检测装置的研制，特别是Krautkramer 公司生产的便携式数字化超声波探伤仪—USDI 型，代表着超声检测装置向数字化的发展趋势[4]。目前国外的许多知名公司（如美国的METEC 公司、德国的K —K 公司、西班牙的TECHATOM 公司等）生产的超声检测系统在信号采集、
分析和成像处理方面处于世界领先水平[1]。
2.2 国内研究情况
20 世纪50 年代，我国开始从国外引进模拟超声检测设备并应用于工业生产中。上世纪80 年代初，我国研制生产的超声波探伤设备在测量精度、放大器线性、动态范围等主要技术指标方面已有很大程度的提高[3]。80 年代末期，随
大规模集成电路的发展，我国开始了数字化超声检测装置的研制。近年来，我国的数字化超声检测装置发展迅速，已有多家专业从事超声检测仪器研究、生产的机构和企业（如中科院武汉物理研究所、汕头超声研究所、南通精密仪器有限公司、鞍山美斯检测技术有限公司等）[1]。目前，国内的超声超声检测装置正在向数字化、智能化的方向发展并且取得了一定的成绩。另外，国内许多领域（如航空航天、石油化工、核电站、铁道部等）的大型企业通过引进国外先进的成套设备和检测技术（如相控阵超声检测设备与技术和TOFD 检测设备与技术），既完善了国内的超声检测设备，又促进了超声无损检测技术的发展[5]。
2.3 超声波无损检测技术发展趋势
超声检测技术的应用依赖于具体检测工件的检测工艺和方法，同时，超声检测还存在检测的可靠性，缺陷的定量、定性、定位以及缺陷检出概率、漏检率、
检测结果重复率等问题，这些对超声检测仪器的研制提出了更高要求。
为克服传统接触式超声检测的不足，人们开始探索非接触式超声检测技术，提出了激光超声、电磁超声、空气耦合超声等。为提高检测效率，发展了相控阵超声检测。随着机械扫描超声成像技术的成熟，超声成像检测也得到飞速发展。目前，超声检测仪器已明显向检测自动化、超声信号处理数字化、诊断智能化、多种成像技术的方向发展[5-7]。
3.超声波检测的基本原理
3.1超声波无损检测基本介绍
超声检测（UT ）是超声波在均匀连续弹性介质中传播时，将产生极少能量损失；但当材料中存在着晶界、缺陷等不连续阻隔时，将产生反射、折射、散射、绕射和衰减等现象，从而损失比较多的能量，使我们由接收换能器上接收的超声波信号的声时、振幅、波形或频率发生了相应的变化，测定这些变化就可以判定建筑材料的某些方面的性质和结构内部构造的情况达到测试的目的[10]。当超声遇到缺陷面时，反射回波幅度会异常增大，根据反射幅度、延迟和相位等就可以判断缺陷的位置、面积和形状[13-15]。如图1所示
按其工作原理不同分为：共振法、穿透法、脉冲反射法超声检测；
按显示缺陷方式不同分为： A 型、B 型、C 型、3D 型超声检测；
按选用超声波波型不同分为：纵波法、横波法、表面波法超声检测；
3.2超声波的产生（发射）与接收
（1）超声波的物理本质：它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。 即超声频率的机械波。一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。超声检测常用频率在 0.5～10 MHZ 。
发射 传播 接受 判别
图 1超声检测过程的基本原理
（2）超声波的产生机理——利用了压电材料的压电效应。
压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
(3)超声波的发射与接收
①发射——在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的机械振动——产生超声波；若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件——这就是超声波的发射。
②接收——若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电
信号。将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接收。可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥重要的作用。
下面简单介绍三种较常用的检测方法。
脉冲反射法
工作原理：脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上发生反射的原理进行检测。采用同一换能器兼作发射和接收，接收信号显示在荧光屏上。基本原理和波形如图2所示。
当工件中无缺陷时，接收波形如图2-a)所示，荧光屏上只有始波T和底波B；当有小于声束截面的缺陷时，有缺陷波F出现，F波在时基轴上的位置取决于缺陷声程L f，可由此确定缺陷在试件中的位置。缺陷回波的高度，取决于缺陷的反射面积和方向角的大小，借此可评价缺陷的当量大小。由于缺陷使部分声能反射，从而使底波高度下降，如图2-b)所示；当有大于声束截面的大缺陷时，全部声能将被缺陷反射，届时将仅有始波和大的缺陷波出现在荧光屏上。
图2无缺陷试样和由缺陷试样中的超声回波
a) 完好试样b) 缺陷试样
脉冲反射法的特点：与透射法相比，脉冲反射法有以下优点：
1)灵敏度高，当反射声压达到晶片起始声压的1%时即能检侧，因此，可发现
较小的缺陷；
2)缺陷定位精度高。它是利用缺陷波的传播时间，通过调节扫描速度，即调节
时基轴与声程的比例来对缺陷定位的。因此只要仪器水平线性好，缺陷定位就准确；
3)适应范围广，改变耦合、探头和波型可实现不同方法的检测；
4)操作方便，脉冲反射波一般不需要专门的扫查装置，这就为各种场合下的检
测作业带来了极大的方便和灵活性。
但脉冲反射法也有一定的不足之处：
1)存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不太适用；
2)对于声束轴线不垂直的缺陷反射面，由于折射的结果，使探头往往收不到缺
陷回波信号，容易造成漏检；
3)因声波往返传播，对于高衰减材料的检测不适用。
脉冲透射法
工作原理：脉冲透射法是将发射、接收探头分别置于被检试件的两侧，并使两个探头的声轴处在同一条直线上，同时保证探头与试件之间有良好的声耦合，这样就可以根据超声波穿透试件后的能量变化情况来判断试件内部质量。当试件中无缺陷时，荧光屏上显示始波T和具有一定幅度的回波脉冲B；当有小缺陷时，声波被缺陷遮挡，接收到的回波信号幅度减小；而当试件中缺陷面积造成的声影大
于声束截面时，荧光屏上只显示起始脉冲T，无回波信号，如图3所示。
图3超声穿透法示意图
a) 无缺陷试样b) 有缺陷试样
脉冲透射法的主要优点：
1)工件中不存在盲区，适宜探测薄壁工件；
2)与缺陷取向无关，不管缺陷取向如何，只要它遮挡声束传播路径，接收探头
就能发现；
3)在透射法中，声波是单声程传播，故适合检测高衰减的材料。
脉冲透射法的缺点：
1)探测灵敏度低，仅当入射声压变化大于20％以上时，才能被接收探头检出；
2)不能确定缺陷的深度位置，仅能判断缺陷的有无和大小；
3)对发射和接收探头的相对位置要求严格，需专门的探头支撑装置，因而操作
不方便。
共振法
工作原理：依据试样的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化的方法称为共振法。若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当试样的厚度为超声波的半波长的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，将引起共振，一起显示出共振频率，用相邻的两个共振频率之差，由以下公式算出试件厚度：
(1)
式中f0 ——工件的固有频率
C——被检试样的声速
λ——波长
δ——试件厚度
n ——共振次数
当试样内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率。当测得共振频率f和共振次数n后，即可求出厚度。由于共振法设备简单，测量精确，常用于壁厚测量。此外，若工件中存在较大缺陷或当工件厚度改变时，将导致共振现象消失或共振点偏移，可利用此现象检测复合材料的胶合质量、板材点焊质量、均匀腐蚀量和板材内部夹层等缺陷。
4.超声波检测的优点和缺点（主要与射线检测比较）[16]
（1）传统能力比较：从工件厚度来说，超声波可检测厚度范围比射线大。例如在钢中的有效探测深度达一米以上。X射线穿透能力和管电压有关，管电压越高，穿透能力越大，以300kV管电压为例，X射线只能检测厚度在50mm以下的钢工件。超声波的穿透能力则相对强的多，检测200mm的钢板，不需要太多的要求。
（2）从检测缺陷的类型来说对平面缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度高，并可测定缺陷的深度和大小。但是不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需要有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的间隙，以保证充分的声耦合。
（3）从设备要求来说超声波检测的设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验。X射线涉及到防护问题，所以设备比较复杂，需要暗室、自动洗片机、胶片等。（4）成本和检测速度：超声波检测成本很低，检测速度快。
5.超声检测技术在无损检测中的应用
超声无损检测技术(UT)是五大常规检测技术之一,与其它常规无损检测技术相比,它具有被测对象范围广。检测深度大;缺陷定位准确,检测灵敏度高;成本低,使用方便;速度快,对人体无害以及便于现场使用等特点。
(1)目前大量应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在投检查[12]。如钢板、管道、焊鞋、堆焊层、复合层、压力容器及高压管道、路轨和机车车辆零部件、棱元件及集成电路引线的检测等。
(2)各种新材料的检测。如有机基复合材料、金属基复合材料、结构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等,超声检测技术已成为复合材料的支柱。
(3)非金属的检测。如混凝土、岩石、桩基和路面等质量检验,包括对其内部缺陷、内应力、强度的检测应用也逐渐增多。
(4)大型结构、压力容器和复杂设备的检测。由于超声成像直观易懂,检测精度较高。因此,近几年我国集超声成像技术及超声信号处理技术等多学科前沿成果于一体的超声机器人检测系统已研制成功,为复杂形状构件的自动扫描超声成像检测提供了有效手段。
(5)核电工业的超声检测。
(6)其它方面的超声检测。如医学诊断广泛应用超声检测技术;目前人们正试图将超声检测技术用于开辟其它新领域和行业,如人们正努力将超声检测技术用于血压控制系统进行系统作非接触检测、辨识。性能分析和故障诊断等。
6.超声波检测在航空航天复合材料结构的发展趋势
新型高性能复合材料的研发在国内外已经成为一个热点，多种新型复合材料的优异性能已得到了验证与普遍认可，并在航空航天领域发挥越来越重要的作用。随着材料工艺的成熟及产品质量的提高，高性能复合材料在航空航天领域的使用比例大幅度提升（波音787“梦想”飞机的复合材料用量已达结构质量的50%[8]，有些甚至已代替金属成为某些核心部件的主要结构材料，从而使航空航天技术的发展有了质的飞跃。图4a)和图4b)分别为波音787复合材料机身及机翼后缘。蜂窝夹芯复合材料以高弹性模量、隔音、隔热和防潮等特性用于雷达天线罩、发动机隔音板、客机机身、直升机旋翼叶片和机舱地板等。
图4波音787飞机的典型复合材料构件
工艺材料特性和服役条件等都是影响复合材料构件中产生缺陷的重要因素，当缺陷尺寸达到某一量值时，会导致构件性能显著下降，采用无损检测技术对新型复合材料构件进行检测及质量评价以确保其完整性是制造及服务环节的重要内容。由于航空航天新型复合材料制造成本高、结构特殊和使用环境特殊等特点，对无损检测技术提出了更苛刻，更有针对性的检测条件和检测要求，包括不能使用耦合剂、检测空间狭小、构件尺寸大、结构复杂、检测高效和检测结果实时直观等。研究与新型复合材料技术发展水平相适应的无损检测技术，针对不同检测条件及检测要求提出合理的检测与评价方法已成为国内外研究人员需要思考的新课题。
非接触无损检测技术的应用可以大大提高检测效率，节约维护成本、缩短型号研制周期，此类技术主要可分为基于机械振动的空气耦合超声检测技术，基于光学的红外热像技术、散斑干涉技术、全息成像、太赫兹技术、超导量子干涉技术（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）等，以及激光超声、电磁超声等混合技术[9]。
7.超声波无损检测的展望[11]
在超声波无损检测技术应用的过程中，需要很多理论知识的支持，检测时也对检测的方法和工艺流程有严格的要求，这些规范的检测方式使超声波无损检测的结果可以更准确。发现检测缺陷时，技术人员应用非接触方式的检测技术，运用激光超声来提高检测的效果，所以未来超声波无损检测技术一定会向着自动化操作的水平去发展。自动化的检测方法可以简化检测工作，实现专业检测的目标，扩大超声波无损检测技术应用的范围，同时随着超声技术的应用，在检测的过程中，也会实现数字化检测的目标，利用超声信号来处理技术的应用，使检测技术可以实现统一使用的要求，同时数字化操作的检测过程也会提高检测的准确性，有利于检测技术的发展。所以超声波无损检测技术将会实现全面的现代化操作要求，利用现代化科学技术的发展，来规范超声波无损检测的检测行为，也具备了处理缺陷的功能，提高了检测的效率。
8.参考文献
[1] 邹毅.数字式超声波探伤系统的研发.国防科技大学硕士论文，2007
[2] 尹玲.棒材超声波自动探伤系统的研制. 重庆大学硕士论文，2006
[3] 孙建东.全数字超声探伤仪的设计与实现. 南京邮电大学硕士论文，2010
[4] 沈毅.超声无损检测装置的研究与设计.南京邮电大学硕士论文，2011
[5] 黎连修.超声检测技术在中国[J].无损检测. 2008 年第30 卷第4 期
[6] 耿荣生.新千年的无损检测技术—从罗马会议看无损检测技术的发展方向[J].无损检测，2001.
[7]罗雄彪，陈铁群.超声无损检测的发展趋势[J].无损检测，2010.
[8] 张立同，成来飞，徐永东. 新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展[J]. 航空制造技术2003.
[9] 周正干，魏东．空气耦合式超声波无损检测技术的发展[J]. 机械工程学报,2008.
[10] 云庆华. 无损探伤. 北京：劳动出版社，2000
[11] 李新明，段家宝，李常胜.关于超声波无损检测技术的应用研究，大连理工大学，2014.
[12] 张俊哲.无损检测技术及其应用（第二版).北京：科学出版社，2010.
[13]陈翠梅，刘汇，霍臻. 无损检测专用软件NDTS. 无损检测，2000.
[14] 王淑莲. 超声检测技术的发展与应用. 机电一体化，2001.
[15] 刘镇清. 超声检测研究的若干进展. 实用测试技术，2000.
[16] 罗雄彪，陈铁群.超声无损检测的发展趋势，无损探伤，2004.