CH6P146-166热声总-A4(3)

（1）声波波谱及超声波分类

声波不同于电磁波，是一种需弹性介质的机械波。它分为次声波、可闻声波、超声波，其频率范围如图6-2-1。频率高于104的为超声波。

与电磁波分类一样须强调，各种声波之间并无明确的频率界线。它们的划分本质上应以产生声波的振动机制来区分。根据振动的频率公式

1f = ()( k/m)1/2 （6-2-2）

2?K为弹性系数，说明振动质点越小，声波频率越高。微观质点振动才产生超声波。按振动与传播方向关系分：

纵波 L——质点振动方向和传播方向一致；横波S——质点振动方向垂直于传播方向。因气体和液体剪切模量为零，不能传播横波。 超声波按传播范围和特征还有：

表面波R——当材料介质受到交变应力作用时，产生沿表面传播的波，称为表面波，又称瑞利波。表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成，即纵波和横波的合成，因此表面波只在固体中传播，且其能量随传播深度增加而速减。

板波：在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波，称为板波。按介质质点振动方向 不同可将板波分为Love波和Lamb。前者为薄板表面纯横波；后者薄板表面复合波。 （2）超声波的传播速度

超声波传播速度的一般公式是：

KC =()1/2 （6-2-3）

?式中，K为弹性模量，ρ为密度。固体中超声波的传播速度：纵波取决于介质的(杨氏)正弹性模量及介质密度；横波取决于介质的切变弹性模量及密度；介质的弹模量越大，密度越小，则声速越大。Lamb波的传播速度，取决于介质的弹性常数、厚度及频率等。

对每种媒质来说，可以在其中传播的弹性波的频率都存在一个上限。由于固体媒质分子（原子）间的距离极小，而弹性波在其中的传播速度又较高，所以在固体媒质传播的弹性波频率上限较高；气体媒质则相反；液体媒质介于气体和固体之间。

对同一种弹性波而言，在气体中的传播速度是最小，在固体中的传播速度是最大的，在液体中的传播速度居中。如声速在标准状态的气体中是331 m/s,在水中声速1500 m/s，在铁中是5100 m/s；空气中声速，每升1℃，速度增0.6 m／s；水中声速，随温度升高、密度减小，声速增加（80℃左右为峰值）；其它液体声速900~ 1900m／s

同一固体材料中，纵波声速CL>横波声速CS>表面波声速CR。差别因横向/纵向弹性模量的泊松比ζ变化。如钢铁中声速CL≈5000 m／s；ζ=0.28，CS≈0.56CL ，CR≈0.5CL

2. 超声场的表征

超声振动涉及的介质空间称为超声场。表征超声场的物理量有声压、声强、声阻抗。 （1）声压p 是声波通过媒质时所产生的压强改变量。超声场中的声压是该点有、无超声波时的压强之差。即当时压强p1与静态压强p0之差。 p = p1 -- p0 单位:达因／厘米。

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（2）声阻Z 表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。介质密度越大、超声波速越大，引起阻抗越大，Z =ρC 同一声压下，Z越大，质点的振动速度越小。如超声波在水、钢介质中声阻抗分别Z1= 0.15×10 6g/cm2s、Z2 = 4.6 ×10 6g/cm2s。

（3）声强I 单位时间内垂直通过单位面积的声能。平面波声强I = p2/ 2Z（瓦特／米）。 超声场中，声强与声压的平方成正比，与超声频率的平方成正比。由于超波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波可以用于检测的重要依据。

电学和声学中计量功率或功率密度比值的单位是分贝dB,是声强级的表征。

规定引起听觉的最弱声强I0＝10-16w／cm2为声强基准，称为“闻阈”，即f＝103 Hz时引起人耳听觉的声强最小值。某一声强I与标准声强I0之比I/I0取常用对数得到二者相差的数量级称为声强级L；单位常取贝尔的1/10即分贝。

对于放大线性好的超声波检测仪，示波屏上波高与声压成正比，即任意两波高之比(H1/H2 )等于相应的声压之比p1／p2，由于声强与声压的关系，二者的分贝差有

Δ = 10 log (I1/I2 ) = 20 log (p1/p2 ) = 20 log (H1/H2 ) （dB）

声学与电学一样以dB分度的增益或衰减来比较同量纲的两个物理量（如电压、波高）。 3．超声波的传播和衰减

与电磁波类似，在同一介质中超声波的衰减 p=p0 exp(-αx)，α为衰减系数。 同样，超声波入射异质界面发生反射、折射、透射，传播方向根据几何光学定律： 入射角与折射角的正弦之比为两介质中超声波的速度之比。

从力与能量分配关系上，设第一、第二介质声阻抗分别为Z1、Z2，对平界面而言： 声压反射率是: γ= pγ /p0 = (Z2-Z1)/(Z2+Z1)

透射率是：t = p t /p0 = 2Z2 / (Z2+Z1)

声强反射率是：R = Iγ /I0 = pγ 2/p0 2 =γ2 = [(Z2-Z1)/(Z2+Z1)]2

透射率是：T = It /I0 = Z1 pt2/ Z2 p0 2 = 4Z1Z2 / (Z2+Z1)

其中有力的平衡关系： p0 + pγ = pt ；能量的平衡关系有：R+ T=1

例如：声波垂直入射水/钢界面 γ= 0.935，t =1.935 ； R = 0.875，T=0.125 .

6-2-2 超声波检测仪

超声波在材料或构件中传播时，携带有表征其性能和质量的信息，提取这些信息来分析和评价被检测对象的性能和质量。 根据对象、目的、要求不同，选用仪器和方法。

1．超声波仪器分类及显示方式

（1）按超声信号产生的机制分类

主动型 被检测对象本身就是声发射源，由被检测对象“主动”发出声信号，利用超声接收技术检出“源”发出的声-电信号，分析处理确定声源的方位和性质。它与断裂力学联系构成专门的声发射技术。通常用于在役设备（锅炉等压力容器）的安全监测。

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被动型是指利用超声换能器向被检测对象辐射超声信号，再由接收器检出被检测对象中的声场特性，如声压分布、声速、声衰减、声传播时间、声波频率或频谱的变化等声学参数，以检测和评价被检测对象的性能和质量。

超声波仪也可按超声波形特征分：频率和振幅变化的脉冲式、频率和振幅不变的连续波以及周期性地发射和接收等幅调频的调频超声仪。 （2）按用途分类

按用途分为：理化分析、医学诊治及工业应用三大类。

工业用包括：用于金属和非金属探伤的超声探伤仪；用于锅炉、船体、容器的超声测厚仪；用于堤坝、河川、海洋等水深测量的超声测深仪；用于潜艇、捕鱼的声纳；用于地层断裂、岩体孔隙率、含水量、风化、空洞地质测量仪器等。

理化分析用于声速、声衰减、温度、厚度、物位（料位或液位）、硬度、应力和用于液体的浓度、成分、密度、粘度、流速、流量等物理量测量的超声计量测试仪器等。 （3）按缺陷显示方式分类

A-scope型：波形幅度显示，荧光屏的横坐标代表声波的传播时间（或距离），纵标表反射波的幅度。从缺陷波的幅度和位置确定缺陷的大小和位置。

B-scope型图像显示：以荧光屏面代表被检测对象由探头移动线和声束决定的纵截面。横标为探头的机扫平面水平位置的轨迹；纵标是靠电子扫描表示声波的传播时间（距离）。直观显示被探物纵截面上缺陷分布和深度的二维特征。如图6-2-3 。

C-scope型图像还显示：以光点辉度显示接收信号的幅度。荧屏的横坐标和纵坐标都靠机械扫描表示探头在被探物表面的位置。荧屏显示出被探物内部缺陷的平面图像（即从探头方向看的投影），但不能显示缺陷的深度。如图6-2-4

MA-scope型：A型多次同步显示，随探头移动回波在长余辉荧屏上连续叠加显示。 超声断层成象（B超）：用大量压电晶片组成的线阵换能器（探头），电子相控聚焦声束二维扫描，接收体内回波强度调制同步光栅扫描的荧光屏亮度，形成反映体内组织界面轮廓的断层声图。进一步用计算机分析多断层重建三维图象，即超声-CT。

超声多普勒成象：当声源、声接受器和传声介质三者有相对运动时，接收器所收到的声波频率将产生不同于声源频率的多普勒（C.Dopper）频移。 采用信号处理技术和闸门方式，选定提取不同深度上运动目标（如液流、血流）流向和流速的数据显示和成象。

另外有超声全息成象、扫描超声全息成象、超声衍射成象、综合孔径成象（SAFT）。

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图6-2-3 A型和B型超声检测方式

图6-2-4 C型方式

2．超声波检测仪的工作原理

超声波检测仪、探头和试块是超声波检测的三大组成。超声波检测仪是主体，其作用是产生电振荡加于探头，激励发射超声波，并取回波信号放大显示，检测材料内部缺陷位置、大小、性质等信息。仪器结构以A型为例，由同步电路、扫描电路、发射电路、接收放大电路和显示电路、电源电路等构成，电路方框如图6-2-5。

同步电路产生触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路受触发产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板，使电子束在荧屏上产生水平时基线。

同时，发射电路触发产生高频窄脉冲加至探头，激励压电晶片振动产生超声波。超声波在工件中传播，遇缺陷或底面反射，返回探头被压电晶片转变为电信号，经接收电路放大和检波，加至示波管垂直偏转板上，使电子束垂直偏转，在水平扫描相应位置产生缺陷波和底波。缺陷

波的位置确定缺陷的深度，其幅度估测缺陷当量。

图6-2-5 A型超声波检测仪方框图

3．探头和试块

（1）探头

超声波的装置有机械型和机电型： （1）机械型：利用高速气流或液流冲击金属簧片或空腔而产生超声，如各种哨（簧片式、共振腔式、涡旋式哨笛等）。或利用高压气体通过高速旋转的圆盘上的气孔喷出而产生超声的旋笛。

图6.2.6 直探头

图6-2-7 斜探头结构

（2）机电型：利用机电换能器把高频电能转变为超声能。常利用石英．铌酸锂（LiNbO3）等材料的压电效应将能量转换形式的器件称为换能器，探头是一种电-声-电能量转换器件，故称为超声换能器或电声换能器。

超声波检测中，根据被测工件材质和形状不同，检测目的和条件不同，使用不同的探头。主要有直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头、双晶探头、水浸探头、聚焦探头；还有为特殊用途的扫描切换探头、列阵探头、轮式探头、扁平探头等。它由压电晶片、阻尼块、保护膜和壳体构成。

直探头结构如图6-2-6，用于发射和接收纵波，适于单探头反射法或双探头透射。 斜探头：利用透声楔块使声束倾斜于工件表面射人工件。依入射角不同，可在工件中产生纵波、横波和表面波，也可在薄板中产生板波。典型结构如图6-2-7。通常横波斜探头折射角的正切值（K值）标称。如K1、1.5、2、2.5和3。 （2）试块

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试块是按用途设计制作的反射体，用于： ① 测试和校验仪器及探头的性能，如组合灵敏度、垂直线性、水平线性、分辨力等。 ② 确定和校验检测灵敏度。③ 评价缺陷大小，被测件评级。④ 调节检测范围，确定缺陷位置。⑤ 测材质衰减和定耦合补偿。

标准试块是由权威机关规定的试块，它的材质、形状、尺寸以及表面状态都是由权威部CSK等。用于测试和校验检测仪和探头性能，调整检测范围和确定检测灵敏度。

图6-2-8 CSK-Ⅰ标准试块

6-2-3 超声波探伤方法和通用探伤技术

超声波在检测条件、耦合与补偿、仪器的调节，缺陷的定位、定量、定性等方面存在的一些通用的技术问题，超声波主要检测方法如图6-2-9

1．超声波检测方法

（1）共振法

频率可调的连续声波在被检工件内传播，当试件厚度为超声波的半波长或半波长的总数倍时，因相位相同，则引起共振，仪器显示共振频率。

当试件内存在缺陷，将改变试件的共振频率。由共振频率之差算出试件的厚度：

cδ=（fn –fn-1）

2式中，fn 是第n点的共振频率；c是被测

共振法常用于测定表面镀层或涂层的厚度及测量表面腐蚀量。 （2）穿透法

穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试件后的能量变化来判断缺陷情况。穿透法常用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别设置在工件的两侧检测。适于测量衰减较大的材料及分层性缺陷。

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图6-2-9 超声检测常用方法

试件的声速；

图6-2-10 多次底面脉冲反射法

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