利用声学特性的无损检测技术－

无损检测技术的基础是物质的各种物理性质或它们的组合以及与物质相互作用的物理现象。迄今为止，包括在工业领域已获得实际应用的和已在实验室阶段获得成功的无损检测方法已达五、六十种甚至更多，随着工业生产与科学技术的发展，还将会出现更多的无损检测方法与种类。本书仅能就几个主要方面作简单扼要的介绍。除了对于工业上已经广泛应用的五大常规无损检测技术（超声波检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测和射线照相检测）给予一定的工艺介绍外，对其他方法仅作概念性介绍。若需对其中某项方法作深入了解时，应查阅相应方法的专业技术介绍资料。

§2.1 利用声学特性的无损检测技术

§2.1.1 超声波检测技术

什么是超声波？超声波有什么特性？

声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz~2KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于2KHz则称为超声波。一般把频率在2KHz到 25MHz范围的声波叫做超声波。它是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波，其实质是以应力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质（实际上包括了几乎所有的气体、液体和固体），它能透入物体内部并可以在物体中传播。利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等，因此是应用最广泛的一种重要的无损检测技术 --超声检测技术。例如用于医疗上的超声诊断（如B超）、海洋学中的声纳、鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定……等等。

超声波具有如下特性：

1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

2）超声波可传递很强的能量。

3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4）超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击（基于“空化现象”）--从而引出了“功率超声应用“技术--例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。

5）利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。

工业无损检测技术中应用的超声波检测（UltrasonicTesting，简称UT）是无损检测技术中发展最快、应用最广泛的无损检测技术，占有非常重要的地位。

在超声波检测技术中用以产生和接收超声波的方法最主要利用的是某些晶体的压电效应，即压电晶体（例如石英晶体、钛酸钡及锆钛酸铅等压电陶瓷）在外力作用下发生变形时，将有电极化现象产生，即其电荷分布将发生变化（正压电效应），反之，当向压电晶体施加电荷时，压电晶体将会发生应变，亦即弹性变形（逆压电效应）。因此，利用压电晶体制成超声波换能器（探头），对其输入高频电脉冲，则探头将以相同频率产生超声波发射到被检物体中去，在接收超声波时，探头则产生相同频率的高频电信号用于检测显示。

除了利用压电效应以外，在某些情况下也利用磁致伸缩效应（强磁材料在磁化时会发生变形的现象，可用作振源或用于应变测量），也有利用电动力学方法（例如本章后面叙述的电磁-声或涡流-声方法）。

（3）耦合方法的确定-超声探头与被检工件之间存在空气时，超声波将被反射而无法进入被检工件，因此在它们之间需要使用耦合介质，视耦合方式的不同，可以分为：

接触法-超声探头与工件检测面直接接触，其间以机油、变压器油、润滑脂、甘油、水玻璃（硅酸钠Na₂SiO₃）或者工业胶水、化学浆糊等作为耦合剂，或者是商品化的超声检测专用耦合剂。

水浸法-超声探头与工件检测面之间有一定厚度的水层，水层厚度视工件厚度、材料声速以及检测要求而异，但是水质必须清洁、无气泡和杂质，对工件有润湿能力，其温度应与被检工件相同，否则会对超声检测造成较大干扰。

接触法和水浸法是超声检测中最主要应用的两种耦合方式，此外还有水间隙法、喷水柱法、溢水法、地毯法、滚轮法等多种特殊的耦合方式。

（4）检测条件的准备-选择适当的超声探伤仪、超声探头、参考标准试块（或者采用计算法时的计算程序或距离-波幅曲线、AVG或DGS曲线等），以及在检测前对仪器的校准（时基线校正、起始灵敏度设定等）。

（5）检测扫查-在被检工件的检测面上使用超声探头进行扫查，应确保超声束能覆盖所有被检查的区域。

（6）缺陷评定-对发现的缺陷进行定位（缺陷在工件中的埋藏深度与水平位置）、定量（缺陷大小、面积、长度）的评定并作出标记，必要时还需要判定缺陷的性质或种类，亦即定性评定。

（7）记录与判断-记录检测结果，对照技术条件和验收标准作出合格与否的判断，得出检测结论，签发检测报告。

（8）处理-将检测发现问题的工件作出标记，隔离待处理，对合格工件给予合格标记转入下道生产工序或周转程序。

以上是超声脉冲反射法检测的最基本程序，在实际产品的检测中还应该根据具体的检测规范或检测工艺规程等的要求具体实施检测。

超声脉冲反射检测法是超声检测中应用最广泛的方法，不仅是在工业超声检测中，就是在其他领域，例如测厚、鱼群探测、水下声纳、海洋测深、海底形貌及地质构造探测、医用超声诊断等等，也都广泛利用着超声波的反射特性。

§2.1.1.2超声波的衍射与散射特性

在远场检测时，由于工件尺寸较大，要预先制作相应尺寸的试块有困难，而且搬运、使用均很不方便。鉴于远场中的声压随着距离的增大呈单调下降变化，各种人工反射体的回波声压变化是有规律可循的，因此可以采用计算方法或事先测绘制作的距离-波幅曲线（称作AVG法或DGS法）来确定检测灵敏度以及评定缺陷的当量大小。

必须指出：超声检测中评定的缺陷当量大小，是指缺陷的回波幅度与一定尺寸的人工反射体的回波幅度相同，但是缺陷的实际尺寸与标准人工反射体的尺寸并不相同，这是因为缺陷的回波幅度大小受被检工件的材料以及缺陷本身的性质、大小、形状、取向、表面状态等多种因素的影响，同时还与超声波的自身特性有关，因此引入了“当量 ”-相当的量这个概念作为定量衡量缺陷大小的标准。例如我们说经过超声检测发现被检工件内的某个位置处存在Φ2mm直径平底孔当量的缺陷，就是指该缺陷的回波幅度与工件内相同位置处Φ2mm直径平底孔（平底孔的孔底面与超声束轴线垂直，并且同轴）的回波幅度相同，然而该缺陷的实际面积尺寸往往大于Φ2mm 直径平底孔的底面面积。

此外，根据超声检测的结果判断缺陷的性质（定性）问题尚未很好解决，目前还主要是依靠检测人员的实践经验、技术水平以及对被检工件的材料特性、加工工艺特点、使用状况等的了解来进行综合的主观判断。

超声脉冲反射法检测攻坚的一般步骤是：

（1）超声检测面的选择-当超声束与工件中缺陷延伸方向垂直，或者说与缺陷面垂直时，能获得最佳反射，此时缺陷检出率最高。因此，在被检工件上应选择能使超声束尽量与可能存在的缺陷其延伸方向垂直的工件表面作为检测面，右图给出了常见工件的超声检测面示意图。
（2）检测面的制备-超声波是通过被检工件表面进入工件内部的，检测面光洁度的优劣影响声能的透射效果并可能产生干扰，因而对超声检测结果的准确性与可靠性有很大影响。下面给出了不同超声检测方法对检测面光洁度的一般要求：

方法	检测面光洁度要求
接触法纵波检测	≤3.2μm
水浸法纵波检测	≤6.3μm
接触法横波检测	≤3.2μm
接触法瑞利波(表面波)检测	≤0.8μm
接触法兰姆波(板波)检测	≤1.6μm
如被检件表面光洁度不能满足检测要求时，应进行专门的表面加工制备，或采取特殊的补救措施（例如采用特殊的耦合方法或灵敏度补偿）

超声检测面示意图

超声脉冲反射法检测原理
示意图

超声波探伤仪的高频脉冲电路产生高频脉冲振荡电流施加到超声换能器（探头）中的压电晶体上，激发出超声波并传入被检工件，超声波在被检工件中传播时，若在声路（超声波的传播路径）上遇到缺陷（异质）时，将会在界面上产生反射，反射回波被探头接收转换成高频脉冲电信号输入探伤仪的接收放大电路，经过处理后在探伤仪的显示屏上显示出与回波声压大小成正比的回波波形（图形），根据显示的回波幅度大小可以评估缺陷大小，显示屏上的水平扫描线（时基线）可以调整为与超声波在该介质中传播时间（距离）成正比（俗称“定标”），然后就可以根据回波在显示屏水平扫描线上的位置判定缺陷在工件中的位置。利用工件底面回波在水平扫描线上的位置，还可用于测定工件的厚度（如左图所示）。

超声波所占的空间称为超声场，其结构如下右图所示，它包括近场（N为近场长度）和远场两个部分。在近场区中的声压分布是不均匀的，而在远场区中的声压则随着距离的增大呈单调下降变化。近场区的长度与换能器的晶片直径和超声波的波长有关，在近场区的超声波束呈收敛

状态，在近场区末端，亦即从近场区进入远场区的过渡点上声束直径最小（故也将此点称作自然焦点），进入远场区后声束将以一定角度发散，声束边缘的斜度以半扩散角θ表示，声束的半扩散角同样与换能器的晶片直径和超声波的波长有关。
因此，在超声检测中为了能根据回波幅度大小评估缺陷大小，当被检工件尺寸较小，落在近场区范围时，通常需要采用参考对比试块进行比较评定，参考试块的材料、状态（声学特性）应与被检物相同或相近，并且含有已知尺寸的特定人工反射体（例如平底孔、横孔、柱孔、刻槽等），将发现的缺陷回波幅度与相同声程（超声波传播路程）的人工反射体回波幅度比较，得到以人工反射体尺寸表示的缺陷当量大小。

超声场结构示意图

除了上述四种主要的应用波型外，现在已经发展应用的还有头波（HeadWave）和爬波（CreepingLongitudionalWave，又称作爬行纵波），特别是后者能够以纵波的速度在介质表面下传递，适合用于检测表面特别粗糙，或者表面存在不锈钢堆焊层等情况下的近表层缺陷检测。

超声波在介质中的传播速度C（与介质、波型等有关）、振动频率f（单位时间内完成全振动的次数，以每秒一次为1个赫兹-Hz）和超声波的波长λ（超声波完成一次全振动时所传递的距离）三者有如下关系：C=λ·f

应当注意在不同介质中以及不同的超声波波型具有不同的传播速度。

超声波具有波长短、沿直线传播（在许多场合可应用几何声学关系进行分析研究）、指向性好，能在固体中传播，并能进行波型转换等特点，其传播特性包括反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振、声速等多种变化，因此其适用范围非常广泛，包括了金属、非金属，锻件、铸件、焊接件、型材、胶接结构与复合材料、紧固件等等。

超声波检测的优点是穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，能即时知道检测结果（实时检测），能实现自动化检测和实现永久性记录，在缺陷检测中对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感等等。

超声波检测的缺点是通常需要耦合介质使声能透入被检物，需要有参考评定标准，特别是显示的检测结果不直观，因而对操作人员的技术水平有较高要求等等，此外，对于小而薄或者形状较复杂，以及粗晶材料等的工件检测还存在一定困难。

下面以超声波的传播特性为线索来分别叙述其应用。

§2.1.1.1超声波的反射与折射特性

在弹性介质中传播的超声波遇到异质界面时会发生反射与折射，并有波型转换发生。

在超声波检测中利用超声波在界面上的折射特性主要用于达到波型转换的目的，例如把一般压电晶体产生的纵波转换成横波、瑞利波、兰姆波等，以适应不同工件及不同情况下的检测，其转换条件与界面两侧解职的声速比（折射率）和入射、折射角度（正弦函数）相关：sinα/C₁=sinβ/C₂（见右图所示：α为入射角，C₁为第一介质中入射超声波的速度；β为反射或折射角，C₂为在第一介质中反射或者在第二介质中折射超声波的速度。在相同介质中相同波型有相同的波速，因此对于L_反的反射角β与L的入射角α相同，在同一介质中横波的速度小于纵波速度，因此对于反射横波S_反的反射角β小于L的入射角α；从折射情况来看，也同样是由于在同一介质中横波的速度小于纵波速度，因此折射横波S_折的折射角小于折射纵波L_折的折射角，上面所述的数学式也称为斯涅尔定律-折射定律）。
在超声波检测中利用超声波的反射特性主要用于探测材料中的缺陷。下面以最常用的A型显示（波形显示）的超声脉冲反射法探测为例：

超声波反射与折射时的
波型转换

横波

乐甫波

瑞利波

（3）表面波（SurfaceWave）-在工业超声检测中应用的表面波主要是指超声波沿介质表面传递，而传声介质的质点沿椭圆形轨迹振动的瑞利波（RayleighWave，简称R波，如左图所示），瑞利波在介质上的有效透入深度只有一个波长的范围，因此只能用于检查介质表面的缺陷，不能像纵波与横波那样

深入介质内部传播，从而可以检查介质内部的缺陷。此外，水平偏振横波（SH波，也称为LoveWave-乐甫波）也是一种沿表面层传播的表面波，实际上就是地震波的振动模式，不过目前在工业超声检测中尚未获得实际应用。

（4）兰姆波（LambWave）-这是一种由纵波与横波叠加合成，以特定频率被封闭在特定有限空间时产生的制导波（guideWave）。在工业超声检测中，主要利用兰姆波来检测厚度与波长相当的薄金属板材，因此也称为板波（PlateWave，简称P波）。兰姆波在薄板中传递时，薄板上下表面层质点沿椭圆形轨迹振动，而薄板中层的质点将以纵波分量或横波分量形式振动，从而构成全板振动，这是兰姆波检测的显著特征。根据薄板中层的质点是以纵波分量或横波分量形式振动，可以分为S模式（对称型）和A模式（非对称型）两种模式的兰姆波（如右图所示）。
在细棒和薄壁管中也能激发出兰姆波，此时称为扭曲波、膨胀波等。

超声波在弹性介质中传播时，视介质支点的振动型式与超声波传播方向的关系，可以把超声波分为以下几种波型：

（1）纵波（LongitudionalWave，简称L波，又称作压缩波、疏密波）-纵波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向相同（见右图所示）
（2）横波（ShearWave，简称S波，又称作Transversewave，简称T波，也称为切变波或剪切波）-横波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直，并且视质点振动平面与超声波传播方向的关系又分为垂直偏振横波（SV波，这是工业超声检测中最常应用的横波）和水平偏振横波（SH波，也称为Love Wave-乐甫波，实际上就是地震波的震动模式）（见下左图所示）

纵波