| （3）耦合方法的確定-超聲探頭與被檢工件之間存在空氣時(shí)，超聲波將被反射而無(wú)法進(jìn)入被檢工件，因此在它們之間需要使用耦合介質(zhì)，視耦合方式的不同，可以分為： |
| 接觸法-超聲探頭與工件檢測(cè)面直接接觸，其間以機(jī)油、變壓器油、潤(rùn)滑脂、甘油、水玻璃（硅酸鈉Na2SiO3）或者工業(yè)膠水、化學(xué)漿糊等作為耦合劑，或者是商品化的超聲檢測(cè)耦合劑。 |
| 水浸法-超聲探頭與工件檢測(cè)面之間有一定厚度的水層，水層厚度視工件厚度、材料聲速以及檢測(cè)要求而異，但是水質(zhì)必須清潔、無(wú)氣泡和雜質(zhì)，對(duì)工件有潤(rùn)濕能力，其溫度應(yīng)與被檢工件相同，否則會(huì)對(duì)超聲檢測(cè)造成較大干擾。 |
| 接觸法和水浸法是超聲檢測(cè)中zui主要應(yīng)用的兩種耦合方式，此外還有水間隙法、噴水柱法、溢水法、地毯法、滾輪法等多種特殊的耦合方式。 |
| （4）檢測(cè)條件的準(zhǔn)備-選擇適當(dāng)?shù)某曁絺麅x、超聲探頭、參考標(biāo)準(zhǔn)試塊（或者采用計(jì)算法時(shí)的計(jì)算程序或距離-波幅曲線、AVG或DGS曲線等），以及在檢測(cè)前對(duì)儀器的校準(zhǔn)（時(shí)基線校正、起始靈敏度設(shè)定等）。 |
| （5）檢測(cè)掃查-在被檢工件的檢測(cè)面上使用超聲探頭進(jìn)行掃查，應(yīng)確保超聲束能覆蓋所有被檢查的區(qū)域。 |
| （6）缺陷評(píng)定-對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行定位（缺陷在工件中的埋藏深度與水平位置）、定量（缺陷大小、面積、長(zhǎng)度）的評(píng)定并作出標(biāo)記，必要時(shí)還需要判定缺陷的性質(zhì)或種類(lèi)，亦即定性評(píng)定。 |
| （7）記錄與判斷-記錄檢測(cè)結(jié)果，對(duì)照技術(shù)條件和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)作出合格與否的判斷，得出檢測(cè)結(jié)論，簽發(fā)檢測(cè)報(bào)告。 |
| （8）處理-將檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的工件作出標(biāo)記，隔離待處理，對(duì)合格工件給予合格標(biāo)記轉(zhuǎn)入下道生產(chǎn)工序或周轉(zhuǎn)程序。 |
| 以上是超聲脈沖反射法檢測(cè)的zui基本程序，在實(shí)際產(chǎn)品的檢測(cè)中還應(yīng)該根據(jù)具體的檢測(cè)規(guī)范或檢測(cè)工藝規(guī)程等的要求具體實(shí)施檢測(cè)。 |
| 超聲脈沖反射檢測(cè)法是超聲檢測(cè)中應(yīng)用zui廣泛的方法，不僅是在工業(yè)超聲檢測(cè)中，就是在其他領(lǐng)域，例如測(cè)厚、魚(yú)群探測(cè)、水下聲納、海洋測(cè)深、海底形貌及地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)、醫(yī)用超聲診斷等等，也都廣泛利用著超聲波的反射特性。 |
| §2.1.1.2 超聲波的衍射與散射特性 |
超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到異質(zhì)界面（例如缺陷），根據(jù)惠更斯原理，在其邊緣會(huì)有衍射現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生新激發(fā)的衍射波?；蛘邚谋碛^上看，能使原來(lái)的超聲波繞過(guò)缺陷繼續(xù)前進(jìn)，但在缺陷后面會(huì)形成聲影（沒(méi)有超聲波的空間）。利用這種新生的衍射波，可以用來(lái)評(píng)定工件的表面裂紋深度或內(nèi)部裂紋的高度，在我國(guó)把這種方法稱為棱邊再生波法，國(guó)外稱作衍射波法（TOFD法），如右面圖左所示。
利用聲影形成的現(xiàn)象，則被用于超聲穿透法檢測(cè)，即根據(jù)超聲波在其聲路上遇到缺陷時(shí)，由于有反射、衍射、散射等現(xiàn)象發(fā)生，以及因?yàn)楸粰z工件材料顯微組織異常，將造成超聲波傳播能量的衰減，使得在聲路的另一端接收到的聲能低于正常情況下接收到的聲能，利用超聲探傷儀顯示屏或者直接利用電表指示反映這種變化差異，即可用作檢測(cè)評(píng)定的依據(jù)，如右面圖右所示。
超聲穿透法檢測(cè)可用于板材、復(fù)合材料或膠接結(jié)構(gòu)等的缺陷檢測(cè)，如分層、脫粘、未粘合等，也可用于小型電器開(kāi)關(guān)的 | | | | 利用裂紋的超聲波衍射(棱邊再生波)確定裂紋深度 | 超聲穿透法檢測(cè)示意圖 | |
| 鍍銀觸點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)等等。其優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，但是缺點(diǎn)是無(wú)法確知缺陷的面積大小及缺陷所處的位置，并且發(fā)-收兩個(gè)探頭的相對(duì)位置有嚴(yán)格要求。 |
| 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其自身的波前擴(kuò)散會(huì)造成隨著傳播距離的增大而垂直于聲束傳播方向的單位面積通過(guò)的聲能減小，即稱為擴(kuò)散衰減，這是超聲波自身的特性所決定的，它與聲束擴(kuò)散角2θ（θ為超聲束的半擴(kuò)散角）有關(guān)。 |
| 此外，超聲波在材料中的晶界、相質(zhì)點(diǎn)，或者媒介物中的懸浮粒子、雜質(zhì)、氣泡等聲阻抗（數(shù)值上等于聲速與密度的乘積）有差異（哪怕是微小的差異）的區(qū)域會(huì)有散射現(xiàn)象發(fā)生。其散射狀態(tài)與超聲波的波長(zhǎng)及散射質(zhì)點(diǎn)（例如平均晶粒直徑）的大小有關(guān)。在金屬材料中，以波長(zhǎng)λ和晶粒平均直徑 之比可以劃分為三種散射狀況： |
| 瑞利散射：《λ時(shí)，其散射程度與頻率的四次方成正比，這是金屬中大多數(shù)的情況； |
| 隨機(jī)散射：≈λ時(shí)，其散射程度與頻率的平方成正比，例如通常在粗晶鑄件中容易出現(xiàn)這種情況； |
| 漫散射：≥λ時(shí)，其散射程度與 成反比，這往往表現(xiàn)在被檢工件檢測(cè)面表面粗糙的情況下，導(dǎo)致入射聲能在界面上的漫散射損失。這種情況的類(lèi)似比喻可以像在大霧天氣中汽車(chē)燈光被散射而無(wú)法透過(guò)霧氣照射到前面一樣。 |
| 由于散射現(xiàn)象的存在，使得垂直于聲路上的單位面積通過(guò)的聲能減少，亦即造成散射衰減。盡管在超聲脈沖反射法檢測(cè)中這種散射現(xiàn)象的存在不但使得超聲波的穿透能力降低，而且還對(duì)回波判別帶來(lái)干擾，但是也可以利用在金屬材料中散射超聲波的疊加混響返回到超聲探頭并被接收后，在超聲探傷儀顯示屏上以雜草狀回波形式（雜波）顯示，通過(guò)對(duì)雜波水平的評(píng)定，可以判斷和評(píng)價(jià)金屬材料的顯微組織狀態(tài)。特別是在航空工業(yè)中，雜波水平的評(píng)定已經(jīng)成為例如鈦合金鍛件超聲檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 |
| §2.1.1.3 超聲波的衰減特性 |
| 除了上一節(jié)中所述的散射衰減外，超聲波在材料中傳遞時(shí)，能量衰減的另一個(gè)重要原因是內(nèi)吸收造成的衰減，它與材料的粘滯性、熱傳導(dǎo)、邊界摩擦、弛豫現(xiàn)象有關(guān)，使得超聲能量以熱和溶質(zhì)原子遷移等形式被消耗掉，此外，還有位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（如位錯(cuò)密度、長(zhǎng)度的變化，空穴與雜質(zhì)的存在）以及磁疇壁運(yùn)動(dòng)、殘余應(yīng)力造成聲場(chǎng)紊亂...等等，這些都能導(dǎo)致超聲能量的衰減，和上節(jié)中的散射衰減相對(duì)應(yīng)，我們把這些原因所導(dǎo)致的超聲能量衰減統(tǒng)稱為吸收衰減。 |
| 由此可見(jiàn)，超聲波在材料中的衰減機(jī)理很復(fù)雜，我們以綜合衰減來(lái)考慮，假定距離振源X=0處的聲壓振幅為P0，經(jīng)過(guò)距離X后的聲壓振幅為PX，則：PX=P0·e-αx，式中的α稱為衰減系數(shù)，它可以被分為兩部分，即：α=αs+αa，式中的αs為散射衰減系數(shù)，αa為吸收衰減系數(shù)。因此，以α表示的衰減系數(shù)是一個(gè)材料的綜合性參數(shù)，它一般會(huì)隨超聲頻率的提高而增大。 |
| 在超聲檢測(cè)中，可以測(cè)定超聲波通過(guò)材料后聲能的減小程度（例如超聲脈沖反射法中工件底面反射回波波幅降低程度的評(píng)定-稱為底波損失評(píng)定或簡(jiǎn)稱底反射損失，或者如超聲波穿透法檢測(cè)），可用以評(píng)定材料顯微組織的性質(zhì)、形態(tài)及分布，例如檢測(cè)金屬材料的粗晶、過(guò)熱與過(guò)燒、魏氏組織（金屬鍛件中的一種過(guò)熱組織）、碳化物不均勻度、球墨鑄鐵的碳化物球化率、碳鋼的室溫拉伸強(qiáng)度以及應(yīng)力測(cè)定等等。已有資料介紹利用因?yàn)樯⑸湓斐傻碾s波顯示及回波波幅的衰減評(píng)定來(lái)判斷機(jī)車(chē)車(chē)輪（含碳量0.53~0.61%的珠光體鋼）的珠光體組織中滲碳體片層間距，從而輔助判斷車(chē)輪的屈服極限與耐磨性。還有資料報(bào)道把超聲衰減特性用于材料的疲勞試驗(yàn)（在疲勞試驗(yàn)中，試件內(nèi)部的自身摩擦和晶格畸變能導(dǎo)致超聲波散射，破斷面的局部塑性變形能導(dǎo)致超聲能量的被吸收）以及用于鋼的斷裂韌性評(píng)價(jià)。把超聲衰減特性與聲速特性相結(jié)合，已經(jīng)可以用于測(cè)定例如鈦合金中的含氫量（降低鈦合金發(fā)生氫脆的危險(xiǎn)性）以及評(píng)定鋁合金的時(shí)效質(zhì)量等等。 |
| §2.1.1.4 超聲波的速度特性 |
| 同一波型的超聲波在不同材料中有不同的傳播速度，而在同一材料中，不同波型的超聲波也有不同的傳播速度。當(dāng)材料的成分、顯微組織、密度、內(nèi)含物比例、濃度、聚合物轉(zhuǎn)化率、強(qiáng)度、溫度、濕度、壓強(qiáng)（應(yīng)力）、流速等等存在差異或發(fā)生變化時(shí)，其聲速也將出現(xiàn)差異。 |
| 利用專門(mén)的聲速測(cè)定儀或利用普通的超聲脈沖反射型探傷儀或測(cè)厚儀，將未知聲速的材料與已知聲速的標(biāo)準(zhǔn)試樣比較，從而可以測(cè)出材料的聲速或者聲速變化，可以應(yīng)用于： |
| （1）材料物理常數(shù)的測(cè)定，如： |
| 根據(jù)物理學(xué)中的關(guān)系式，一般有：聲速C=(E/ρ)1/2，式中的ρ為材料密度，E為材料的彈性模量。由于聲速受材質(zhì)的各向異性、形狀及界面的影響，并且根據(jù)超聲波的振動(dòng)形式不同而要分別采用各自的彈性模量，因此： |
| 在氣體和液體中的縱波速度（氣體和液體中只能存在縱波）有：CL=(K/ρ0)1/2，式中的K為材料的容變彈性模量（體積彈性模量），ρ0為無(wú)聲波存在時(shí)介質(zhì)的原靜止密度。 |
| 在固體中： |
| 直徑小于超聲波波長(zhǎng)的細(xì)棒中軸向傳播的超聲縱波速度有：Cl=(E/ρ)1/2，式中的E為材料的楊氏彈性模量，ρ為材料密度 |
| 直徑大于超聲波波長(zhǎng)的粗棒中軸向傳播的超聲縱波速度有：CL=1/2=1/2 |
| 式中的K為材料的容變彈性模量（體積彈性模量），G為材料的切變彈性模量，σ為材料的泊松比（材料在力的方向上出現(xiàn)縱向應(yīng)變的同時(shí)，在垂直方向上也會(huì)產(chǎn)生橫向應(yīng)變，它們之間的比率稱為泊松比，這是材料的物理特性之一）。 |
| 橫波聲速有：Cs=(G/ρ)1/2=1/2 |
| 瑞利波聲速有：CR=[(0.87+1.12σ)/(1+σ)]·(G/ρ)1/2 |
| 它們之間的相互關(guān)系有： |
| Cl/CL=[(1+σ)(1-2σ)/(1-σ)]1/2；Cs/CL=1/2；CR/Cs=(0.87+1.12σ)/(1+σ)； |
| E=Cl2·ρ·[(1+σ)(1-2σ)/(1-σ)]；G=Cs2·ρ；E=2G(1+σ)；...等等 |
| 利用這些關(guān)系式，在測(cè)定了聲速并已知另一參數(shù)時(shí)，即可計(jì)算得到其他的參數(shù)。 |
| （2）測(cè)量溫度：介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的溫度相關(guān)，利用這一特性可以用于非接觸測(cè)量介質(zhì)溫度，還可進(jìn)一步用于指示介質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)以及相變，測(cè)量介質(zhì)的比熱、熔解熱、反應(yīng)熱和燃燒熱，測(cè)量介質(zhì)的純度和分子量等等。 |
| （3）測(cè)量流量：超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播時(shí)（例如氣體、液體或含有一定比例固體顆粒的流體傳送管道，或者水渠等），相對(duì)于固定坐標(biāo)系統(tǒng)，其傳播速度與靜態(tài)條件下的速度不同而與介質(zhì)的流速有關(guān)，因而可以根據(jù)聲速的變化確定流速并進(jìn)一步確定流量（流通著的流體橫截面積x流速）。 |
| （4）測(cè)量液體的粘度η：根據(jù)切變聲阻抗Z與(η·ρ)1/2（η為液體的粘度，ρ為液體的密度）存在正比關(guān)系，而聲阻抗Z=ρ·C，因此通過(guò)測(cè)量聲速并確定了液體的密度后，即可確定液體的密度。 |
| （5）應(yīng)力測(cè)量：超聲波在材料中的傳播速度隨外加應(yīng)力有近似線性的變化（稱為超聲應(yīng)力效應(yīng)），因此可以利用來(lái)測(cè)量混凝土預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的強(qiáng)度、金屬的強(qiáng)度和殘余應(yīng)力、緊固件（例如緊固螺栓）上的拉伸應(yīng)力等等。 |
| （6）硬度測(cè)量：利用瑞利波在金屬表面淬硬層中的速度變化特性，可以確定金屬表面的硬度或者硬化層的深度。 |
（7）測(cè)定金屬表面裂紋的深度：利用瑞利波沿金屬表面直接傳遞和存在表面裂紋時(shí)瑞利波繞過(guò)裂紋傳遞的時(shí)間之間存在的差異，根據(jù)瑞利波的傳播速度，可以計(jì)算得出裂紋的深度。這種方法稱作時(shí)間延遲法或渡越時(shí)間法、△t法，見(jiàn)右圖所示。
（8）測(cè)量厚度：根據(jù)超聲波傳播距離X與聲速C、傳遞時(shí)間t的關(guān)系：X=C·t，例如在采用超聲脈沖反射法測(cè)厚時(shí)，就有：工件厚度d=C·t/2，這里使用分母2的原因是超聲探頭發(fā)射超聲脈沖至工件底面并反射返回探頭被接收，因此其聲路經(jīng)過(guò)了兩倍的工件厚度。
利用超聲波的速度特性，還可應(yīng)用于例如球墨鑄鐵的強(qiáng)度及石墨球化度的測(cè)量、確定陶瓷土坯的濕度以確定進(jìn)窯焙燒的時(shí)機(jī)、氣體介質(zhì)的特性分析（例如工業(yè)用氧氣及氮?dú)獾募兌?、?dòng)物呼吸的新陳代謝速率、氣體中某一組分的含量變化等），以及測(cè)量石油餾分的密度、氯丁橡膠乳 | |
超聲時(shí)間延遲法測(cè)定
表面裂紋深度
|
| 液的密度等等?？傊?，超聲速度特性的應(yīng)用，特別是在工業(yè)測(cè)量技術(shù)中的應(yīng)用是很多的。 |
| §2.1.1.5 超聲波的諧振特性 |
超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)波，我們可以利用超聲諧振儀把頻率可調(diào)的超聲波（主要利用縱波）入射到被檢工件中，當(dāng)超聲波與工件的固有頻率發(fā)生頻率共振時(shí)，相向傳播的入射波與反射波互相疊加形成駐波，此即縱波垂直入射的厚度共振，如右圖所示。
利用這種諧振特性，可以應(yīng)用于：
（1）測(cè)厚：
試樣厚度為d，在其中傳播的超聲波波長(zhǎng)為λ，則在發(fā)生諧振時(shí)得到：d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n·λn/2，式中n為任意正整數(shù)，亦即此時(shí)被檢工件的厚度等于諧振超聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。
當(dāng)試件材料的超聲波速C為已知時(shí)，根據(jù)聲速、波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系式：C=λ·f，可以得到在厚度共振時(shí)的超聲波頻率：fn=C/λn=n·C/2d，當(dāng)n=1時(shí)，f1=C/2d，這f1就是厚度共振的基頻，由于任何兩個(gè)相鄰諧波的頻率之差等于基頻，則有：fn-fn-1=nf1-(n-1)f1=f1，因此可以利用諧振儀確定厚度共振時(shí)兩個(gè)相鄰諧波的頻率，則工件厚度為：d=C/[2(fn-fn-1)]，或者在兩個(gè)不相鄰諧波的頻率分別為fm和fn時(shí)，由于：fm-fn=(m-n)f1，因此d=(m-n)·C/[2(fm-fn)]
（2）檢測(cè)缺陷：
當(dāng)被檢工件中存在缺陷時(shí)，與無(wú)缺陷的相同工件相比，其國(guó)有頻率將會(huì)發(fā)生改變，因而諧振狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化（諧振頻率改變），從而可以據(jù)此檢測(cè)出缺陷的存在。例如用于測(cè)定金屬的硬度、檢查薄板點(diǎn)焊的質(zhì)量，特別是用于復(fù)合材料及膠接結(jié)構(gòu)的膠接缺陷（如未粘合、脫粘、貧膠等）以及膠接強(qiáng)度的檢測(cè)，成為專門(mén)用于檢查膠接質(zhì)量的“聲振檢測(cè)法”。 | |
試件的駐波
|
| 超聲波諧振特性的一個(gè)典型應(yīng)用是超聲硬度計(jì)，它是借助超聲傳感器桿諧振頻率的變化來(lái)測(cè)量硬度，主要用于測(cè)定金屬的洛氏硬度，采用比較法也可用于其他測(cè)量。超聲硬度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)試件表面的破壞極小、測(cè)量速度很快、操作程序簡(jiǎn)單，特別適合于成品工件檢驗(yàn)，并且可以手握測(cè)頭直接對(duì)工件檢測(cè)，特別適合于不易移動(dòng)的大型工件、不易拆卸的部件進(jìn)行測(cè)量。下面以營(yíng)口儀器廠生產(chǎn)的“HC-IB型超聲硬度計(jì)”為例做簡(jiǎn)介： |
| 在均勻的接觸壓力下，傳感器桿*的壓頭與試件表面接觸，則傳感器桿的諧振頻率會(huì)隨試件的硬度而改變，通過(guò)測(cè)量傳感器桿的這種諧振頻率變化，即可確定試件的硬度。 |
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