201*年度鋼軌探傷年檢理論考試題

201*年度鋼軌探傷年檢理論考試題

單位：姓名:成績

一、填空題（每空1分，共20分）

1、超聲波探傷儀的水平線性與確定缺陷的位置有關(guān)。

2、超聲波探傷儀的垂直線性與確定缺陷的大小有關(guān)

3、手工檢查鋼軌一般按一看、二敲、三照、四卸的過程進行。

4、鋼軌超聲波儀器檢查規(guī)定上道作業(yè)一般采用二臺探傷儀分股并進，其間距不應(yīng)超過50m。

5、鋼軌焊縫傷損常見的水平裂紋主要發(fā)生在軌頭鄂部部位。6、鋼軌探傷中，GTS-60試塊稱為實物試塊。7、鋼軌探傷中，WGT-3試塊稱為對比試塊。

8、在A型超聲波顯示中表示時間的水平掃描線稱為時基線。9、當頻率和材料一定時，通常橫波對于小缺陷的檢測靈敏度高于縱波。10、超聲波探傷中，能從各個方向都能探測到的缺陷是點狀缺陷。11、在允許速度小于120km/h的正線上，鋼軌頂面擦傷超過2mm時，應(yīng)判為

重傷。

12、高錳鋼整鑄轍叉，輪緣槽縱向水平一側(cè)裂紋長度超過80mm，判為輕傷。13、雙晶聯(lián)合探頭，由于盲區(qū)較小，因此有利于發(fā)現(xiàn)近表面缺陷的探測。

14、允許速度小于160km/h的線路，鋁熱焊縫距軌枕邊不得小于100mm。15、《鋼軌探傷管理規(guī)則》規(guī)定，在役焊縫探傷應(yīng)包括焊縫和熱影響區(qū)再內(nèi)的整

個鋼軌焊接接頭，即自焊縫中心向兩側(cè)各延伸200mm。

16、《鋼軌探傷管理規(guī)則》規(guī)定，新焊焊縫雙探頭探傷質(zhì)量標準為，軌底角部位

存在不小于φ3-6DB的平底孔當量缺陷，焊縫判廢。

17、《鋼軌探傷管理規(guī)則》規(guī)定，新焊焊縫橫波單探頭探傷質(zhì)量標準為，軌底部位存在不小于φ4豎孔當量缺陷，焊縫判廢。

18、.焊縫探傷時，斜探頭的基本掃查方式有鋸齒形掃查、左右掃查、前后掃查、轉(zhuǎn)角掃查、環(huán)繞掃查、平行斜平行掃查及交叉掃查、串列式掃查等。

19、雙線區(qū)段須另設(shè)線路標志時，應(yīng)設(shè)在列車運行方向左側(cè)。

20、探傷儀測距按深度調(diào)節(jié)，全長為鋼中橫波200mm，用K2探頭探測厚80m試

件，在6.3格發(fā)現(xiàn)一缺陷，則缺陷至探頭入射點水平距離是126。二、選擇題（每題1分，共20分）

1、超聲波鋼軌探傷儀示波屏水平滿刻度代表鋼中橫波聲程250mm，用37度探頭由軌面探測60kg/m鋼軌，正常軌底焊筋波大約在(B)左右顯示。A、8格B、9格C、9.5格D、10格

2、在下述測試項目中指出與評價超聲波探傷儀主要性能有關(guān)的測試項目（A）。

A、分辨力和靈敏度B、指向性和近場長度C、折射角和入射角D、指示長

度1

3、《鋼軌探傷管理規(guī)則》規(guī)定，0°探頭探測鋁熱焊縫時，底波比正常焊縫底波低（D）及以上，焊縫判廢。

A、6dBB、8dBC、12dBD、16dB

4、由發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，通過試件傳遞后再由另一接收探頭接收的檢驗方法稱為（C）

A、表面波法；B、斜射器；C、穿透法；D、垂直法5、把電能轉(zhuǎn)化為超聲波聲能的器件叫做（D）A、發(fā)射器；B、輻射器；C、分離器；D、換能器6、缺陷所反射的聲能大小取決于(D)

A、缺陷大��；B、缺陷取向；C、缺陷類型；D、上述三種

7、70度探頭探測60kg/m鋼軌時，時基線聲程為250mm，軌端顎部底角反射波應(yīng)

出現(xiàn)在刻度(A)左右。

A、4.8格B、5.2格C、4格D、3格

8.鋼軌探傷儀37度探頭探測50kg/m鋼軌第一螺孔時（聲程為200mm），探頭入射點剛過接縫進入另一跟軌面時，在熒光屏刻度3.9格左右顯示(B)。A、螺孔波B、半個螺孔波C、顎部反射波D、倒打螺孔波9、粗晶材料探傷通常選用的超聲頻率為（B）A、2.5MHz；B、1.25MHz；C、5MHz；D、10MHz10、橫波探傷最常用于（A）

A、焊縫、管材探傷；B、測定金屬制品的彈性特征；C、探測厚板的分層缺陷；D、簿板測厚

11、鋼軌閃光焊縫中存在的主要缺陷是(C)。

(A)光斑、過燒和未焊透(B)夾砂、氣孔、縮孔、疏松、未焊透和裂紋(C)灰斑、燒傷和裂紋(D)灰斑、過燒、和裂紋12、鋼軌氣壓焊縫中存在的主要缺陷是(A)。

(A)光斑、過燒和未焊透(B)夾砂、氣孔、縮孔、疏松、未焊透和裂紋(C)灰斑、燒傷和裂紋(D)灰斑、過燒、和裂紋13、鋼軌鋁熱焊縫中存在的主要缺陷是(B)。

(A)光斑、過燒和未焊透(B)加渣、夾砂、氣孔、縮孔、疏松、未焊透和裂紋(C)灰斑、燒傷和裂紋(D)灰斑、過燒、和裂紋14、鐵路線路曲線地段鋼軌的外部傷損主要有(B)。(A)側(cè)磨、擦傷和剝離掉塊(B)側(cè)磨、波磨和剝離掉塊(C)擦傷、工具劃傷和魚鱗傷(D)銹蝕、擦傷和魚鱗傷

15TB/T2340-201*標準規(guī)定，0°探頭在探測WGT-3試塊110mm底面時，當波

高達到80％時其靈敏度余量不小于(A)。(A)36dB(B)46dB(C)40dB(D)30dB

2

16、允許速度120km/h＜Vmax≤160區(qū)段，鋼軌頂面上有一剝落掉塊,長26mm,深4mm，該傷損屬于（C）

A、輕傷；B、輕傷有發(fā)展；C、重傷；D、折斷

17、允許速度小于120km/h區(qū)段，鋼軌低頭的重傷標準是（D）A、超過1mm；B、超過1.5mm；C、超過2.5mm；D、超過3.5mm18、P60鋼軌的軌高是（A）

A、176mm；B、超過152mm；C、超過192mm；D、超過167mm

19、鋼軌探傷儀37度探頭探測50kg/m鋼軌第一螺孔時（聲程為200mm），探頭入射點剛過接縫進入另一跟軌面時，在熒光屏刻度3.9格左右顯示(B)。(A)螺孔波(B)半個螺孔波(C)顎部反射波(D)倒打螺孔波。20、用單斜探頭檢查焊縫常易漏掉（A）

A、線狀夾碴；B、與探測面垂直的大而平的缺陷；C、密集氣孔；D、未焊透

三、判斷題（每題1分，共20分）

1、靈敏度余量、盲區(qū)、分辨力屬于超聲波檢測儀的性能指標(對)2、超聲波檢測時要求聲束方向與缺陷取向平行為宜。(錯)

3、鋼軌頂面魚鱗狀缺陷波一般出現(xiàn)在二次波范圍，有時波的位移量較大,應(yīng)認真校對。(對)

4、用單斜探頭探測焊縫軌底腳較小缺陷時，如果傷損存在于焊縫中心下部，則傷波顯示在焊筋輪廓波前面(對)

5.大型鋼軌探傷車0°探頭可檢測鋼軌軌頭和軌腰的水平裂紋和縱向垂直裂紋。(對)

6、焊縫中的裂紋回波信號基本特征是波幅不高,當探頭作原位擺動或轉(zhuǎn)動時,波幅無明顯變化。(錯)7、缺陷本身的開隙度,取向,表面粗糙度以及內(nèi)涵物等都會對缺陷回波高度有影響。(對)

8、鋼軌探傷儀中70°探頭，其折射角允許誤差不大于±3°。（錯）9、鋁熱焊焊縫中夾砂是面積型缺陷。（錯）10、鋁熱焊焊縫中未焊透是面積型缺陷。（對）

11.用單斜探頭探測焊縫軌底腳缺陷時，如果傷損存在于焊縫中心中部，則傷波和焊縫同時顯示，傷波在輪廓波的前面。(對)

12.斜探頭主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷。(對)13.超聲波檢測使用的試塊，其功能不僅僅是用于調(diào)整檢測靈敏度和評估缺陷大小。(對)

14.進行焊縫探傷時，如焊縫磨平，為發(fā)現(xiàn)焊縫的橫向缺陷，應(yīng)在焊縫上，沿焊縫的橫向探測。(錯)

15.超聲波探傷中所指的衰減僅為材料對聲波的吸收作用。(錯)16.焊縫探傷中,依據(jù)缺陷的靜態(tài)波形可準確地判斷缺陷性質(zhì)。(錯)

17.缺陷本身的開隙度,取向,表面粗糙度以及內(nèi)涵物等都會對缺陷回波高度有影響。(對)

18.斜探頭主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷。(對)

19.鋼軌探傷儀中70°探頭，其折射角允許誤差不大于±3°。（錯）20.70°探頭發(fā)現(xiàn)核傷，回波位移量越大，則傷損一定大。（錯）

3

四、簡答題（每題5分，共40分）

1、鋼軌探傷中常見的傷損有哪些？

答：鋼軌核傷、鋼軌接頭部位傷、鋼軌縱向水平和垂直裂紋、鋼軌軌底裂紋、鋼軌焊縫缺陷

2、A型超聲波鋼軌探傷儀主要指標有哪些？

水平線性、垂直線性、動態(tài)范圍、靈敏度余量、分辨力、盲區(qū)、電噪聲電平

3、國產(chǎn)鋼軌出廠時應(yīng)有哪些標記？

制造廠標鋼軌類型鋼種符號鋼軌制造年月熔煉號品級號

4、超聲波探傷儀的垂直線性是什么？

探傷儀熒光屏上顯示的信號幅度與輸入接受器的信號幅度成正比關(guān)系的程度

5、鋼軌探傷儀某一通道無回波的外部檢查順序是什么？

首先檢查面板上的回波控制鈕，如增益、衰減、抑制等，然后檢查探頭架、探頭，看其位置是否正確，耦合是否良好，再檢查探頭連接線及對接電纜。

6、手工檢查鋼軌時應(yīng)注意的五種暗傷的特征是什么?

鋼軌頂面上被車輪磨光的白面（白光）與黑面相交的地方不成直線軌面上的白光中有烏光或黑線軌頭肥大軌頭鄂部銹蝕

7、在什么情況下應(yīng)增加探傷次數(shù)或縮短探傷周期?1冬季2在橋梁上、隧道內(nèi)、小半徑曲線、答坡道及鋼軌狀態(tài)不良地段3傷軌數(shù)量出現(xiàn)異常，連續(xù)兩個探傷周期內(nèi)都發(fā)現(xiàn)疲勞傷損（如核傷、魚鱗傷、螺孔裂紋、水平裂紋）地段4大修換軌初期（75kg/m、60kg/m鋼軌累計通過總重50mt，50kg/m鋼軌為累計通過總重25mt）、超過大修周期地段、高貴與運量不匹配地段

8、超聲波斜角探傷掃查方式有哪幾種？

前后掃查左右掃查w形掃查斜平行掃查定點轉(zhuǎn)動掃查擺動掃查串列掃查交叉掃查

4

擴展閱讀：鋼軌探傷1章理論

第一章無損檢測基礎(chǔ)知識

第一節(jié)無損檢測概述

一、無損檢測簡介（一）無損檢測的定義

無損檢測（NDT）是一門綜合性的應(yīng)用科學技術(shù)，它是在不改變或不影響被檢對象使用性能的前提下，借助于物理手段，對材料或構(gòu)件進行宏觀與微觀缺陷檢測，幾何特性度量，化學成分、組織結(jié)構(gòu)和力學性能變化的評定，并進而就材料或構(gòu)件使用性能做出評價的一門學科。工業(yè)領(lǐng)域中的無損檢測類似于人們買西瓜時的“拍皮猜瓜”。買西瓜時，用手輕輕拍打西瓜外皮，聽聲響或憑手感，想猜一下西瓜的生熟，這是人們常有的習慣，這種并不損壞西瓜而知西瓜生熟的檢測方式就是生活中的“無損檢測”。不過，需要指出的是，類似“拍皮猜瓜”這些古老而簡單的無損檢測方法盡管至今仍在沿用，但因它們對缺陷的位置和大小做不出“基本相符”的判斷，而不被視為無損檢測的技術(shù)方法。真正的技術(shù)方法必須確保無損檢測結(jié)果的準確性和可重復性。

（二）無損檢測的作用

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，無損檢測已經(jīng)廣泛深入到產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用等各個方面，它在產(chǎn)品質(zhì)量控制中所起的不可取代的重要作用已為日益眾多的科技人員和企業(yè)家所認同。在設(shè)計階段，設(shè)計單位要充分考慮無損檢測的實際能力，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計要求與無損檢測的靈敏度、分辨率和可靠性相一致；在制造階段，為確保產(chǎn)品質(zhì)量達到設(shè)計要求，同樣要運用無損檢測技術(shù)，根據(jù)一定標準對原料的缺陷以及非均質(zhì)性進行鑒定和評價；在使用階段，為保證使用的可靠性，使用部門必須根據(jù)設(shè)計部門規(guī)定的周期和方法及制造部門所提交的檢測細則對指定零部件進行可靠的無損檢測甚至于適時監(jiān)控。事實上，就是用戶訂貨，也常常通過無損檢測技術(shù)進行驗收檢查，有

人說，現(xiàn)代工業(yè)是建立在無損檢測基礎(chǔ)之上的，此并非言過其實之詞，現(xiàn)代無損檢測技術(shù)不僅形式多樣，技術(shù)手段也日臻成熟，在鑄件、鍛件、棒材、粉末冶金制件、焊接件、非金屬材料、陶瓷制件、復合材料、鍋爐、壓力容器、核電設(shè)備等許多領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用，對于改進產(chǎn)品的設(shè)計制造工藝、降低制造成本以及提高設(shè)備運行的可靠性等具有十分重要的意義，其作用主要有：

1．無損探傷對產(chǎn)品質(zhì)量作出評價。無論是鑄件、鍛件、焊接件、鈑金件或機加工件以至非金屬結(jié)構(gòu)都能應(yīng)用無損檢測技術(shù)探測它表面或內(nèi)部缺陷，并進行定位定量分析。

2．材料檢測用無損檢測技術(shù)測定材料的物理性能和組織結(jié)構(gòu)，能判斷材料的品種和熱處理狀態(tài)，進行材料分選。

3．幾何度量產(chǎn)品的幾何尺寸、涂層和鍍層厚度、表面腐蝕狀態(tài)、硬化層深度和應(yīng)力密度都能用無損檢測技術(shù)測定，根據(jù)測定結(jié)果利用斷裂理論確定是否進行修補和報廢處理，對產(chǎn)品進行壽命評定。

4．現(xiàn)場監(jiān)視對在役設(shè)備或生產(chǎn)中的產(chǎn)品進行現(xiàn)場或動態(tài)檢測，將產(chǎn)品中的缺陷變化信息連續(xù)的提供給運行和生產(chǎn)部門實行監(jiān)視。在高溫、高壓、高速或高負載的運行條件下尤其需要無損檢測。例如壓力容器和鋼軌的探傷等。

（三）無損檢測的特點1．不破壞被檢對象。2．可實現(xiàn)100%的檢驗。

3．發(fā)現(xiàn)缺陷并做出評價，從而評定被檢對象的質(zhì)量。

4．可對缺陷形成原因及發(fā)展規(guī)律做出判斷，以促進有關(guān)部門改進生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量。

5．對關(guān)鍵部件和關(guān)鍵部位在運行中作定期檢查，甚至長期監(jiān)控以保證運行安全，防止事故發(fā)生。

（四）無損檢測的發(fā)展

從無損檢測的作用和特點表明，無損檢測技術(shù)是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，它必將隨著工業(yè)生產(chǎn)的進步而發(fā)展，早期的無損檢測稱為無損探傷（NDI），它的作用是在不損壞產(chǎn)品的前提下發(fā)現(xiàn)人眼無法看到的缺陷，以滿足工程設(shè)計中的強度要求。第二階段稱為無損檢測（NDT），這個階段始于70年代，它不但檢測最終產(chǎn)品，而且要測量各種工藝參數(shù)，制成工件后還需知道它的組織結(jié)構(gòu)、晶粒大小和殘余應(yīng)力等。第三階段稱為無損評價（NDE），尤其對航空、航天、核電、能源、交通、石油和化工等方面的機械產(chǎn)品，在加強檢測同時注重產(chǎn)品質(zhì)量的評價，確保每一件產(chǎn)品都是合格的。在工業(yè)發(fā)達國家已從一般無損評價發(fā)展到自動無損評價，采用計算機來進行檢測和評價，盡可能減少人為因素的影響，這在超聲檢測的發(fā)展中成為突出，例如鋼軌探傷車。這種發(fā)展趨勢促使無損檢測人員應(yīng)具有更廣的知識面，更深厚的基礎(chǔ)理論和更高的綜合分析能力。

二、常用無損探傷方法

無損探傷是無損檢測（包括探傷、測量、評價）的一個重要組成部分，它是對材料、工件或組件進行非破壞性檢測和分析，以發(fā)現(xiàn)材料和構(gòu)件中非連續(xù)性宏觀缺陷（如裂紋、夾渣、氣孔等）為主要目的的檢驗。無損探傷的方法種類較多，據(jù)美國國家宇航局調(diào)研分析，認為可分六大類約70余種，但在實際應(yīng)用中較普遍的為超聲探傷、射線探傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流探傷五種常規(guī)方法，除此之外，還有紅外監(jiān)測、聲振檢測、激光全息攝影、微波探傷、同位素射線示蹤等非常規(guī)探傷技術(shù)。鑒于超聲波探傷在目前占有舉足輕重的地位，本書將在后面予以重點介紹，以下針對其它幾種

常規(guī)探傷簡要介紹基本原理、主要特點和適用場合。

（一）射線探傷（RT）

射線通常指Χ射線、γ射線、α射線、β射線和中子射線等，其中，Χ射線、γ射線和中子射線因易于穿透物質(zhì)而在產(chǎn)品質(zhì)量檢測中獲得了廣泛應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用中的射線探傷技術(shù)大體上可以分為：射線照相探傷技術(shù)、射線實時成相探傷技術(shù)、射線層析（CT）探傷技術(shù)等，常規(guī)的射線探傷技術(shù)一般指射線照相探傷技術(shù)（以下均以此技術(shù)介紹），其基本原理（如圖1－1）為：射線在穿過物質(zhì)的過程中，會受到物質(zhì)的散射和吸收作用，依物體材料、缺陷和穿透距離的不同，射線強度將產(chǎn)生不同程度的衰減，這樣，當把強度均勻的射線照射到物體的一側(cè)，使透過的射線在物體另一側(cè)的膠片上感光，把膠片顯影后，得到與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷相對應(yīng)的黑度不同的圖像，即射線底片。通過對圖像的觀察分析，最終確定物體缺陷的種類、大小和分布情況。

射線探傷適用于體積型缺陷探測。如氣孔、夾碴、縮孔、疏松等，對片型缺陷檢測較難。

圖1－1缺陷的射線照相

（二）磁粉探傷（MT）

磁粉探傷是指把鋼鐵等鐵磁性材料磁化后，利用缺陷部位所發(fā)生的磁極吸附磁粉的特性，顯示缺陷位置的方法。如圖1－2所示，把一根中間有橫向裂紋的強磁性材

料試件進行磁化后，可以認為磁化的材料是許多小磁鐵的集合體，在沒有缺陷的連續(xù)部分，由于小磁鐵的Ｎ、Ｓ磁極互相抵消，而不呈現(xiàn)出磁極，但在裂紋等缺陷處，由于磁性的不連續(xù)將呈現(xiàn)磁極，在缺陷附近的磁力線繞過空間出現(xiàn)在外面，此即缺陷漏磁，缺陷附近所產(chǎn)生的稱作為缺陷的漏磁場，其強度取決于缺陷的尺寸、位置及試件的磁化強度等，這樣，當把磁粉散落在試件上時，在裂紋處就會吸附磁粉，稱為缺陷磁粉跡痕，由此可以發(fā)現(xiàn)缺陷的部位。

磁粉探傷僅適用于鐵磁材料的表面或近表面缺陷的檢測，其探傷靈敏度高低受試件表面光潔度、缺陷形狀和取向、磁化方法和范圍等影響。磁粉探傷能確定缺陷的位置、大小和形狀，但對缺陷深度確定較難。

圖1－2磁場的形成

（三）滲透探傷（PT）

滲透探傷是指將溶有熒光染料（熒光探傷）或著色染料（著色探傷）的滲透劑施加在試件表面，滲透劑由于毛細作用能滲入到各型開口于表面的細小缺陷中，此時清除附著在表面的多余滲透劑，經(jīng)干燥和施加顯像劑后，在黑光或白光下觀察，缺陷處

可分別相應(yīng)地發(fā)出黃綠色的熒光或呈現(xiàn)紅色，從而能夠用肉眼檢查出試件表面的開口缺陷。滲透探傷的基本步驟如圖1－3。滲透探傷除熒光滲透探傷和著色滲透探傷方法外，還有濾出粒子探傷法，氪氣體滲透成像等。

滲透探傷適用于檢測金屬和非金屬材料表面開口的裂紋、折疊、疏松、針孔等缺陷。它能確定缺陷的位置、大小和形狀，但難于確定其深度，不適用于探測多孔性材料及材料內(nèi)部缺陷。

圖1－3滲透探傷的基本操作過程

（四）渦流探傷（ET）

渦流探傷是將通有交流電的激勵線圈靠近某一導電試件（如圖1－4所示），由于電磁感應(yīng)作用，進入試件的交變磁場可在試件中感生出方向與激勵磁場相垂直的、呈旋渦狀流動的電流（渦流），此渦流會轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一與激勵磁場方向相反的磁場使原磁場有部分減少，從而引起線圈阻抗的變化，通過對線圈阻抗變化的測量，就可得知試件中產(chǎn)生的渦流狀況，從而獲悉與試件有關(guān)的一些參量。當試件內(nèi)有缺陷時，渦流因流動途徑的變化，使渦流磁場也相應(yīng)變化，經(jīng)試驗線圈檢出異常磁場的變化量，可獲得缺陷的信息。

由于渦流是交流電，具有集膚效應(yīng)，在導電試件的表面較多，隨著渦流向試件內(nèi)部的深入，電流按指數(shù)函數(shù)而減少，因此，渦流探傷主要適用于金屬和石墨等導電材料的表面和近表面缺陷，通常能夠確定缺陷的位置和相對尺寸，不適用于非導電材料

的缺陷檢測。

圖1－4渦流的產(chǎn)生

以上介紹了幾種常用探傷方法的基本原理，實際應(yīng)用當中，射線探傷和超聲波探傷適合于內(nèi)部缺陷探測，而磁粉、滲透、渦流探傷則適合于表面缺陷探測，它們各有其優(yōu)越性，因此必須結(jié)合缺陷具體情況合理配合使用，才會收到更好的效果。幾種探傷方法的比較見表1－1。

表1－1五種常規(guī)無損探傷方法比較

項目探傷方法1．對確定內(nèi)部缺陷大小、位置、取超聲探傷2．適用廣泛、使用靈活、費用低廉1．適用于幾乎所有材料2．探傷結(jié)果（底片）顯示直觀、便射線探傷于分析4．探傷技術(shù)和檢驗工作質(zhì)量可以監(jiān)測1．直觀顯示缺陷的形狀、位置、大小2．靈敏度高，可檢缺陷最小寬度約磁粉探傷為1μm3．幾乎不受試件大小和形狀的限制。4．檢測速度快、工藝簡單、費用低廉5．操作簡便、儀器便于攜帶1．只能用于鐵磁性材料2．只能發(fā)現(xiàn)表面和近表面缺陷3．對缺陷方向性敏感但不知道缺陷的深度檢測鑄件、鍛件、焊縫和機械加式零件等鐵磁性材料的表裂紋）1．檢驗成本較高2．對裂紋類缺陷有方向性限制射線的傳播）1．難于對缺陷作精確定性和定量的復雜性有一定限制可用于金屬、非金屬及復合材料的鑄、鍛、焊件與板材檢測鑄件及焊接件等構(gòu)件內(nèi)部缺陷，特別是體積型缺陷（即具有一定空間分布的缺陷），優(yōu)點缺點適用范圍向、埋深、性質(zhì)等比其它方法有優(yōu)勢2．一般需用耦合劑，對試件形狀3．探傷結(jié)果可以長期保存3．需考慮安全防護問題（如Χ、γ4．能知道缺陷的位置和表面長度，面和近表面缺陷（如1．只能檢測開口于表面的缺陷，1．設(shè)備簡單，操作簡便，投資小2．效率高（對復雜試件也只需一次滲透探傷檢驗）3．適用范圍廣（對表面缺陷，一般不受試件材料種類及其外形輪廓限制）且不能顯示缺陷深度及缺陷內(nèi)部的形狀和尺寸2．無法或難以檢查多孔的材料，檢測結(jié)果受試件表面粗糙度影響3．難于定量控制檢驗操作程序，多憑檢驗人員經(jīng)驗、認真程度和視力的敏銳程度1．適于自動化檢測（可直接以電信號輸出）渦流探傷2．非接觸式檢測，無需耦合劑且速度快3．適用范圍較廣（既可檢測缺陷也可檢測材質(zhì)、形狀與尺寸的變化等）用于檢驗有色和黑色金屬的鑄件、鍛件、粉末冶金件、焊接件以及各種陶瓷、塑料、玻璃制品的裂紋、氣孔、分層、縮孔、疏松、折疊及其它開口于表面的缺陷用于鋼鐵、有色金屬等導電材料所制成的試件，不適于玻璃、石頭和合成樹脂等非金屬材料1．只限用于導電材料2．對形狀復雜試件及表面下較深部位的缺陷檢測有困難，檢測結(jié)果尚不直觀，判斷缺陷性質(zhì)、大小及形狀尚難

第二節(jié)超聲波探傷基礎(chǔ)

超聲波探傷是依據(jù)定向輻射超聲波束在缺陷界面上產(chǎn)生反射或使透過聲能下降等原理，通過測量回波信息和透過聲波強度變化來指示傷損的一種方法。

一、超聲波一般知識

人們?nèi)粘Ｋ�聽到的各種聲音，是由于各種聲源（如演奏小提琴時，聲源即為被擦動的那根弦）的振動通過空氣等彈性介質(zhì)傳播到耳膜引起的耳膜振動，牽動聽覺神經(jīng)，產(chǎn)生聽覺。聲源的振動有快有慢，通常用每秒內(nèi)的振動次數(shù)即“頻率”來衡量快慢，單位為“赫茲”（符號為Hz），必須指出，只有當頻率在一定范圍內(nèi)的振動才能引起聽覺。人們把能引起聽覺的機械振動稱為聲波，頻率大致在20Hz～20kHz（即201*0Hz，1kHz＝1000Hz）。頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波，頻率高于20kHz的機械波稱為超聲波（用于探傷的超聲波頻率范圍為0.2～25MHz，其中最常用的頻段為0.5～10MHz）。生活當中，人耳聽不到超聲波，但蝙蝠、秋蟲和海豚等卻能聽見并可用超聲波傳遞信息。尤其是蝙蝠，它能發(fā)射超聲脈沖，并能接受和識別從電線等障礙物或昆蟲等反射回來的波，因此它在飛行時不會碰撞障礙物。超聲波探傷大多采用的就是

像蝙蝠這樣的脈沖反射形式，這種反射波又叫回波。

超聲波探傷可檢查金屬材料、部分非金屬材料的表面和內(nèi)部缺陷。如檢查鍛件中的白點、裂紋、夾渣、分層；非金屬材料中的氣泡、分層和粘合層中的粘合不良；焊縫中裂紋，未焊透、夾渣、氣孔以及管棒和鍛件中與表面成一定角度的缺陷。它之所以被廣泛地應(yīng)用于無損探傷。

超聲波探傷的優(yōu)點

1．指向性好。超聲波波長很短，像光波一樣，可以定向發(fā)射，因而能方便、準確地對缺陷定位。

2．穿透能力強。超聲波能量高，在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時能量損失小，在一些金屬材料中傳播時，其穿透能力可達數(shù)米，其它無損探傷手段無法比擬。

3．檢測靈敏度高。一個存在于鋼中的空氣分層厚度為10－6mm，反射率可超過21%，當分層厚度在10－5mm以上時，反射率可超過94%，其靈敏度居所有無損探傷方法之首。

4．可檢出各種取向的缺陷。通過應(yīng)用多種波型以及各種探頭作不同方向的探測，能探出工件內(nèi)部和表面各種取向（與表面平行或傾斜）的缺陷。

5．檢測速度快，費用低（僅耗損少量電能和耦合劑）。超聲波探傷的局限性

1．探測結(jié)果受人的因素影響。對試件中缺陷的發(fā)現(xiàn)與評價，主要取決于探傷人員對儀器的調(diào)節(jié)和判斷。

2．探測表面要求制備。不良的探測面影響傷損檢測靈敏度。3．檢測結(jié)果受工件形狀、晶粒和組織不均勻性的限制。

4．定量精度差。探測出缺陷的當量或延伸度與實際缺陷大小均有一定的誤差。

在介質(zhì)表面?zhèn)鞑�時介質(zhì)表表面波R對稱型（S蘭姆波型）非對稱型（A型）面質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向薄板中心質(zhì)點作縱向運動，上下表面質(zhì)點作相位相反并對稱于中心的橢圓運動薄板中心質(zhì)點作橫向運動，上下表面作相位相同的橢圓運動固體（厚度與波長相當?shù)谋“澹┕腆w（厚度與波長相當?shù)谋“澹┍“�、薄壁鋼管�?mm）薄板、薄壁鋼管（6mm）固體鋼板、鍛件、鋼管探傷等2．按振動持續(xù)時間分

根據(jù)波源振動持續(xù)時間的長短，超聲波可分為連續(xù)波和脈沖波兩種，如圖1－5所示。其中連續(xù)波是指波源持續(xù)不斷地振動所輻射的波，常用于穿透法探傷和共振法測厚。而脈沖波則指波源振動持續(xù)時間很短（微秒級，1μｓ＝10－6ｓ）、間歇輻射的波，超聲波探傷中廣泛采用的就是脈沖波。

圖1－5連續(xù)波與脈沖波

3．按波的形狀分

波形是根據(jù)波陣面的形狀來區(qū)分的，所謂波陣面，是指同一時刻介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點所聯(lián)成的面，其中，某一時刻波動所到達的空間各點所聯(lián)成的面稱為波前（波前是最前面的波陣面），任一時刻，波前只有一個。一般把波的傳播方向稱為波線。根據(jù)波陣面形狀的不同，波又可以分為三種：平面波、柱面波和球面波。如圖1－6所示，它們的特性見表1－3。

圖1－6超聲波波形表1－3不同波形分類及特性

波的形式特性1．無限大平面（即波長與聲源尺寸相比可忽略不計）作諧振動時，在各向同性的彈性介質(zhì)中傳播平面波的波2．如不考慮介質(zhì)吸收波的能量，聲壓不隨與聲源的距離而變化球面波1．聲源為點狀球體，波陣面是以聲源為中心的球面2．聲強與距聲源距離的平方成反比1．聲源為一無限長的線狀直柱，波陣面是同軸圓柱面2．聲強與距聲源的距離成反比柱面波4．按原理分類

（1）脈沖反射法超聲波探頭發(fā)射脈沖到工件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測工件缺陷的方法。

（2）衍射時差法（TOFD）采用一發(fā)一收雙探頭方式，利用缺陷部位的衍射波信號來檢測和測定缺陷尺寸的一種超聲檢測方法。

（3）穿透法采用一發(fā)一收雙探頭分別放置在工件相對的兩端面，依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透工件之后的能量變化來檢測工件缺陷的方法。

（4）共振法依據(jù)工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，此方法常用于工件測厚。

5．按顯示方式分類

根據(jù)接收信號的顯示方式可分為A型顯示和超聲成像顯示。

6．按探頭數(shù)目分類

（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。（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。（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，通常與多通道儀器和自動掃查裝置配合。

7．按探頭與工件的接觸方式分類

（1）接觸法探頭與工件檢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，故稱為直接接觸法。

（2）液浸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。耦合劑可以是水，也可以是油，當水作耦合劑時，稱為水浸法。

（3）電磁耦合法采用電磁探頭激發(fā)和接收超聲波的檢測方法，也稱為電磁超聲檢測方法。使用這種方法時，探頭與工件之間不接觸。

8．按人工干預的程度分類

（1）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。該方法簡便實用，但檢測可靠性受人為因素影響較大。

（2）自動檢測使用自動化超聲檢測設(shè)備，在最少的人工干預下進行并完成檢測的全部過程。一般指采用自動掃查裝置，或在檢測過程中可自動記錄聲束位置信息、自動采集和記錄數(shù)據(jù)的檢測方式。該方法所要求的檢測設(shè)備較復雜，但檢測可靠性受人為因素影響較小。

（三）超聲波的基本參數(shù)

1．振幅（A）指振動質(zhì)點偏離平衡位置的最大距離。

2．頻率（ｆ）振動質(zhì)點單位時間（通常指1秒，以下同）內(nèi)圍繞平衡位置完

成全振動的次數(shù)稱為振動頻率，其數(shù)值與波動頻率相等。波動頻率是指波動過程中任一給定質(zhì)點在單位時間內(nèi)通過完整波的個數(shù)。單位為赫茲（Hz）。

在實際探傷中往往會遇到重復頻率的概念，其含意是指每秒鐘內(nèi)由脈沖發(fā)生器激勵探頭晶片的脈沖次數(shù)，即發(fā)射超聲波的探頭每秒鐘向試件發(fā)射超聲波的次數(shù)。為了提高探傷速度，一般要求重復頻率越高越好，但過高的重復頻率會導致發(fā)射和接收間的干擾，產(chǎn)生幻象回波，因此，重復頻率應(yīng)根據(jù)被檢工件的大小，一次聲程所需要的時間，儀器接收和發(fā)射超聲波的能力，以及探傷速度等多方面因素決定。

3．周期（T）指振動質(zhì)點完成一次全振動所需要的時間。單位為秒（ｓ）。周期與頻率的關(guān)系為：T1f4．波長（λ）同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點間的距離稱為波長。波源或介質(zhì)中任一質(zhì)點完成一次全振動，波正好前進一個波長的距離。單位為毫米（mm）或米（m）。

5．聲速（C）聲波在彈性介質(zhì)中，單位時間內(nèi)所傳播的距離。也可稱為波速。單位為米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。由聲速、波長和頻率的定義可得：

Cf或C

f聲速（C）與介質(zhì)的彈性模量和介質(zhì)的密度有關(guān)，對一定的介質(zhì)，彈性模量和密度為常數(shù)，故聲速也是常數(shù)。不同介質(zhì)有不同的聲速，介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小則聲速愈大，對液體介質(zhì)來說，當介質(zhì)溫度變化時，其容變彈性模量和密度會發(fā)生變化，因而聲速也隨著變化。另外，超聲波波型不同時，介質(zhì)彈性變形形式不同，聲速也不一樣。一般來說，在同一種固體材料中（由于液體和氣體介質(zhì)只能傳播縱波，因而其聲速不存在波型問題），縱波聲速（CL）大于橫波聲速（CS），橫波聲速（CS）

又大于表面波聲速（CR）。表1－4為一些常用材料的聲速和波長。

表1－4一些常用材料的聲速和波長

材料鋼有機玻璃尼龍1010水油空氣聲速（km/s）縱波5.92.732.41.481.40.34橫波3.231.43－－－－－－－－縱波波長（mm）2MHZ2.951.371.20.740.700.172.5MHZ2.361.090.960.590.560.14橫波波長（mm）2MHZ1.6150.715－－－－－－－－2.5MHZ1.2920.572－－－－－－－－（四）超聲場及其特征值1．超聲場概述

通常把充滿超聲波的空間部分稱為超聲場。如圖1－7所示為圓盤聲源（指一種圓平面狀的振子）輻射的縱波聲場軸線上的聲壓分布規(guī)律。

圖1－7圓盤聲源聲束軸線上的聲壓分布

由圖可知，波源附近的軸線上聲壓上下起伏變化，存在若干個極大極小值。距波源的距離愈近，聲壓極大極小值的點就愈密。聲學上把由子波的干涉在波源附近的軸線上產(chǎn)生一系列聲壓極大極小值的區(qū)域稱為超聲場的近場區(qū)。波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度，用Ｎ表示。近場區(qū)長度可以用下式來計算：

D22D2AN

44式中：D－－為圓形壓電晶片的直徑；

λ－－為超聲波波長；

A－－方晶片（或矩形晶片）面積。

實際探傷中，有時近場區(qū)分布于兩種不同的介質(zhì)中，這時近場區(qū)長度計算與均勻單一介質(zhì)不同，如圖1－8所示，超聲波先通過介質(zhì)Ⅰ，然后進入介質(zhì)Ⅱ，設(shè)介質(zhì)Ⅰ的厚度為Ｌ，則介質(zhì)Ⅱ的剩余近場區(qū)N為：

C1D2NN2LL？

C242式中：N2近場區(qū)全部在介質(zhì)Ⅱ中的近場區(qū)長度；

λ2介質(zhì)Ⅱ中的波長；

C1、C2介質(zhì)Ⅰ、Ⅱ中的波速。

圖1－8近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布圖

由于近場區(qū)存在聲壓極大極小值，處于聲壓極大值處的較小缺陷可能回波較高，而處于聲壓極小值處的較大缺陷可能回波較低，這樣就可能引起誤判，所以超聲探傷中總是盡量避開這一區(qū)域。

至波源的距離大于近場區(qū)長度（x＞N）的區(qū)域稱為遠場區(qū)。在遠場區(qū)中，軸線上的聲壓隨距離增加而單調(diào)減少，在距離x＞3N時，圓盤源聲束軸線上的聲壓與球面波的聲壓相差已甚小，如圖1－7中虛線所示。

以上討論的是波源軸線上的聲壓分布情況，對超聲場中不同截面上的聲壓來說，其分布規(guī)律如圖1－9所示，在Χ=0.5N的截面中心聲壓為0，中心附近的聲壓較高，而Ｘ≥N的各截面中心聲壓最高，偏離中心的聲壓逐漸降低。

圖1－9超聲場縱截面聲壓分布

2．波束指向性與半擴散角（θ0）

日常使用燈泡照明時，燈泡的光亮總是朝各個方向發(fā)散，而手電筒卻能射出一束范圍狹窄亮度較強的光。高頻超聲與低頻可聽聲相比，就好比手電筒與燈泡一樣，前者容易形成窄小的聲束。以圓形平板振動聲源為例，只要平板直徑（D）與聲波波長（λ）符合合適的比例（比如說，平板直徑為7.5mm，而聲波頻率為100萬赫），就能得到如圖1－10所示的窄小的波束，像這種探頭發(fā)出的超聲波能量集中在一定區(qū)域并向一個方向輻射的現(xiàn)象稱為波束指向性。晶片發(fā)出的超聲波束如手電筒發(fā)出的光柱類似，在靠近晶片較短的范圍看作是筆直傳播，經(jīng)過一段距離后，按一定角度擴展輻射，非擴散的區(qū)域為近場長度（N）的1.67倍，大于1.67N為擴散區(qū)，其優(yōu)劣常用半擴散角（θ0）表示。半擴散角是指超聲波定向輻射的錐角之半，即波束軸線與邊緣之間的夾角，又稱指向角。超聲波的能量主要集中在2θ0以內(nèi)的錐形區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域稱為主聲束，主聲束邊緣聲壓為零。

圖1－10超聲場主聲束和副聲束

主聲束旁側(cè)的波束為副聲束，副聲束能量低，傳播距離小。對圓盤聲源輻射的縱波聲場，其聲束半擴散角計算式如下：

0arcsin1.22上式可知，半擴散角θ0與

D70D

比值有關(guān)，相同條件下，若晶片直徑（D）愈大或波D長（λ）愈短，則半擴散角（θ0）就愈小，波束指向性就愈好，超聲波能量集中，探傷靈敏度高，分辨率好，定位精確，不過近場長度（N）也將愈大。

邊長為a的方晶片聲束半擴散角計算式：

0arcsin1.08a57a

需要指出的是，上述分析主要建立在圓盤聲源輻射的縱波聲場基礎(chǔ)上，對于橫波發(fā)射聲場（常用的超聲波橫波由斜探頭得到），其近場區(qū)長度和半擴散角計算相對更復雜一些，可以參考相關(guān)書籍。

3．超聲場的特征值

描述超聲場的特征值主要有聲壓、聲強和聲阻抗。

（1）聲壓超聲場中某一點某一瞬時所具有的壓強（P1）與該點沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強（P0）之差稱為該點的聲壓（P）。單位為帕斯卡（Ｐa，1Pa＝1N/m2）。在超聲場內(nèi)，各點的聲壓并不一樣，通常某一點的聲壓是一個隨時間按正弦函數(shù)周期變化的量，其幅值與介質(zhì)密度、聲速和頻率成正比。由于超聲波的頻率很高，遠大于

聲波的頻率，故超聲波的聲壓也遠大于聲波的聲壓。

（2）聲阻抗介質(zhì)中某一點的聲壓與該點的振動速度之比稱為聲阻抗（Z）。單位為kg/（m2ｓ），數(shù)值上聲阻抗等于介質(zhì)密度（ρ）與聲速（C）的乘積，即ZPC，

V它表示超聲場中介質(zhì)對質(zhì)點振動的阻礙作用。由于固體、液體和氣體三者的波速和密度相差很大，因此，它們的聲阻抗大不相同，即使在同一固體介質(zhì)中，由于縱波、橫波和表面波的聲速（C）不同，因此它們的聲阻抗也不一樣。

（3）聲強單位時間內(nèi)，垂直通過單位面積的聲能量稱為聲強（Ｉ）。常用單位

為erg/（cm2s）或W/cm2。對于平面余弦波，其平均聲強（Ｉ）為：

11P2222ICAWZV

222Z由于聲強的變化范圍非常大，數(shù)量級可以相差很多，如人耳可聞的最弱聲強（稱為標準聲強）為Ｉ0=10－16W/cm2，而人耳可忍受的聲強達10－4W/cm2。兩者相差1012倍，顯然不便于比較和計算。因此常用兩個聲波聲強之比的常用對數(shù)值來表示兩者的關(guān)系，稱為聲強級（IL）。單位為貝爾（BeL），即IL=lgI/I0。在實用上，貝爾這個單位太大，因而常取其1/10，單位為分貝（dB）。即IL=10lgI/I0。由于聲強與聲壓的平方成正比，所以有IL=10lg（I/I0）=20lg（P1/P2）（dB）。對于放大線性良好的超聲波探傷儀，示波屏上波高與聲壓成正比，即任意兩波高之比H1/H2等于相應(yīng)的聲壓之比P1/P2，兩者的分貝差為：

20lgPH120lg1P2H2（五）超聲波的傳播特性1．波的散射

超聲波在介質(zhì)中傳播時遇到小于波長的障礙物或其它不連續(xù)性，而使超聲波向各個不同方向產(chǎn)生無規(guī)律反射、折射或衍射的現(xiàn)象稱為散射。散射的結(jié)果使聲能分散、穿透力降低和引起不規(guī)則的草狀雜波，導致信噪比及靈敏度下降。

散射現(xiàn)象的強弱取決于材料內(nèi)部組織、入射波波長和異質(zhì)界面的平整度。當被檢工件為鑄件或奧凡體焊縫；探測面或反射面不平整；工件內(nèi)存在與波長相當?shù)臍饪缀蛫A雜，散射現(xiàn)象尤為嚴重。鋼軌探傷中遇有軌面擦傷，軌底（軌顎）銹蝕，以及鋁熱焊焊縫的晶粒粗大等引起靈敏度下降、雜波增多就是散射現(xiàn)象的反射。

2．波的繞射

超聲波在傳播過程中經(jīng)過障礙物邊緣或小孔時，所產(chǎn)生的展衍現(xiàn)象稱為繞射（圖1－11）。繞射現(xiàn)象取決于障礙物尺寸（D）和波長（λ）之比。當D5．波的衍射

波在傳播過程中遇到障礙物時能繞過其邊緣并繼續(xù)前進的現(xiàn)象稱為波的衍射或繞射。超聲波在傳播過程中遇到障礙物時，一方面產(chǎn)生反射和折射，另一方面產(chǎn)生繞射。如果障礙物尺寸遠小于超聲波波長，則超聲波傳播時幾乎只繞射而無反射，由于繞射使反射回波減弱，因此，一般認為超聲波探傷所能探測到的最小缺陷尺寸為

/2。

6．惠更斯定理

惠更斯在波動的起源和波動在彈性介質(zhì)中傳播的規(guī)律基礎(chǔ)上，總結(jié)了通過障礙物上小孔所形成新的波動與孔前的波動狀態(tài)有關(guān)這一實驗現(xiàn)象（如圖1－12所示），并提出了著名的惠更斯原理：介質(zhì)中波動傳到的各點都可看作是發(fā)射子波的波源，在其后的每一時刻，這些子波的包絡(luò)就決定新的波陣面。

圖1－12障礙物上小孔成為新波源

用點振動源波陣面的包絡(luò)來解釋波動現(xiàn)象的惠更斯原理是介于幾何聲學和波動理論之間的方法，是一種工程上實用的方法，這對討論超聲場、超聲波指向性及缺陷聲壓反射率計算和波的傳播問題，具有重要的指導意義。

（六）超聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上，部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi)，稱反射波，另有部分能量透過界面進入另一種介質(zhì)，稱透射波。界面上

這種聲能（聲壓、聲強）的分配和傳播方向的變化都遵循一定的規(guī)律。

在工業(yè)生產(chǎn)中常運用超聲透射法對產(chǎn)品進行無損探測。超聲波發(fā)生器發(fā)射出的超聲波能夠透過被檢測的樣品，被對面的接收器所接收（圖1－13a）。如果樣品內(nèi)部有缺陷，超聲波就會在缺陷處發(fā)生反射（圖1－13b），這時，對面的接收器便收不到或者不能全部收到發(fā)生器發(fā)射出的超聲波信號。這樣，就可以在不損傷被檢測樣品的情況下，檢測出樣品內(nèi)部有無缺陷。

圖1－13超聲探傷

1．超聲波垂直入射單層界面時的反射和透射

當超聲波從聲阻抗為Z1介質(zhì)垂直入射到聲阻抗為Z2的介質(zhì)，其界面為足夠大的單一光滑平界面時，則服從表1－5所示的反射和透射規(guī)律：

表1－5平面波垂直入射到單一平界面的反射與透射規(guī)律

項目概念界面上反射波聲壓Pr與入射波聲壓Ｐ0之比界面上透射波聲壓Ｐt與入射波聲壓Ｐ0之比界面上反射波聲強與Ｉr與入射波聲強Ｉ0之比界面上透射波聲強Ｉt與入射波聲強Ｉ0之比透射聲波無損失（如固/氣界面產(chǎn)生全反射）地反射返回到接收處的聲壓Pa與入射波表達式反射、透射示意簡圖聲壓反射率（r）rtRTPrZZ12PZ1Z20聲壓透射率（t）P2Z2tPZ2Z10IrZZ12r2(2)I0Z1Z2It4Z1Z2I0(Z1Z2)2聲強反射率（R）聲強透射率（Ｔ）聲壓往復透射率（Ｔ）TPaPtPa4Z1Z2P0P0Pt(Z1Z2)2聲壓Ｐ0之比表1－5說明，超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。表中公式不僅適用于縱波入射，也適用橫波入射（但必須注意在固／液與固／氣界面上，橫波將全反射）。一般情況下界面兩側(cè)的聲阻抗有以下三種表現(xiàn)：

（1）當Z1≈Z2時，即界面兩側(cè)的聲阻抗近似相等，如普通碳鋼焊縫的母材與焊接金屬之間的聲阻抗相差很小，一般約為1%，這時可以得到r≈0，t≈1。顯然，這種情況下，聲壓幾乎全透射，無反射。因此，在焊縫探傷中，若母材與焊接金屬結(jié)合面沒有任何缺陷，就不會產(chǎn)生界面回波。

（2）當Z1>Z2時，如鋼／機油界面，計算可得反射率為95%，透射率5%，所以在試塊上調(diào)試靈敏度時，如反射體（平底孔或橫通孔）內(nèi)滲入機油，會導致聲能的透射而使反射回波略有下降。

（3）當Z1>>Z2時，如鋼／空氣界面，計算可得：r≈－1，t≈0，R≈1，T≈0。顯然，此時聲壓幾乎全反射而無透射。因此，實際探傷中，探頭與工件間或探頭與保護膜間如不施加耦合劑，則形成固（晶片）／氣界面，超聲波將無法進入工件。

2．超聲波垂直入射雙層界面時的反射和透射

超聲波探傷中，經(jīng)常會遇至垂直入射雙層平行界面的情況，如復合板的探傷，工件中片狀缺陷的檢測，探頭與保護膜間的耦合，以及鋼軌擦傷引起表面剝離層等，雖然聲波通過每一層界面時仍服從反射和透射規(guī)律，但由于薄層中聲波的疊加，使反射和透射規(guī)律更為復雜。

（1）工件中夾有片狀缺陷（Z1=Z3≠Z2），它的聲壓反射率與缺陷厚度有關(guān)，當厚度為半波長的整數(shù)倍時，缺陷的反射聲壓很弱，呈現(xiàn)半波透聲現(xiàn)象，為了提高缺陷聲壓反射率，可采取改變探傷工作頻率，增加缺陷的反射聲壓，有利于缺陷檢測，但改

變后的頻率不能是原頻率的整數(shù)倍。

（2）鋼軌擦傷引起的剝離層若厚度大，超聲波在剝離層往復傳播一次所用時間大于脈沖寬度，則能在熒光屏上顯示多次反射波，如果剝離層的厚度很小，而脈沖寬度較大時，多次反射波會重疊在一起，形成寬而雜的回波。

（3）探頭與保護膜之間的耦合層（Z1≠Z2≠Z3），要實現(xiàn)良好的透聲性，就應(yīng)注意耦合層材料的聲阻抗和厚度的選擇，一般Z2Z1Z3，厚度為1/4波長的奇數(shù)倍

透聲性最好。如選擇不恰當?shù)鸟詈蠈踊蚴窃谔筋^和保護膜之間加的凡士林過厚都會使探傷靈敏度下降。

3．超聲波傾斜入射時的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換

當超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時，除產(chǎn)生反射、折射（透射）現(xiàn)象以外，還往往伴隨著波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，即產(chǎn)生與入射波不同類型的反射波和折射波。這種現(xiàn)象只發(fā)生在斜入射且介質(zhì)為固體（因為液、氣體介質(zhì)中只能傳播縱波）的場合，并與界面兩側(cè)介質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)。具體規(guī)律詳見表1－6所示。

表1－6超聲波斜入射時的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換

波型一般情形圖示規(guī)律（表達式）說明1．指不考慮有波型轉(zhuǎn)換的入射情況。2．α、γ、β－－波的入射角、反射角和折射角。sinsinsinC1C1C2c1、c2－－超聲波分別在兩種介質(zhì)中的傳播速度。3．該表達式為超聲波傾斜入射時的反射和折射定律，又稱斯涅爾定律。1．以固－固界面分析，兩種介質(zhì)中都有波型轉(zhuǎn)換，即經(jīng)界面反射和折射后，不僅仍有縱波，還出現(xiàn)了橫波。2．CL1、CL2－－兩介質(zhì)中的縱波聲速�？v波入射sinLsinLsinsCL1CL1CS1sinLsinSCL2CS2CＳ1、CS2－－兩介質(zhì)中的橫波聲速。γＬ、γＳ－－縱、橫波反射角。βＬ、βS－－縱、橫波折射角。αＬ－－縱波入射角。3..若CL2>CL1，則βＬ=90°時對應(yīng)的縱波入射角稱為第一臨界角，用αⅠ表示。若CS2>CL1，則βS=90°時對應(yīng)的縱波入射角稱為第二臨界角，用αⅡ表示。1.以固－固界面分析，兩種介質(zhì)中都有波型轉(zhuǎn)換，橫波入射sinSsinLsinSCS1CL1CS1sinLsinSCL2CS2即經(jīng)界面反射和折射后，不僅仍有橫波，而且出現(xiàn)了縱波。2.αS－－橫波入射角。3..當γＬ=90°時，對應(yīng)的橫波入射角稱為第三臨界角，用αⅢ表示。（1）臨界角的特點由表1－6通過計算可知：αⅠ＝arcsin

CCL1C；αⅡ＝arcsinL1；αⅢ=arcsinS1。

CL1CL2CS2若第一介質(zhì)中的縱波入射角αL＜αⅠ，則第二介質(zhì)中既存在折射橫波，又存在折射縱波。若αL=αⅠ～αⅡ，則第二介質(zhì)中只存在折射橫波，不存在折射縱波。這就是常用橫波探頭的設(shè)計原理和依據(jù)。若αL＞αⅡ，則第二介質(zhì)中既無折射縱波，也無折射橫波，但這時在第二介質(zhì)表面形成表面波。這就是常用表面波探頭的設(shè)計原理和依據(jù)。只有當?shù)谝唤橘|(zhì)為固體時，才會有第三臨界角。

（2）縱波入射有機玻璃與鋼界面

縱波從有機玻璃斜入射擊至鋼中的折射率和入射角關(guān)系見圖1－14。由圖可見，入射角小于28時，鋼中有折射縱波和折射橫波；當入射角28~62時，鋼中只有折射橫波。

圖1－14有機玻璃與鋼的折射率和入射角之間關(guān)系

縱波從有機玻璃斜入射擊至鋼中的往復透過率見圖1－15。由圖可見，當入射角αL為30~55（折射角βS為35~75）時，折射橫波聲壓往復透過率較大，最大為30%，在一定條件下入射角為30探頭比50探頭的往復透過率高。

圖1－15有機玻璃與鋼界面往復透過率

（3）端角的反射

超聲波在兩個相互垂直平面構(gòu)成的直角內(nèi)反射稱為端角反射（圖1－16）。每次反射過程都遵循超聲波的反射定律，與入射波波型相同的反射，以平行于入射方向返回，反射率的大小與入射角和入射波型有關(guān)。

圖1－16端角反射示意圖

縱波入射時，除入射角很�。�0附近）或入射角很大（90附近）的情況外，縱波在很大范圍內(nèi)聲壓反射率均很低（見圖1－17），當縱波入射角為15~75間，不超過20%，這是由于縱波在端角平面上兩次反射，分離出很強橫波，這類橫波不能沿與入射方向平行途徑返回，使縱波的端角反射率很低。橫波入射時，入射角在20~34或56~70范圍內(nèi)聲壓反射率為最低，當橫波入射角為35~55間，端角反射率達100%，其原因是橫波入射角均超過第三臨界角。鋼軌探傷中37探頭檢測軌底橫向裂紋就是利端角反射特性來實現(xiàn)。

圖1－17端角反射率

（4）工件側(cè)壁平面的反射

對截面寬度或直徑d與探頭晶片尺寸可比的長直工件進行軸向縱波探測時，探頭

擴散聲束中的一部分邊緣聲束等于以很大的縱波入射角αL斜入射工件側(cè)壁平面，并產(chǎn)生縱波和變型橫波S1（見圖1－18），其中S1橫波穿越工件成為另一側(cè)壁平面上的入射橫波，其中一部分經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后成為變型縱波L2和橫波S2，L2經(jīng)底面反射后被探頭接收。若工件足夠長，則變型橫波可能在工件厚度方向上作多次橫穿，它們的波型轉(zhuǎn)換情況與第一次橫穿時類同。因為橫波聲速比縱波聲速慢，這樣經(jīng)變型橫波轉(zhuǎn)換后探頭接收到的回波顯然滯后于單純縱波傳播至底返面的回波，滯后時間與變型橫波橫穿工件厚度的次數(shù)成正比。這些比正�？v波底面回波滯后的變型波稱為遲到回波，其滯后聲程△S可用下式計算：

△S=nd(CL)21

2CS式中：d－－工件厚度（或直徑）；

n－－變型橫波橫穿工件次數(shù)。

圖1－18工件側(cè)壁引起的干擾現(xiàn)象

鋼中遲到回波的滯后聲程為：△S=0.76nd；鋁中遲到回波的滯后聲程為：△S=0.88nd。位于工件側(cè)壁附近的小缺陷，用與側(cè)壁平行的聲束很難檢測，這是因為

存在著工件側(cè)壁干擾現(xiàn)象的緣故。這一干擾現(xiàn)象往往由經(jīng)側(cè)壁反射后的縱波（或橫波）與不經(jīng)反射的直射縱波之間的干涉引起的，其結(jié)果是干擾了直射聲波的返回聲壓，使探測靈敏度下降。

在脈沖反射式探傷中，一般脈沖持續(xù)時間所對應(yīng)的聲程不大于4λ，故只要側(cè)壁反射聲束路程大于直射縱波聲束路程4λ，側(cè)壁干擾即可避免。因此，干擾條件應(yīng)滿足：

2W－h(huán)=4λ

式中：W－－聲束入射點到側(cè)壁反射點距離；

H－－入射點至被探測缺陷的距離；λ－－波長。（5）61°反射

當探頭置于如圖1－19所示的直角三角形工件上時，若縱波入射角與橫波反射角的關(guān)系為：+=90°，則會在示波屏上出現(xiàn)位置特定的反射波。

圖1－1961°反射

由＝90°－得：sin=cos由反射定律得：

CsinsintanLsincosCS

對于鋼：tanCL5900反射。1.82即。61，所以這種反射稱為61°

CS323061°反射的聲程為：

x61abCLabtanBEECBCCS當探頭在AB邊上移動時，反射波的位置不變，其聲程恒等于直角三角形61°角所對的直角邊長BC，

實際檢測中，當探頭置于如圖6－12所示的11W試塊上A處或類似結(jié)構(gòu)的工件上時，同樣會產(chǎn)生61°反射。

這時61°反射的聲程為：

xAd1Rcom61d11.82d22R

CLd2Rsin61CS當探頭向左平行移動到B、C處時，還會出現(xiàn)兩種反射回波。B處是縱波反射角與入射角均等于45°，其聲程為XB＝d1－Rcos45°＋d2－Rsin45°＝d1＋d2－2Rsin45°＝d1＋d2－1.414RC處是縱波垂直入射并反射，其聲程為Xc=d1－R

對于IIW塊，d1=70mm，d2=35mm，R=25mm，探頭位于A、B、C三處的回波聲程分別為：

XA＝70＋1.82×35－2×25＝83.7mmXB＝70＋35－1.414×25＝69.6mm

XC=70－25=45mm

對于結(jié)構(gòu)比較復雜的工件，如焊接結(jié)構(gòu)的汽輪機大軸，為了有效的檢測焊縫根部缺陷，特加工61°的斜面，利用61°反射來檢測，從而獲得較高的檢測靈敏度。

（6）圓柱內(nèi)的反射

由于圓柱形工件有一定曲率，直探頭與工件直接接觸時，接觸面為一很窄的條形區(qū)域，從而在圓柱的橫截面內(nèi)產(chǎn)生強烈的聲束擴散。圓柱曲率半徑越小，擴散越大。當擴散聲束與探頭聲軸線夾角（指向角）為30時，擴散縱波聲束經(jīng)圓柱面反射兩次后再返回探頭接收，形成等邊三角形的聲束路徑（見圖1－20），這種三角形反射回波所經(jīng)過的聲程（WL）為：

3WL=dCOS30=1.3d

2即這種等邊三角形反射聲度比聲束軸線附近直射聲束所得底面回波聲程d滯后了0.3d。如果縱波擴散聲束在圓柱面上發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，且一次反射橫波S1再經(jīng)另一側(cè)圓柱面波形轉(zhuǎn)換成二次反射縱波L2，返回探頭接收，形成不等邊（有變型橫波）的三角形遲到回波，此時，這種三角形反射回波聲程為：

WLS=dCOSLdCLSin2L2CS式中：L－縱波半擴散角。對于鋼工件，L=35.6，S=18.8時會產(chǎn)生這種三角形遲到回波，此時，其聲程為WLS=1.67d。

縱波等邊三角形回波及其波形橫波的三角形回波及其波形

圖1－20圓柱體中的三角形回波

（7）曲面上的反射和透射

①平面波入射至彎曲界面上的反射回波

圖（1－21）分別表示了平面入射于凹曲面和凸曲面上的兩種情況，運用幾何聲學作圖原理可以得到它們反射后將會聚于一個焦點上，焦距f=

r。式中r－凹曲面或2凸曲面的曲率半徑。由圖可知，對凹曲面來說，這個焦點是真實的，對凸曲面來說，則在其后面出現(xiàn)虛焦點，反射聲波成像是從虛焦點輻射出來的。

圖1－21平面波入射至凹、凸曲面時的反射

上述分析對球面和圓柱曲面均適用，球面具有焦點，柱面具有焦軸。平面波入射于球面上產(chǎn)生球面反射波，在柱面上則產(chǎn)生柱面反射波。

②球面波入射至彎曲界面上的反射回波

圖（1－22）分別表示了球面波入射于凹曲面和凸曲面上的兩種情況，同理可用幾何作圖得到它們反射后的會聚和發(fā)散。

圖1－22球面波入射至凹、凸曲面時的反射

凹曲面反射波的交點叫做實像點，凸曲面反射波在曲面背后延長線的交點叫做虛像點，b－像距，a－物距，f－焦距，r－曲率半徑。它們之間的關(guān)系為：

1112==bafr式中：正號適用于凹曲面，負號適用于凸曲面，焦距恒為正值。③平面波入射至曲面透鏡后透射波的聚焦和發(fā)散

平面波入射至凹曲面透鏡或凸曲面透鏡時，它們的透射波是會聚焦還是發(fā)散，主要取決于曲面兩邊介質(zhì)的聲速，圖（1－23）為平面波入射至曲面透鏡時的幾種情況。

圖1－23平面波入射至曲面透鏡時的幾種反射

（七）超聲波的衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，超聲波的能量逐漸減弱的現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。

1．衰減的原因

引起超聲波衰減的原因很多，主要包括擴散衰減、散射衰減和吸收衰減。但探傷中所謂的衰減僅指由介質(zhì)對聲波的衰減，即吸收衰減和散射衰減。具體見表1－7所示。

表1－7衰減原因分析

衰減原因概念由波束的擴散引起。即隨著傳播距離的增擴散衰減加，波束截面增大，使單位面積上的能量減少。決定因素１、波陣面的幾何形狀，即波形。如平面波不存在擴散衰減，而柱面波和球面波則存在。２、傳播距離。距離增大，則衰減大。必須指出，擴散衰減與傳播介質(zhì)無關(guān)。１、材料內(nèi)部組織。如鑄件中的鐵素體和石墨顆粒、材質(zhì)晶粒粗大等都可成為散射源。２、入射波波長。若晶粒或缺陷的尺寸與波長相當，則散射特別嚴重。３、異質(zhì)界面的不平度。表面若不光潔，則散射較大。由散射引起的衰減。所謂散射是指波傳播散射衰減時遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如粗大晶粒的界面）從而產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。介質(zhì)質(zhì)點振動時因克服相互間內(nèi)摩擦（即吸收衰減粘滯性）造成聲能損耗而引起的衰減。這部分損耗被轉(zhuǎn)換成熱能向周圍傳播。對于固體介質(zhì)，吸收衰減相對于散射衰減可忽略不計，但對液體介質(zhì)來說，吸收衰減則是主要的。2．衰減的表示方法

表示材質(zhì)衰減的方法有相對比較法和絕對法兩種。相對比較法通常是在儀器靈敏度相同的情況下，對同厚度不同材料的試件測試底面回波高度，或底面回波次數(shù)，或透過波高度。底面回波高，回波次數(shù)多或透過波高，則表示材料衰減小。這種方法只能概略地比較在不同材料中超聲波的衰減情況，不能定量的表示出衰減的大小。絕對法則通過測出材料的衰減系數(shù)α值來反映超聲波在不同介質(zhì)中的衰減程度。測定衰減系數(shù)時要求工件厚度d大于兩倍近場長度，具體測定方法有多種，下面以多次脈沖反射法為例介紹。

（1）當工件厚度2N＜d≤200mm時，可用多次脈沖反射回波高度的比較來測定α，即：

mn（dB/mm）

2(nm)d式中：m、n－－底波反射次數(shù)（n＞m）；

α－－材料的單位衰減系數(shù)；

Δm－n－－示波屏上第m、n次底波波高Bm、Bn的分貝差，mn20lgBm；

Bnd－－工件厚度；

20lgnm。

δ－－表面反射損失，

（2）工件厚度d＞200mm時，采用多次反射可能超出儀器的測定范圍，所以可用底面的第一次和第二次回波的分貝差來計算衰減系數(shù)，即：

20lgB12B20lg20lg16B21B2（dB/mm）

2(21)d2d-35-

二、超聲波探傷方法

超聲波探傷方法可從多個角度來對其進行分類

1．按原理分類共振法、穿透法、脈沖反射法、衍射時差法（TOFD）。2．按顯示方式分類A型顯示和超聲成像顯示（可細分為B、C、D、S、P型顯示等）。

3．按波型分類縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等。4．按探頭數(shù)目分類單探頭法、雙探頭法、多探頭法。

5．按探頭與工件的接觸方式分類接觸法、液浸法、電磁耦合法。6．按人工干預的程度分類手工檢測、自動檢測。

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，針對每個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。

以下簡述超聲波探傷按原理分類情況（一）共振法

若聲波（頻率可調(diào)的連續(xù)波）在被檢工件內(nèi)傳播，當被檢工件的厚度（δ）為聲波半波長（λ/2）的整數(shù)倍，由于入射波和反射波的相位相同，在試件內(nèi)可形成駐波，試件產(chǎn)生共振。如圖1－24所示。

圖1－24（1T12）共振法測厚示意圖

儀器可顯示出共振頻率，用相鄰兩個共振頻率之差計算出工件厚度，則：

C

2(fnfn1)式中：δ試件的厚度；

C被檢試件的聲速；ｆｎ第n點的共振頻率。

像這種應(yīng)用共振現(xiàn)象來檢驗工件的方法稱為共振法。共振法所用設(shè)備簡單，測量精確，常用于壁厚測量。此外，還可用來測量復合材料的膠合質(zhì)量、板材點焊質(zhì)量、均勻腐蝕量和板材內(nèi)部夾層等缺陷。

（二）穿透法

它是最早采用的超聲波探傷法，也叫透射法。其基本原理是：先將兩個探頭分別置于被測工件的兩個相對面，一個探頭發(fā)射超聲波，超聲波即透射過被測工件而被另一面的探頭所接受，若被測件內(nèi)有缺陷存在，由于缺陷可引起超聲波的衰減，因此透射過的超聲波的能量減少。根據(jù)能量減少的程度可判斷缺陷的大小。穿透法分為連續(xù)穿透法和脈沖穿透法兩種。脈沖穿透法如圖1－25所示。其優(yōu)點是：不存在探測盲區(qū)，判定缺陷方法簡單，適用于連續(xù)的自動化探測較薄的工件。缺點是：探傷靈敏度低，分辨率差，不能確定缺陷的深度位置，一般需要專用的探頭夾持裝置。

圖1－25（1T13圖修改）脈沖穿透法

（三）脈沖反射法

超聲波以持續(xù)極短的時間發(fā)射脈沖到被檢工件內(nèi)，當遇到缺陷和底面就會產(chǎn)生反射，根據(jù)反射波的情況來檢測試件缺陷的方法稱為脈沖反射法。它是目前應(yīng)用最廣泛

的一種超聲波探傷法。探傷結(jié)果一般用A型顯示。脈沖反射法可分為垂直探傷法和斜角探傷法兩種。

1．垂直探傷法

垂直探傷時，探頭垂直地或以小于第一臨界角的入射角度耦合到被測件上，在被測件內(nèi)部只產(chǎn)生縱波。垂直探傷法在板材、鍛件、鑄件、復合材料等探傷中廣泛應(yīng)用。它又分一次脈沖反射法和多次脈沖反射法。

（1）一次脈沖反射法。如圖1－26所示，當被測件無缺陷時，示波屏上只有始波（T）和底波（B），當被測件中有小缺陷時，示波屏上除始波和底波外，還有缺陷波（F），當被測件中的缺陷大于聲束直徑時，示波屏幕上只有始波和缺陷波，底波消失。

圖1－26（1T14圖修改）一次脈沖反射法

（2）多次脈沖反射法。如圖1－27所示，該法是以多次底面脈沖反射信號為依據(jù)進行探傷的一種方法。探傷時，示波屏上出現(xiàn)波高逐次遞減的多次底波。這種探傷方法可用于檢測吸收性缺陷（如疏松等）。聲波穿過這些缺陷不引起反射，但聲波衰減很大，聲波經(jīng)幾次底面反射并多次穿過缺陷，使聲能逐漸耗盡，因而底波逐漸消失。

圖1－27（1T15圖修改）多次脈沖反射法

2．斜角探傷法

在脈沖反射探傷法中，用不同角度的斜探頭在被測件中可產(chǎn)生橫波、表面波和蘭姆波的探傷法稱為斜角探傷法。該方法的突出優(yōu)點是可對直探頭探測不到的缺陷進行探傷；可用改變?nèi)肷浣堑姆椒òl(fā)現(xiàn)不同方位的缺陷；用表面波可測得形狀復雜的缺陷；蘭姆波可對薄板進行探傷等。如圖1－28所示為橫波探傷法，前述已提及，探頭晶片入射時，若入射角大于第一臨界角而小于第二臨界角，則被測件中只有折射橫波傳播。橫波斜角探傷法特別適合對焊縫中缺陷的探傷。

圖1－28（1T16圖修改）橫波斜角探傷法

（四）衍射時差法

衍射時差法（TimeOfFlightDiffraction，簡稱TOFD），是利用缺陷部位的衍射波信號來檢測和測定缺陷尺寸的一種超聲檢測方法，通常使用縱波斜探頭，采用一發(fā)一收模式。該方法最早于20世紀70年代由英國原子能管理局國家無損檢測研究中心的哈威爾實驗的MGSilk根據(jù)超聲波衍射現(xiàn)象首先提出來的。缺陷處的衍射現(xiàn)象如圖1－29所示。

圖1－29衍射現(xiàn)象

TOFD方法一般將探頭對稱分布于焊縫兩側(cè)。在工件無缺陷部位，發(fā)射超聲脈沖后，首先到達接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時，在直通波和底面反射波之間，接收探頭還會接收到缺陷處產(chǎn)生的衍射波。除上述波外，還有缺陷部位和底面因波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的橫波，因為聲速小于縱波，因而一般會遲于底面反射波到達接收探頭。工件中超聲波傳播路徑如圖1－30所示，缺陷處A掃描信號如圖1－31所示。

TOFD檢測顯示包括A掃描信號和TOFD圖像，其中A掃描信號使用射頻波形式。而TOFD圖像則是將每個A掃描信號顯示成一維圖像線條，位置對應(yīng)聲程，以灰度表示信號幅度，將掃查過程中采集到的連續(xù)的A掃描信號形成的圖像線條沿探頭的運動方向拼接成二維視圖，一個軸代表探頭移動距離，另一個軸代表掃查面至底面的深度，這樣就形成TOFD圖像。

圖1－32所示為含埋藏缺陷的平板對接焊接接頭的TOFD檢測顯示示意圖，圖中右下方為TOFD圖像，右上方為從TOFD圖像中缺陷部位提取的一個A掃描信號，其中包括直通波、上端點衍射波、下端點衍射波和底面反射波。

圖1－33所示為X形坡口根部連續(xù)夾渣的平板對接接頭的TOFD檢側(cè)顯示圖像。在平板工件中，為了計算缺陷的深度與高度，可以假定探頭中心間距為2S，缺陷深度為d1，缺陷距焊縫中心線的偏移量為x，如圖1－34所示。

根據(jù)幾何關(guān)系，有：

MLCT2tod12Sx21/2d12Sx21/2

式中C－聲速；

T－超聲波傳播的總時間；

t0－超聲波在探頭楔塊中傳播的時間。

假定缺陷位于焊縫中心線上，此時x=0，所得d1值最�。�

圖1－30不同曲面工件中超聲波傳播路徑a）平板工件b）凸面工件c）凹面工件

圖1－31缺陷處A掃描信號

圖1－32TOFD檢測顯示示意圖（含埋藏缺陷）

圖1－33TOFD檢測顯示圖像（X形坡口根部連續(xù)夾渣）

圖1－34缺陷深度計算圖

d1c2T2toS242若以直通波為參考起點，假定xd10，則缺陷深度為：

122tc4tcS21/2

式中t－缺陷上端點的衍射波與直通波間的傳播時間差；

c－聲速；

2S－探頭中心間距。

缺陷下端點與掃查面間的距離以d2表示，同理可計算出缺陷下端點的深度度d2。則缺陷的自身高度為：

hd2d1

TOFD的掃查方式一般分為非平行掃查、平行掃查和偏置非平行掃查三種。三種掃查方式示意圖分別知圖1－35、圖1－36和圖1－37所示。非平行掃查指探頭運動方向與聲束方向垂直的掃查方式，一般指探頭對稱布置于焊縫中心線兩側(cè)沿焊縫長度方向的掃查方式，可作為初始的掃查方式，用于缺陷的快速檢測和缺陷長度測定，可大致測定缺陷高度，但無法確定缺陷距焊縫中心線的偏移量。偏置非平行掃查指偏移焊縫中心線一定距離的非平行掃查，該掃查方式可增大檢測范圍，提高缺陷高度測量的精度，改進缺陷定位并有助于降低表面盲區(qū)高度。平行掃查指探頭運動方向與聲束方向平行的掃查方式，對已發(fā)現(xiàn)的缺陷進行平行掃查，可改進缺陷定位和缺陷高度測

定的準確性，并為缺陷定性提供更多信息。

與脈沖反射法超聲檢測和射線檢測相比，TOFD的主要優(yōu)點在于：（1）缺陷的衍射信號與缺陷的方向無關(guān)，缺陷檢出率高；（2）超聲波束覆蓋區(qū)域大；（3）缺陷高度測量精確；（4）實時成像，快速分析；（5）缺陷的定量不依賴于缺陷的回波幅度；（6）快速、安全、方便。

圖1－35非平行掃查圖1－36平行掃查

圖1－37偏置非平行掃查

但TOFD也存在其局限性，主要有：（1）由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的寬度，處于此范圍的缺陷波難以被發(fā)現(xiàn)，因此在掃查面和底面存在幾毫米的表面盲區(qū)；（2）TOFD信號較弱，易受噪聲影響；（3）傾向于“過分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，比如氣孔、夾層等；（4）TOFD數(shù)據(jù)分析對檢測人員要求高。

（五）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）。探頭與工件之間既無耦合劑，也不相互接觸。

1．電磁超聲產(chǎn)生的機理

鐵磁性物質(zhì)具有類似結(jié)晶體的結(jié)構(gòu)，在鐵的正離子中央有被電子云包圍的鐵的負離子。其相鄰的原子之間由于電子自旋而產(chǎn)生元磁矩，在元磁矩之間有相互作用力，它驅(qū)使相鄰的元磁矩平行排列在同一方向上，形成磁疇，磁疇間的相互作用很小。鐵磁性材料的磁化現(xiàn)象可從微觀和宏觀兩個方面來分析。微觀磁化強度由上述相互作用理論所給出的自發(fā)磁化強度的數(shù)值決定，亦即磁疇的磁化強度；而宏觀磁化強度則是所有磁疇的微觀磁化強度之和（矢量和），它可以是從零到微觀磁化強度的飽和值。在工程技術(shù)中，主要是利用鐵磁性材料的宏觀磁化強度，即在沒有外磁場作用時，各個磁疇互相均衡，材料總的磁化強度等于零；當有外磁場作用時，這一平衡受到破壞，磁疇的磁化強度矢量都轉(zhuǎn)向外磁場方向與外磁場平行，材料即呈現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。在磁化過程中各磁疇之間的界限發(fā)生移動，因而產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。反之，在外力作用下，引起鐵磁性材料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)變，產(chǎn)生應(yīng)力，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動，從而使磁疇磁化強度矢量轉(zhuǎn)動，因而鐵磁性材抖的磁化強度也發(fā)生相應(yīng)的變化，這種由于應(yīng)力使鐵磁性材料磁化強度變化的現(xiàn)象，稱為逆磁致伸縮效應(yīng)。

可見，在一般鐵磁性材料中，同時存在磁致仲縮與逆磁致仲縮現(xiàn)象。此外，由于電磁感應(yīng)的存在，材料形變而產(chǎn)生的磁場，必然會在材料中感應(yīng)一個電場，所以可以預抖，在鐵磁性材料中的任何機械振動都會伴隨著產(chǎn)生一個電磁振動，這兩種振動產(chǎn)生的波相互耦合在一起，就會形成電磁超聲。

2．電磁超聲激發(fā)和接收

電磁超聲能用于鐵磁材料的檢測，必須既能方便地在材料中激發(fā)電磁超聲，又方便地接收。

例如，對于電磁超聲測厚，可采用如下方法：采取永磁體在鋼板表面建立一垂直于鋼板表面的磁場B，B值可達5000Gs以上。在永磁體與鋼板之間布置線圈，線圈匝數(shù)為50－100，線圈平面垂直于磁場，如圖1－38所示。

某一時刻在線圈中加一高壓窄脈沖，脈沖波形如圖1－39所示，共電壓幅度U為500~1000V，脈寬△t為0.1s左右。強大的脈沖電壓在線圈中產(chǎn)生一定的脈沖電流，并在周圍產(chǎn)生很強的電磁場。輻射到鋼板表面的電磁場，會在鋼板表面產(chǎn)生垂直于由永磁體產(chǎn)生的恒磁場B的渦旋電流I。磁場B、渦旋電流I及鋼板三者之間的關(guān)系如圖1－40所示。

圖1－38電磁超聲模型圖1－39脈沖信號圖

根據(jù)電磁學知識，此渦旋電流I必然受到磁場B的作用而產(chǎn)生作用力F，作用力F的方向平行于鋼板表面，指向渦流中心，如圖1－41所示。這一作用力持續(xù)時間非常短暫，大約等于脈沖電壓的脈寬，作用力引起的電磁振動向鋼板內(nèi)傳播，方向如圖1－41所示。從圖中可以看出，作用力F與傳播方向相互垂直，此電磁振動是橫波。此波到達底面后，有部分透出鋼底面，但大部分被反射回來到達鋼表面，這部分波稱為回波，回波所攜帶的磁場被線圈接收到。由于電磁超聲在鋼表面的透射比較弱，鋼板中的電磁聲可以多次在鋼板內(nèi)來回反射。因此線圈中接收的回波信號將是一系列脈沖串，若采用1000倍的脈沖放大器對回波信號進行放大，10mm厚鋼板的回波信號

如圖1－42a所示；S1為一次回波，S2為二次回波，Sn為n次回波，Sn與Sn+1之間的時間差th（單位：s），可反映鋼板的厚度。圖1－42b所示是回波信號經(jīng)電壓比較器后，獲得的對應(yīng)脈沖序列信號。

圖1－40磁場與渦流的關(guān)系圖1－41鋼板內(nèi)F與B的關(guān)系

圖1－42回波信號圖

3．電磁超聲的特點和現(xiàn)狀

常規(guī)的超聲檢測和測厚給無損檢測工作者帶來最大的不便就是需對檢測對象的表面進行處理，使其達到一定的表面粗糙度。電磁超聲檢測與常規(guī)方法相比無需機械和液體耦合，進行鍋爐、壓力容器和壓力管道檢測時對沾染或結(jié)渣輕微的表面無須進行處理，大大減少了輔助性工作量；由于電磁超聲探頭與工件有一定的距離，因此還可能應(yīng)用于高溫在線檢測；同時電磁超聲檢測速度快，適用于連續(xù)生產(chǎn)線的自動檢則。綜合而言，電磁超聲技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間。

目前，電磁超聲可以像傳統(tǒng)的壓電晶片換能器一樣，在鐵磁性金屬件中產(chǎn)生縱波、橫波、料聲束以及聚焦聲束，可同常規(guī)的超聲檢測一樣來檢查工作中的缺陷。美國材

料與試驗協(xié)會為美國電力研究所研制的電磁超聲測厚裝置可測厚達1mm，準確度為0.05mm；我國的電磁超聲檢測技術(shù)也發(fā)展很快，EMAT裝置已在鋼管自動化檢測、鋼板自動化檢測中進入實用化階段。但是，電磁超聲的缺陷檢出能力和信噪比與常規(guī)的壓電晶片換能器超聲檢測相比，還有待于進一步研究和提高。

三、超聲波遠場規(guī)則反射體的反射規(guī)律（一）各種規(guī)則反射體的反射及其反射聲壓

如前所述，在遠場區(qū)中，聲束軸線上的聲壓變化隨距離的增加呈單調(diào)下降，遠場中的入射聲壓Ｐ基本可按球面波的聲壓變化規(guī)律計算：

D2APP0P0

4xx式中：D－－晶片直徑；

A－－晶片面積，如果方晶片，可直接用面積代入，從而簡化了運算。1．大平面（底面）的反射（圖1－43所示）

遠場中的大平底B，離聲源距離為XB，則大平底上的入射聲壓為：

D2PP04XB式中：XB－－聲程；

λ－－波長。

若把大平底看作鏡面反射，則反射到晶片的聲壓PB，相當于傳播2XB聲程，則為入射聲壓的一半，則大平底上的反射聲壓PB為：

1XD21PBPP0

24XB2

圖1－43大平底面的反射

2．圓形（平底孔底面）或方形平面的反射（圖1－44）

離探頭晶片距離X處，有一直徑Φ的平底孔（Φ

D2P4X把平底孔看作為一個直徑（Φ）為的新聲源，則入射聲壓Ｐ就是新聲源的起始聲壓，所以晶片上接受到的平底孔聲壓PΦ為：

D22AAPP0P0224X4XX式中：A－－晶片面積；

AΦ－－平底孔面積，對于方形或其它平面，只要按其面積代入。

圖1－44平底孔底面的反射

3．圓柱面的反射

若圓柱體直徑為φ，長度為Ｌ，晶片至反射體距離為Xφ，當φ/λ≥2時，則有兩種情況：

（1）長橫孔（圖1－45所示）

當圓柱體φ的長度大于聲束直徑時，其入射聲壓Ｐ為：

D2P

4X反射聲壓Pφ為：

D21PP04X22X式中：φ－－長橫孔直徑。

長橫孔的反射波具有柱面波的性質(zhì)，因此其反射聲壓的后一部分與孔徑平方根成正比，與聲程平方根成反比。

圖1－45長橫孔側(cè)面的反射

（2）短橫孔（圖1－46所示）

當圓柱體短的長度Ｌ小于聲束直徑時，反射聲壓短為：

P短短D2LP0

4X短2X短式中：φ短－－短橫孔直徑。

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