一、超声波的性质
1、声波次声波超声波
声波、次声波、超声波都是机械波，有声速、频率、波长、声压、声强等参数，在界面也会发生反射、折射。
我们能够听到声音是因为声波传到了我们的耳内，声波的频率在20HZ～20000HZ，频率低于或超过上述范围时人们无法听到声音，频率低于20HZ的声波称为次声波，频率超过20000HZ的声波称为超声波。工业探伤上常用的超声波范围是：0.5～20MHz ;其中金属探伤最常用的频率是：1～5MHz；探水泥构建用的频率是：< 0.5MHz,如100KHz,200KHz; 探测玻璃陶瓷中μm级小缺陷用的频率是100MHz～200MHz,甚至更高。
2、超声波的特点
（1）有良好的指向性：
（2）能量高
由于能量（声强）与频率的平方成正比，故超声波的能量远大于声波的能量I1/I2=1MHz2/1KHz2=100万倍。
（3）能像光线一样呈直线传播，并在界面上产生反射、折射和波型转换，在传播过程中还有干涉、叠加、绕射现象，故可以充分利用这些几何、物理特征进行探伤。
（4）在金属材料中的传播速度很快，穿透能力强、衰减小，如对某些金属的穿透能力可达数米，其他检测手段无法相比。
3、超声波的波型与声速
（1）纵波（L）
质点的振动方向与波的传播方向相平行。纵波在固、液、气三种介质中均能传播。
（2）横波（S）
质点的振动方向与传播方向相垂直，质点受到的是交变剪切应力的作用，故亦称切变波。液体和气体不能够承受剪切应力，故无横波传播。
（3）表面波，在固体表面传播。
材料纵波 声速米每秒 横波声速米每秒
钢 5900 3230
水 1400 -----
有机玻璃 2720 1460
铝 6260 3080
铜 4700 2260
4、超声波的反射折射波型转换
（1）入射纵波反射折射波型转换纵波倾斜入射到不同介质的表面时会产生反射纵波反射横折射纵波折射横波，反射、折射角度符合一般的反射折射定律。
(2)第一临界角
当在第二介质中的折射纵波角等于90度时，称这时的纵波入射角为第一临界角αI。这时在第二介质中已没有纵波，只有横波。焊缝探伤用的横波就是，经过界面波型转换得到的。
（3）第二临界角
当纵波入射角继续增大时，在第二介质中的横波折射角也增大，当βS达90度时，第二介质中没有超声波，超声波都在表面，为表面波。
在有机玻璃与钢的介面，第一临界角为α1=27.60
βS=33.20第二临界角为57.70，用于焊缝检测的超声波斜探头的入射角必须大于第一临界角而小于第二临界角。
我国习惯：斜探头的横波折射角用横波折射角度的正切值表
示，如K=2
二、超声波的发射与接收
1、压电效应与逆压电效应
某些晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应称为压电效应。反之当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。
二、超声波的发射与接收
2、超声波的发射与接收
用有压电效应的晶体材料做的晶片，在高频电压的激励下在产生厚度方向的伸缩，这样产生振动传出就成超声波。
如果晶片在超声波的声压作下，在晶片两侧产生电荷，产生一个小的电信号，经放大器放大后可识别。
超声波的发射与接收是由超声波探头完成的，有的是一个晶片（单晶探头）完成发射与接收超声波，有的是两块晶片（双晶探头）分别完成发射与接收超声波
二、超声波的发射与接收
3、纵波发射声场
圆盘声源辐射的纵波声场，晶片为圆形，在高频的激励下产生振动，晶片上每个小区域都辐射超声波，这些波某处叠加会加强，另一处会减弱。
二、超声波的发射与接收
（1）超声场的形状如图
指向性用半扩散角表示，θ＝Sin-11.22λ/D。（λ是波长，D是晶片直径）
半扩散角θ
副声束瓣
二、超声波的发射与接收
（2）中线轴线上的声压分布情况
在靠晶片的一个范围内，由于波的干涉，出现的声压为“0”点，从晶片至最后一个声压最大值的距离称为近场距离，此区域称近场区。
N
近场长度计算
N=(D2-λ2)/4λ
探伤时缺陷在声场中
才能被发现，如在近场区声压为零处也不能发现。
在距晶片三倍的近场区以外，声压随距离下降情况与球面波相似，与理论计算值基本相同。
二、超声波的发射与接收
在声束径向上的声压分布情况：
分别是N1、3N和6N处声压分布
在声束径向上的声压分布情况：
分别是晶片附近、1/2 N和1 N处声压分布
二、超声波的发射与接收
4）横波发射声场
常用的横波探头，是使纵波倾斜入射到界面上，通过波型转换来实现横波探伤的。纵波入射角应在第一临界角与第二临界角之间，纵波全反射，在工件中只有横波存在。
三、超声波探伤原理
把1-5兆赫（1－5MHZ）高频超声波入射到被检物中，如遇到缺陷（界面）则一部分入射超声波被反射，并利用探头接收反射信号的性能，可不损坏工件检出缺陷大小（尺寸）和位置，这种方法叫UT检测。
超声波检测能发现最小缺陷尺寸a≥λ/2，当a＜λ/2时，超声波会产生绕射，超声波在介质中的
反射率：空气是100%，夹渣为46%，水为88%。
三、超声波探伤原理
探伤方法分类
①按波型分：
a 纵波探伤：垂直探伤法
b 横波探伤：斜射探伤法
c 表面波探伤
②按耦合方式分
a 直接耦合接触法，又称接触法。
b 水浸法
三）超声波探伤原理
1）纵波探伤示意图
探头发射和接收超声波，发射的超声波是脉冲波，脉冲超声在工件中遇界面反射超声波，超声再在探头中换成电信号经放大后显示，显示屏上横座标表示超声波在工件中传播的时间，纵座标表示反射的超声波声压，与反射面积大小对应。
三、超声波探伤原理
2、横波探伤示意图
超声波横波探伤水平定位
超声波横波探伤深度定位
四、仪器探头试块
1、仪器
按缺陷的显示方式分为A 型B型还有C型，普遍使用A型显示。仪器上荧光屏横轴表示超声波在工件中传播的时间，纵轴表示反射体反射回来的声压大小，可以比较缺陷的大小。为使进入放大器中的信号在一定范围，仪器上有一衰减器。目前主要有两类：模拟机和数字机。比较高端的产品有PCUT-9100超声波探伤仪，南通新超公司生产。
仪器显示方式
仪器的主要性能指标（PCUT-9100超声波探伤仪）：
水平线性、垂直线性、灵敏度、盲区、始脉冲宽度、分辨力等
2、探头
根据波型，探头可分为有纵波探头、横波探头、表面波探头、板波探头等。根据波束可以分为聚焦探头与非聚焦探头。根据晶片数可分为单晶片、双晶片。常用的主要是直探头与斜探头
（1）直探头结构
主要有压电晶片、保护膜、电缆线、阻尼块、外壳、接头。
阻尼块的作用是：晶片在受激励振荡后立即停下来，使脉冲宽度变小，分辨力提高。吸收背面的杂波，支撑固定晶片。
探头的主要参数有：晶片材料、直径、频率、保护膜如PZT2.5Φ20
四、仪器探头试块
（2）斜探头结构
主要有压电晶片、斜楔、电缆线、阻尼块、吸声材料、外壳、接头。
斜楔的作用是实现波型转换,使被探工件中只存在折射横波。斜楔的纵波声速必须小于工件中的纵波波速,要耐磨、易加工,对超声波的衰减系数小。
探头的主要参数有：
晶片尺寸、频率、K值
如2.5P 13×13K2
3、试块
按一用途设计制作的具有简单人工几何反射体的试样。
（1）作用
a 确定探伤灵敏度；
b 测试仪器和探头的一些重要性能如放大线性、水平线性、动态范围、灵敏度余量、分辨力、盲区、探头入射点、K值等；c 调时间扫描线比例
C 评判缺陷的大小
（2）分类
一类是由权威机构制定的试块，称为标准试块如CSK-IA
一类是按具体探伤对象制定的试块，如CSK-IIIA、CS-1、CSK-IA、CSK-IIIA平底孔试块
五、影响探伤结果的因素
1）仪器与探头组合性能
垂直线性－－会影响缺陷当量大小判定
水平线性－－影响缺陷定位，非缺陷波的识别
盲区－－影响近表面的缺陷的检测
2）探头
频率－－理论上能够发现的最小缺陷是波长的1/2，在能保证穿透的前提下，选高一些频率
直径－－直径大，发射功率大，能探厚度大的工件，工作效率高，但近场区长度增加，近场区内易漏缺陷，波高不稳。
K值－－根据厚度和焊缝宽度选择，应一次波越过背面对过焊缝边缘，薄板选大一些，厚板选小一些，保证扫查到整个面。
3）耦合
超声波探伤时在探头与工件之间如存在空气，由于空气声阻抗比较大，超声波不能被导入工件，必须使用一种液体消除间隙，在探头与件之间起透声的作用，这就是耦合剂。
耦合剂－－应选用声阻抗（密度与声速乘积）比较大的，常用的有机油、水玻璃、甘油、水、化学浆糊
耦合层厚度－－理论上耦合层厚度为波长1/2的整数倍时透声效果最好，耦合层厚度为波长的1/4的奇数倍时透声效果最差，实际工作中一般尽可能使耦合层薄一些。
工件表面粗糙影响，要求工件表面的粗糙度不高于6.3μm
五、影响探伤结果的因素
4)探伤灵敏度
灵敏度选择过高时探伤时反射的杂波太多,影响缺陷波的识别,灵敏度过低时会漏掉缺陷。
5）仪器时间扫描线调试的正确性，斜探头K值测试的正确性会影响缺陷的定位或对非缺陷信号的判别。
6）手工探伤时探头的移动速度过快，缺陷波显示不够亮，易漏掉缺陷。
六、超声波探伤工艺
1、探伤准备
（1）技术等级、检测区、工件表面准备(对接焊接接头检测)
检测技术等级
a 技术等级分为A、B、C三级，C级，根据压力容器产品的重要程度进行选用。
b 选用原则：
A级检测适用于承压设备有关的支承件和结构件焊缝检测；
B级检测适用于一般承压设备对接焊缝检测；
C级检测适用于重要承压设备对接焊缝检测。
c 具体要求：
A级要求：
母材厚度为8～46㎜，用一种K值探头在工件的单面单侧进行检测，一般不要求进行横向裂纹检测；
B级要求：
母材厚度为8～46㎜，用一种K值探头在工件的单面双侧进行检测；
母材厚度为46～120㎜，采用一种K值在工件的双面双侧进行检测，条件不允许时可在工件的双面单侧或单面双侧采用两种K值的探头检测；
母材厚度>120㎜，用两种K值在工件的双面双侧检测，两种K值的探头折射角相差不小于100；
应进行横向缺陷的检测。焊缝余高要磨平。
C级要求：
采用C级检测时应将焊缝余高磨平，探头扫查经过区要用直探头检测；
母材厚度为8～46㎜，一般用两种K值探头在在工件的单面双侧进行检测，两探头的折射角相差不小于100，其中一个为450；
母材厚度为46～400㎜，一般用两种K值探头在在工件的双面双侧进行检测，两探头的折射角相差不小于100，对单侧坡口角度小于50的窄间隙焊缝，增加对与坡口表面平行缺陷的有效方法；
应进行横向缺陷的检测，检测时将探头放在焊缝及热影响区上作两个方向的平行扫查。
检测区
检测区的宽度为焊缝本身，再加上焊缝两侧各相当于母材厚度的30%的区域，这个区域最小为5㎜，最大为10㎜探头移动区宽度
a 一次反射法检测时探头移动应大于或等于1.25P,P=2KT
b 直射法检测时探头的移动区应大于或等于0.75P，P=2KT。
（2）工件表面准备
探头移动区应清除焊接飞溅、铁屑、油污及其他杂质，检测表面平整，便于探头的扫查其表面的粗糙度Ra小于6.3 μm
（3）仪器的调试
（a）时间扫描线（深度、水平）
仪器上时间扫描线可以按反射体的深度调试，这时显示的刻度值即为缺陷深度。也可按水平距离调试这时显示的值为探头入射点至缺陷的水平距离。
(b)灵敏度调试（试块法、工件大平底法、当量计算法）
按标准要求，选用一定形状、大小的规则反射体，深度与工件厚度相当，使反射体的波高到一定高度，如80%显示屏。
当工件厚度大于三倍的近场区长度时，声波衰可按理论计算，计算工件底面与人工反射体的差异，调节灵敏度。利用通用的规一化处理过的曲线来调节灵敏度。
2、缺陷大小测量
A 当量法（比较、计算）
探伤中发现缺陷后，测量其波高与试块上同声程的规则反射体波高相同，规则反射体的大小即为该缺陷的当量大小。
如果声程大于三倍近场区长度可用公式计算缺陷当量大小。当量法一般用于缺陷小于声束截面时使用，大于声束截面时用测长法。
六、超声波探伤工艺
B 测长法（半波高度法端点半波高度法）
当缺陷的尺寸大于声束截面时，
探头移动，当缺陷波高降至一半时，认为声束中心是指向缺陷的边缘。
当缺陷波不是一个最高点时，
将缺陷波边缘某高度的的波下降一半时，探头位置为缺陷边缘。
C 底波高度法
用缺陷波的高度与工件完好处的
底波或与缺陷处底波进行比较。
3、非缺陷信号的识别
A 工件侧壁回波
纵波检测细长工件时,由于扩散波束在侧壁产生波型转换,由纵波转换为横波,此横波在另一面又转换为纵波,最后经底面反射回到探头。
B 三角回波
纵波径向探测实心圆柱体时，探头平面与柱面接触面积小，使波束扩散角增加，扩散声束会在圆柱在上形成三角反射路径
C 焊角回波
焊缝余高过高时会在余高处反射和波型转换。有时呈山形回波，可以根据山形回波的出现判断焊缝中无大缺陷。
4、扫查方式
A 以规定的扫查灵敏度（基准灵敏度）先进行扫查粗探伤，再以定量灵敏度对缺陷进行定量、定级、定位。
B 为检测纵向缺陷，斜探头应垂直于焊缝中心线放置在检测面上，作锯齿型扫查。探头前后移动的范围应保证扫查到全部焊接接头截面，在保持探头垂直焊缝作前后移动的同时，还应作10°～15°的左右转动。
C基本扫查方式
为观察缺陷动态波形和区分缺陷信号或伪缺陷信号，确定缺陷的位置、方向和形状，可采用前后、左右、转角、环绕等四种探头基本扫查方式。
D扫查覆盖率
为确保检测时超声声束能扫查到工件的整个被检区域，探头的每次扫查覆盖率应大于探头直径的15%。
E探头的移动速度
探头的扫查速度不应超过150mm/s。当采用自动报警装置扫查时，不受此限
小结：超声波检测的特点
1 面积型缺陷检出率高，体积型缺陷检出率低
2适合较大厚度工件的检验
3材质晶粒度对检测结果有影响
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