第一章 无损检测基础知识

第一节 无损检测概述

一、无损检测概念 （一）无损检测的定义

无损检测（NDT）是一门综合性的应用科学技术，它是在不改变或不影响被检对象使用性能的前提下，借助于物理手段，对其进行宏观与微观缺陷检测，几何特性度量、化学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就其使用性能做出评价的一门学科。日常生活中无损检测方法常被使用，如买西瓜用手轻轻拍打西瓜外皮，听声响或凭手感，想猜一下西瓜的生熟，这是人们常有的习惯，这种并不损坏西瓜而知西瓜生熟的检测方式就是生活中的“无损检测”。不过，需要指出的是，类似“拍皮猜瓜”这些古老而简单的无损检测方法尽管至今仍在沿用，但因它们对缺陷的位置和大小做不出“基本相符”的判断，而不被视为无损检测的技术方法。真正的技术方法必须确保无损检测结果的准确性和可重复性。

（二）无损检测的作用

随着现代工业的发展，无损检测已经广泛深入到产品的设计、制造、使用等各个方面，它在产品质量控制中所起的不可取代的重要作用已为日益众多的科技人员和企业家所认同。在设计阶段，设计单位要充分考虑无损检测的实际能力，以保证结构设计要求与无损检测的灵敏度、分辨率和可靠性相一致；在制造阶段，为确保产品质量达到设计要求，同样要运用无损检测技术，根据一定标准对原料的缺陷以及非均质性进行鉴定和评价；在使用阶段，为保证使用的可靠性，使用部门必须根据设计部门规定的周期和方法及制造部门所提交的检测细则对指定零部件进行可靠的无损检测甚至于实时监控。事实上，就是用户订货，也常常通过无损检测技术进行验收检查，有

- 1 -

人说，现代工业是建立在无损检测基础之上的，此并非言过其实之词，现代无损检测技术不仅形式多样，技术手段也日臻成熟，在铸件、锻件、棒材、粉末冶金制件、焊接件、非金属材料、陶瓷制件、复合材料、锅炉、压力容器、核电设备等许多领域都有较好的应用，对于改进产品的设计制造工艺、降低制造成本以及提高设备运行的可靠性等具有十分重要的意义，其作用主要有：

1．无损探伤 对产品质量作出评价。无论是铸件、锻件、焊接件、钣金件或机加工件以至非金属结构都能应用无损检测技术探测它表面或内部缺陷，并进行定位定量分析。

2．材料检测 用无损检测技术测定材料的物理性能和组织结构，能判断材料的品种和热处理状态，进行材料分选。

3．几何度量 产品的几何尺寸、涂层和镀层厚度、表面腐蚀状态、硬化层深度和应力密度都能用无损检测技术测定，根据测定结果利用断裂理论确定是否进行修补和报废处理，对产品进行寿命评定。

4．现场监视 对在役设备或生产中的产品进行现场或动态检测，将产品中的缺陷变化信息连续的提供给运行和生产部门实行监视。在高温、高压、高速或高负载的运行条件下尤其需要无损检测。例如压力容器和钢轨的探伤等。

（三）无损检测的特点 1．不破坏被检对象。 2．可实现100%的检验。

3．发现缺陷并做出评价，从而评定被检对象的质量。

4．可对缺陷形成原因及发展规律做出判断，以促进有关部门改进生产工艺和产品质量。

- 2 -

5．对关键部件和关键部位在运行中作定期检查，甚至长期监控以保证运行安全，防止事故发生。

（四）无损检测的发展

从无损检测的作用和特点表明，无损检测技术是工业发展必不可少的有效工具，它必将随着工业生产的进步而发展，早期的无损检测称为无损探伤（NDI），它的作用是在不损坏产品的前提下发现人眼无法看到的缺陷，以满足工程设计中的强度要求。第二阶段称为无损检测（NDT），这个阶段始于70年代，它不但检测最终产品，而且要测量各种工艺参数，制成工件后还需知道它的组织结构、晶粒大小和残余应力等。第三阶段称为无损评价（NDE），尤其对航空、航天、核电、能源、交通、石油和化工等方面的机械产品，在加强检测同时注重产品质量的评价，确保每一件产品都是合格的。在工业发达国家已从一般无损评价发展到自动无损评价，采用计算机来进行检测和评价，尽可能减少人为因素的影响，这在超声检测的发展中成效突出，例如钢轨探伤车。这种发展趋势促使无损检测人员应具有更广的知识面，更深厚的基础理论和更高的综合分析能力。

二、常用无损探伤方法*

无损探伤是无损检测（包括探伤、测量、评价）的一个重要组成部分，它是对材料、工件或组件进行非破坏性检测和分析，以发现材料和构件中非连续性宏观缺陷（如裂纹、夹渣、气孔等）为主要目的的检验。无损探伤的方法种类较多，据美国国家宇航局调研分析，认为可分六大类约70余种，但在实际应用中较普遍的为超声探伤、射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤五种常规方法，除此之外，还有红外监测、声振检测、激光全息摄影、微波探伤、同位素射线示踪等非常规探伤技术。鉴于超声波探伤在目前占有举足轻重的地位，本书将在后面予以重点介绍，以下针对其它几种

- 3 -

常规探伤简要介绍基本原理、主要特点和适用场合。

（一）射线探伤（RT）

射线通常指Χ射线、γ射线、α射线、β射线和中子射线等，其中，Χ射线、γ射线和中子射线因易于穿透物质而在产品质量检测中获得了广泛应用，工业应用中的射线探伤技术大体上可以分为：射线照相探伤技术、射线实时成相探伤技术、射线层析（CT）探伤技术等，常规的射线探伤技术一般指射线照相探伤技术（以下均以此技术介绍），其基本原理（图1－1）：射线在穿过物质的过程中，会受到物质的散射和吸收作用，因物体材料、缺陷和穿透距离的不同，射线强度将产生不同程度的衰减，这样，当把强度均匀的射线照射到物体的一侧，使透过的射线在物体另一侧的胶片上感光，把胶片显影后，得到与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，即射线底片。通过对图像的观察分析，最终确定物体缺陷的种类、大小和分布情况。

射线探伤适用于体积形缺陷探测。如气孔、夹碴、缩孔、疏松等，对片形缺陷检测较难。

图1－1（1T1）缺陷的射线照相

（二）磁粉探伤（MT）

磁粉探伤是指把钢铁等铁磁性材料磁化后，利用缺陷部位所发生的磁极吸附磁粉的特性，显示缺陷位置的方法。把一根中间有横向裂纹的强磁性材料试件进行磁化后

- 4 -

（图1－2），可以认为磁化的材料是许多小磁铁的集合体，在没有缺陷的连续部分，由于小磁铁的N、S磁极互相抵消，而不呈现出磁极，但在裂纹等缺陷处，由于磁性的不连续将呈现磁极，在缺陷附近的磁力线绕过空间出现在外面，此即缺陷漏磁，缺陷附近所产生的称作为缺陷的漏磁场，其强度取决于缺陷的尺寸、位置及试件的磁化强度等，这样，当把磁粉散落在试件上时，在裂纹处就会吸附磁粉，称为缺陷磁粉迹痕，由此可以发现缺陷的部位。

磁粉探伤仅适用于铁磁材料的表面或近表面缺陷的检测，其探伤灵敏度高低受试件表面光洁度、缺陷形状和取向、磁化方法和范围等影响。磁粉探伤能确定缺陷的位置、大小和形状，但对缺陷深度确定较难。磁粉探伤的方法可分为连续法和剩磁法两种。



图1－2 磁场的形成

（三）渗透探伤（PT）

渗透探伤是指将溶有荧光染料（荧光探伤）或着色染料（着色探伤）的渗透液施加在试件表面，渗透液由于毛细作用能渗入到各型开口于表面的细小缺陷中，此时清

- 5 -

除附着在表面的多余渗透液，把工件表面多余的渗透液清洗干净，但不得把已深入缺陷内的渗透液清洗掉，然后经干燥和施加显像剂后，在黑光或白光下观察，缺陷处可分别相应地发出黄绿色的荧光或呈现红色，从而能够用肉眼检查出试件表面的开口缺陷。渗透探伤的基本步骤见图1－3。渗透探伤除荧光渗透探伤和着色渗透探伤方法外，还有滤出粒子探伤法，氪气体渗透成像等。

渗透探伤适用于检测金属和非金属材料表面开口的裂纹、折叠、疏松、针孔等缺陷。它能确定缺陷的位置、大小和形状，但难于确定其深度，不适用于探测多孔性材料及材料内部缺陷。

图1－3 渗透探伤的基本操作过程

（四）涡流探伤（ET）

涡流探伤是将通有交流电的激励线圈靠近某一导电试件（图1－4），由于电磁感应作用，进入试件的交变磁场可在试件中感生出方向与激励磁场相垂直的、呈旋涡状流动的电流（涡流），此涡流产生磁场会影响原磁场的变化，从而引起线圈阻抗的变化，通过对线圈阻抗变化的测量，就可得知试件中产生的涡流状况，从而获悉与试件有关的一些参量。当试件内有缺陷时，涡流因流动途径的变化，使涡流磁场也相应变化，经试验线圈检出异常磁场的变化量，可获得缺陷的信息。

由于涡流是交流电，具有集肤效应，在导电试件的表面较多，随着涡流向试件内部的深入，电流按指数函数而减少，因此，涡流探伤主要适用于金属和石墨等导电材

- 6 -

料的表面和近表面缺陷，通常能够确定缺陷的位置和相对尺寸，不适用于非导电材料的缺陷检测。

图1－4（1T4）涡流的产生

以上介绍了四种常用探伤方法，超声波探伤将在后面详细叙述。在实际应用当中，射线探伤和超声波探伤适合于内部缺陷探测，而磁粉、渗透、涡流探伤则适合于表面缺陷探测，它们各有其优越性，选择哪一种探伤方法进行无损检测，必须结合缺陷具体情况合理配合使用，才会收到更好的效果。几种探伤方法的比较见表1－1。

表1－1 五种常规无损探伤方法比较

项目 探伤 方法 优 点 缺 点 适 用 范 围 射线 1．适用于几乎所有材料 1．检验成本较高 2．探伤结果（底片）显示直观、便于2．对裂纹类缺陷有方向性 分析 3．需考虑安全防护问题（如Χ、γ3．探伤结果可以长期保存 射线的传播） 4．探伤技术和检验工作质量可以监测 1．直观显示缺陷的形状、位置、大小 2．灵敏度高，可检缺陷最小宽度约为1μm 3．几乎不受试件大小和形状的。 4．检测速度快、工艺简单、费用低廉 5．操作简便、仪器便于携带 1．只能用于铁磁性材料 2．只能发现表面和近表面缺陷 3．对缺陷方向性敏感 4．能知道缺陷的位置和表面长度，但不知道缺陷的深度 1．只能检测开口于表面的缺陷，且不能显示缺陷深度及缺陷内部的形状和尺寸 2．无法或难以检查多孔的材料，检测结果受试件表面粗糙度影响 3．难于定量控制检验操作程序，多凭检验人员经验、认真程度和视力的敏锐程度 检测铸件及焊接件等构件内部缺陷，特别是体积型缺陷（即具有一定空间分布的缺陷）， 检测铸件、锻件、焊缝和机械加式零件等铁磁性材料的表面和近表面缺陷（如裂纹） 用于检验有色和黑色金属的铸件、锻件、粉末冶金件、焊接件以及各种陶瓷、塑料、玻璃制品的裂纹、气孔、分层、缩孔、疏松、折叠及其它开口于表面的缺陷 磁粉 渗透 1．设备简单，操作简便，投资小 2．效率高（对复杂试件也只需一次检验） 3．适用范围广（对表面缺陷，一般不受试件材料种类及其外形轮廓） - 7 -

涡流 1．适于自动化检测（可直接以电信号输出） 2．非接触式检测，无需耦合剂且速度快 3．适用范围较广（既可检测缺陷也可检测材质、形状与尺寸的变化等） 1．只限用于导电材料 2．对形状复杂试件及表面下较深部位的缺陷检测有困难，检测结果尚不直观，判断缺陷性质、大小及形状尚难 用于钢铁、有色金属等导电材料所制成的试件，不适于玻璃、石头和合成树脂等非金属材料 可用于金属、非金属及复合材料的铸、锻、焊件与板材 超声波 1．探伤结果显示不直观，难于对1．适于内部缺陷检测，探测范围大、缺陷作精确定性和定量 灵敏度高、效率高、操作简单 2．一般需用耦合剂，对试件形状2．适用广泛、使用灵活、费用低廉 的复杂性有一定

第二节 超声波探伤基础

超声波探伤是依据定向辐射超声波束在缺陷界面上产生反射或使透过声能下降等原理，通过测量回波信息和透过声波强度变化来指示伤损的一种方法。

一、超声波一般知识

人们日常所听到的各种声音，是由于各种声源（如演奏小提琴时，声源即为被擦动的那根弦）的振动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起的耳膜振动，牵动听觉神经，产生听觉。声源的振动有快有慢，通常用每秒内的振动次数即“频率”来衡量，单位为“赫兹”（符号为Hz），必须指出，只有当频率在一定范围内的振动才能引起听觉。人们把能引起听觉的机械振动称为声波，频率大致在20Hz～20kHz（即20000Hz，1kHz＝1000Hz）。频率低于20Hz的机械波称为次声波，频率高于20kHz的机械波称为超声波（用于探伤的超声波频率范围为0.2～25MHz，其中最常用的频段为0.5～10MHz）。生活当中，人耳听不到超声波，但蝙蝠、秋虫和海豚等却能听见并可用超声波传递信息。尤其是蝙蝠，它能发射超声脉冲，并能接受和识别从电线等障碍物或昆虫等反射回来的波，因此它在飞行时不会碰撞障碍物。超声波探伤大多采用的就是像蝙蝠这样的脉冲反射形式，这种反射波又叫回波。

超声波探伤可检查金属材料、部分非金属材料的表面和内部缺陷。如检查锻件中的白点、裂纹、夹渣、分层；非金属材料中的气泡、分层和粘合层中的粘合不良；焊

- 8 -

缝中裂纹，未焊透、夹渣、气孔以及管棒和锻件中与表面成一定角度的缺陷。因此，它被广泛地应用于无损探伤。

（一）超声波探伤的优、缺点 1．超声波探伤的优点

（1）指向性好 超声波波长很短，像光波一样，可以定向发射，因而能方便、准确地对缺陷定位。

（2）穿透力强 超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，在一些金属材料中传播时，其穿透能力可达数米。

（3）灵敏度高 一个存在于钢中的空气分层厚度为10－6 mm，反射率可超过21%，当分层厚度在10－5 mm以上时，反射率可超过94%。

（4）适用面广 可检测金属、非金属、复合材料等多种材料制件的检测；采用多种波型以及各种探头作不同方向的探测，能探出工件内部和表面各种取向的缺陷。

（5）高效低价 检测速度快，在较短的时间内就可完成对工件的检测，仅耗损少量电能和耦合剂。

2．超声波探伤的缺点

（1）检测结果受人为影响 对试件中缺陷的发现与评价，主要取决于探伤人员对仪器的调节和判断。

（2）探测面状态影响检测 探测表面要求制备，不良的探测面影响伤损检测灵敏度。

（3）工件状态影响检测结果 工件形状过于复杂，材料晶粒和组织不均匀对探伤结果均有一定的影响。

（4）定量精度差 探测出缺陷的当量或延伸度与实际缺陷大小均有一定的误差。

- 9 -

（二）超声波的产生

人们把声源振动在介质（如空气等）中的传播过程，称为波动，简称波。波是物质的一种运动形式，可分为电磁波和机械波两类。电磁波是交变电磁场在空间的传播过程，如无线电波、红外线等，而机械波是指机械振动在弹性介质中的传播过程，如水波、超声波等。产生机械波需要两个必要条件：一是要有作机械振动的振源；二是要有能传递机械振动的弹性介质。探伤作业中，超声探头就是产生超声波的振源，原则上凡是能将其它形式能量转换成超声振动方式能量的方法都可以产生超声波，如机械方法、热效应法、磁伸缩法和电磁声法，在超声波探伤中应用最广的是利用某些压电材料（石英、锆钛酸铅等）的压电效应，来实现超声波的发生和接收。必须注意的是，超声波在传播过程中，实际上只是振动能量的传播，并没有产生物质的迁移，介质质点本身仅限于平衡位置附近振动。

（三）超声波的类型

超声波的分类方法很多，下面介绍几种常见的分类方法： 1．按质点的振动方向分类

根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方向不同，可将超声波分为纵波（压缩波）、横波（剪切波）、表面波（瑞利波）、兰姆波等。它们的比较如表1－2所示。

表1－2 几种波的比较

波的类型 简 图 质点振动特点 介质质点振动方向平行于 波的传播方向 传播介质 应 用 纵波L 固体、液体 钢板、锻件 和气体 探伤等 横波S 介质质点振动方向垂直于波的传播方向 固体 焊缝、钢管 探伤等 - 10 -

在介质表面传播时介质表表面波R 对称型（S兰姆波 型） 非对 称型 （A型） 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 薄板中心质点作纵向运动，上下表面质点作相位相反并对称于中心的椭圆运动 薄板中心质点作横向运动，上下表面作相位相同的椭圆运动 固体（厚度与波长相当的薄板） 固体（厚度与波长相当的薄板） 薄板、薄壁钢管（6mm） 薄板、薄壁钢管（6mm） 固体 钢板、锻件、 钢管探伤等 2．按振动持续时间分类

根据波源振动持续时间的长短，超声波可分为连续波和脉冲波两种（图1－5）。其中连续波是指波源持续不断地振动所辐射的波，常用于穿透法探伤和共振法测厚。而脉冲波则指波源振动持续时间很短（微秒级，1μｓ＝10－6ｓ）、间歇辐射的波，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。

图1－5 连续波与脉冲波

3．按波的形状分类

波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点联成的面。某一时刻波动所到达的空间各点所联成的面称为波前（波前是最前面的波阵面），任一时刻，波前只有一个。根据波阵面形状的不同，波又可以分为三种：平面波、柱面波和球面波（图1－6），它们的特性见表1－3。

- 11 -

图1－6 超声波波形 表1－3 不同波形分类及特性

波 形 平面波 特 性 1．无限大平面（即波长与声源尺寸相比可忽略不计）作谐振动时，在各向同性的弹性介质中传播的波2．如不考虑介质吸收波的能量，声压不随与声源的距离而变化 1．声源为点状球体，波阵面是以声源为中心的球面 2．声强与距声源距离的平方成反比 1．声源为一无限长的线状直柱，波阵面是同轴圆柱面 2．声强与距声源的距离成反比 球面波 柱面波 （四）超声波的基本参数

1．振幅（A） 指振动质点偏离平衡位置的最大距离。

2．频率（ｆ） 振动质点单位时间（通常指1秒，以下同）内围绕平衡位置完成全振动的次数称为振动频率，其数值与波动频率相等。波动频率是指波动过程中任一给定质点在单位时间内通过完整波的个数。单位为赫兹（Hz）。

在实际探伤中往往会遇到工作频率和重复频率两个概念。工作频率是指探头发射的超声波频率；重复频率是指探头每秒钟向试件发射超声波的次数。为了提高探伤速度，一般要求重复频率越高越好，但过高的重复频率会导致发射和接收间的干扰，产生幻象回波，因此，重复频率应根据被检工件的大小，一次声程所需要的时间，仪器接收和发射超声波的能力，以及探伤速度等多方面因素决定。

3．周期（T） 指振动质点完成一次全振动所需要的时间。单位为秒（ｓ）。周期与频率的关系式：T1 f - 12 -

4．波长（λ） 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长。波源或介质中任一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。单位为毫米（mm）或米（m）。

5．声速（C） 声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离，也可称为波速。单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。波长、声速和频率之间的关系式：

C f声速（C）与介质的弹性模量和介质的密度有关，对于一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同介质有不同的声速，介质的弹性模量愈大，密度愈小则声速愈大，对液体介质来说，当介质温度变化时，其容变弹性模量和密度会发生变化，因而声速也随着变化。另外，超声波波型不同时，介质弹性变形形式不同，声速也不一样。一般来说，在同一种固体材料中（由于液体和气体介质只能传播纵波，因而不存在各种波型的不同声速问题），纵波声速（CL）大于横波声速（CS），横波声速（CS）又大于表面波声速（CR）。表1－4 为一些常用材料的声速和波长。

表1－4 一些常用材料的声速和波长

材料 钢 有机玻璃 尼龙1010 水 油 空气 声速（km/s） 纵波 5.9 2.73 2.4 1.48 1.4 0.34 横波 3.23 1.43 —— —— —— —— 纵波波长（mm） 2MHZ 2.95 1.37 1.2 0.74 0.70 0.17 2.5MHZ 2.36 1.09 0.96 0.59 0.56 0.14 横波波长（mm） 2MHZ 1.615 0.715 —— —— —— —— 2.5MHZ 1.292 0.572 —— —— —— —— （五）超声场及其特征值 1．超声场概述

通常把充满超声波的空间部分称为超声场。圆盘声源（指一种圆平面状的振子）辐射的纵波声场轴线上的声压分布规律如图1－7所示。

- 13 -



图1－7（1T7） 圆盘声源声束轴线上的声压分布

由图可知，波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在若干个极大极小值。距波源的距离愈近，声压极大极小值的点就愈密。声学上把由子波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示。直探头的近场区长度可以用下式来计算：

D22D2AN

44式中 D——为圆形压电晶片的直径；

λ——为超声波波长；

A——方晶片（或矩形晶片）面积。

斜探头的近场区长度（N）值计算时，由于声束折射变化（图1－8），所以先计算出晶片在折射后的有效面积，然后再进行换算，斜探头的近场区长度可以用下式来计算：

NA0Cos

CosA式中 A0——晶片折射后的有效面积；

λ——为超声波波长； A——晶片面积；

β、α——折射角、入射角。

- 14 -

图1－8 斜探头近场区示意图

由于近场区存在声压极大极小值，处于声压极大值处的较小缺陷可能回波较高，而处于声压极小值处的较大缺陷可能回波较低，这样就可能引起误判，所以超声探伤中总是尽量避开这一区域。大于近场区长度（x＞N）的区域称为远场区。在远场区中，轴线上的声压随距离增加而单调减少，在距离x＞3N时，圆盘源声束轴线上的声压与球面波的声压相差已甚小（图1－7中虚线）。

以上讨论的是波源轴线上的声压分布情况，对超声场中不同截面上的声压来说，其分布规律在声程（X）为0.5N的截面中心声压为0（图1－9），中心附近的声压较高，而X≥N的各截面中心声压最高，偏离中心的声压逐渐降低，且同一横截面上的声压的分布是完全对称。实际检测中，测定探头波束轴线的偏离和横波斜探头的K值时，应选择在2N以外的范围进行。



图1－9（1T9） 超声场纵截面声压分布

2．波束指向性与指向角（θ0）

日常使用灯泡照明时，灯泡的光亮总是朝各个方向发散，而手电筒却能射出一束范围狭窄亮度较强的光。高频超声与低频可闻声音相比，就好比手电筒与灯泡一样，

- 15 -

前者容易形成窄小的声束。以圆形平板振动声源为例，只要平板直径（D）与声波波长（λ）符合恰当的比例（如平板直径为7.5mm，而声波频率为100万赫），就能得到如图1－10所示的窄小的波束，像这种探头发出的超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象称为波束指向性。晶片发出的超声波束如手电筒发出的光柱类似，在靠近晶片较短的范围看作是笔直传播，经过一段距离后，按一定角度扩展辐射，非扩散的区域为近场长度（N）的1.67倍，大于1.67 N为扩散区，其优劣常用指向角（θ0）表示。

图1－10 超声场主声束和副声束

超声波的能量主要集中在2θ0以内的锥形区域内，此区域称为主声束，主声束边缘声压为零。主声束旁侧的波束为副声束，副声束能量低，传播距离小。对圆盘声源辐射的纵波声场，其声束声束指向角（θ0）计算式如下：

0sin11.22式中 D——为晶片的直径；

λ——为超声波波长。 上式可知，指向角θ0与

D70D

比值有关，相同条件下，若晶片直径（D）愈大或波长D（λ）愈短（频率愈高），则指向角（θ0 ）就愈小，波束指向性就愈好，超声波能量集中，探伤灵敏度高，分辨率好，定位精确，不过近场长度（N）也将愈大。边长为a的方晶片声束指向角计算式：

0sin11.08a57a

需要指出的是，上述分析主要建立在圆盘声源辐射的纵波声场基础上，对于横波

- 16 -

发射声场（常用的超声波横波由斜探头得到），其近场区长度和指向角计算相对更复杂一些。

3．超声场的特征值

描述超声场的特征值主要有声压、声强和声阻抗。

（1）声压 超声场中某一点某一瞬时所具有的压强（P1）与该点没有超声波存在时的静态压强（P0）之差称为该点的声压（P）。单位为帕斯卡（Ｐa，1Pa＝1 N/m2）。在超声场内，各点的声压并不一样，通常某一点的声压是一个随时间按正弦函数周期变化的量，其幅值与介质密度、声速和频率成正比。由于超声波的频率很高，远大于

声波的频率，故超声波的声压也远大于声波的声压。

（2）声阻抗 介质中某一点的声压与该点的振动速度之比称为声阻抗（Z）。单位为kg/（m2·ｓ），数值上声阻抗等于介质密度（ρ）与声速（C）的乘积，即ZPC，

V它表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。由于固体、液体和气体三者的声速和密度相差很大，因此，它们的声阻抗大不相同，即使在同一固体介质中，由于纵波、横波和表面波的声速（C）不同，因此它们的声阻抗也不一样。

（3）声强 单位时间内，垂直通过单位面积的声能量称为声强（Ｉ）。常用单位为erg/（cm2·s）或W/cm2 。对于平面余弦波，其平均声强（Ｉ）为：

11P2222ICAWZV

222Z由于声强的变化范围非常大，数量级可以相差很多，如人耳可闻的最弱声强（称为标准声强）为Ｉ0=10－16W/cm2，而人耳可忍受的声强达10－4W/cm2。两者相差1012倍，显然不便于比较和计算。因此常用两个声波声强之比的常用对数值来表示两者的关系，称为声强级（IL）。单位为贝尔（BeL），即IL=lgI/I0。在实用上，贝尔这个单位太大，因而常取其1/10，单位为分贝（dB）。即IL=10lgI/I0。由于声强与声压的平

- 17 -

方成正比，所以有IL=10lg（I/I0）=20 lg（P1/P2 ）（dB）。对于放大线性良好的超声波探伤仪，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/P2，两者的分贝差为：

20lgPH120lg1 P2H2二、超声波的传播特性

（一）超声波的叠加、干涉、散射 1．波的叠加

当几列波在同一介质中传播并相遇时，相遇处质点的振动是各列波引起的分振动的合成，任一时刻该质点的位移是各列波引起的分位移的矢量和。相遇后的各列波仍保持它们原来的特性（频率、波长、振动方向等）不变，并按照各自原来的传播方向继续前进，好像在各自的传播过程中没有遇到其它波一样，称为波的叠加原理。

2．波的干涉

两列频率和振动方向相同、相位差恒定的波相遇时，由于波的叠加作用，使某些地方振动始终互相加强，而另一些地方振动始终互相减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉。能产生干涉现象的波称为相干波。相干波的波源称为相干波源。两列振幅相同的相干波，在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波称为驻波。

3．波的散射

超声波在介质中传播时遇到小于波长的障碍物或其它不连续性，而使超声波向各个不同方向产生无规律反射、折射或衍射的现象称为散射。散射的结果使声能分散、穿透力降低和引起不规则的草状杂波，导致信噪比及灵敏度下降。

散射现象的强弱取决于材料内部组织、入射波波长和异质界面的平整度。当被检工件为铸件、探测面或反射面不平整、工件内存在与波长相当的气孔和夹杂，散射现

- 18 -

象尤为严重。钢轨探伤中遇有轨面擦伤，轨底（轨颚）锈蚀，以及铝热焊焊缝的晶粒粗大等引起灵敏度下降、杂波增多，这都是散射现象。

（二）惠更斯原理、和波的衍射（绕射）** 1．惠更斯原理

惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中传播的规律基础上，总结了通过障碍物上小孔所形成新的波动与孔前的波动状态有关这一实验现象（图1－11），并提出了著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，这些子波的包络就决定新的波阵面。

图1－11 障碍物上小孔成为新波源

用点振动源波阵面的包络来解释波动现象的惠更斯原理是介于几何声学和波动理论之间的方法，是一种工程上实用的方法，这对讨论超声场、超声波指向性及缺陷声压反射率计算和波的传播问题，具有重要的指导意义。

2．波的衍射（绕射）

波在传播过程中遇到障碍物时能绕过其边缘并继续前进的现象称为波的衍射或绕射。超声波在传播过程中遇到障碍物时，一方面产生反射和折射，另一方面产生绕射（图1－12）。绕射现象取决于障碍物尺寸（D）和波长（λ）之比。当D<<λ时，声波只有绕射；当D≈λ时，有绕射和反射，且产生阴影区；当D>λ时，阴影区较大。

- 19 -

图1－12 绕射现象示意图

（三）超声波的反射、折射和波型转换

超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，部分能量反射回原介质内，称反射波，另有部分能量透过界面进入另一种介质，称透射波。界面上这种声能（声压、声强）的分配和传播方向的变化都遵循一定的规律。

在工业生产中常运用超声透射法对产品进行无损探测。超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收（图1－13a）。如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射（图1－13b），这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。

a b

图1－13 超声探伤

1．超声波垂直入射单层界面时的反射和透射

当超声波从声阻抗为Z1介质垂直入射到声阻抗为Z2的介质，其界面为足够大的

- 20 -

单一光滑平界面时，则服从表1－5所示的反射和透射规律：

表1－5 平面波垂直入射到单一平界面的反射与透射规律

项 目 声压反射率（r） 声压透射率（t） 概 念 界面上反射波声压Pr 与入射波声压Ｐ0 之比 界面上透射波声压Ｐt 与入射波声压Ｐ0 之比 透射声波无损失（如固/气界声压往复透射面产生全反射）地反射返回率（ＴP） 声强反射率 （R） 声强透射率（ＴI） 到接收处的声压Pa与入射波声压Ｐ0 之比 界面上反射波声强与Ｉr 与入射波声强Ｉ0 之比 界面上透射波声强Ｉt 与入射波声强Ｉ0 之比 表 达 式 反射、透射 示意简图 rtPrZZ1 2PZ1Z20P2Z2 tPZ2Z10PaPtPa4Z1Z2P0P0Pt(Z1Z2)2TP IZZ12 Rrr2(2)I0Z1Z2TIIt4Z1Z2 2I0(Z1Z2) 表1－5说明，超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。表中公式不仅适用于纵波入射，也适用横波入射（但必须注意在固／液与固／气界面上，横波将全反射）。一般情况下界面两侧的声阻抗有以下三种表现：

（1）当Z1≈Z2时，即界面两侧的声阻抗近似相等，如普通碳钢焊缝的母材与焊接金属之间的声阻抗相差很小，一般约为1%，这时可以得到r≈0，t≈1。显然，这种情况下，声压几乎全透射，无反射。因此，在焊缝探伤中，若母材与焊接金属结合面没有任何缺陷，就不会产生界面回波。

（2）当Z1 > Z2时，如钢／机油界面，计算可得反射率为95%，透射率5%，所以在试块上调试灵敏度时，如反射体（平底孔或横通孔）内渗入机油，会导致声能的透射而使反射回波略有下降。

（3）当Z1 >> Z2时，如钢／空气界面，计算可得： r≈ -1（负值表示反射波相位与入射波相位相反），t≈0，R≈1，T≈0。显然，此时声压几乎全反射而无透射。因此，

- 21 -

实际探伤中，探头与工件间或探头与保护膜间如不施加耦合剂，则形成固（晶片）／气界面，超声波将无法进入工件。

2．超声波垂直入射双层界面时的反射和透射

超声波探伤中，经常会遇至垂直入射双层平行界面的情况，如复合板的探伤，工件中片状缺陷的检测，探头与保护膜间的耦合，以及钢轨擦伤引起表面剥离层等，虽然声波通过每一层界面时仍服从反射和透射规律，但由于薄层中声波的叠加，使反射和透射规律更为复杂。

（1）工件中夹有片状缺陷（Z1=Z3≠Z2），它的声压反射率与缺陷厚度有关，当厚度为半波长的整数倍时，缺陷的反射声压很弱，呈现半波透声现象。为了提高缺陷声压反射率，可采取改变探伤工作频率，增加缺陷的反射声压，有利于缺陷检测，但改变后的频率不能是原频率的整数倍。

（2）钢轨擦伤引起的剥离层若厚度大，超声波在剥离层往复传播一次所用时间大于脉冲宽度，则能在荧光屏上显示多次反射波，如果剥离层的厚度很小，而脉冲宽度较大时，多次反射波会重叠在一起，形成宽而杂的回波。

（3）探头与保护膜之间的耦合层（Z1≠Z2≠Z3），要实现良好的透声性，就应注意耦合层材料的声阻抗和厚度的选择，一般Z2Z1Z3，厚度为1/4波长的奇数倍

透声性最好。如选择不恰当的耦合层或是在探头和保护膜之间加的凡士林过厚都会使探伤灵敏度下降。

3．超声波倾斜入射时的反射、折射和波型转换

当超声波倾斜入射到异质界面时，除产生反射、折射（透射）现象以外，还往往伴随着波型转换现象，即产生与入射波不同类型的反射波和折射波。这种现象只发生在斜入射且介质为固体（因为液、气体介质中只能传播纵波）的场合，并与界面两侧

- 22 -

介质的状态有关。具体规律详见表1－6所示。

表1－6 超声波斜入射时的反射、折射和波型转换

波型 一 般 情 形 图 示 规律（表达式） 说 明 1．指不考虑有波型转换的入射情况。 2．α、γ、β——波的入射角、反射角和折射角。 sinsinsin C1C1C2 c1、c2——超声波分别在两种介质中的传播速度。 3．该表达式为超声波倾斜入射时的反射和折射定律，又称斯涅尔定律。 1．以固－固界面分析，两种介质中都有波型转换，即经界面反射和折射后，不仅仍有纵波，还出现了横波。 2．CL1、CL2——两介质中的纵波声速。 CＳ1、CS2——两介质中的横波声速。 γＬ、γＳ——纵、横波反射角。 βＬ、βS——纵、横波折射角。 αＬ——纵波入射角。 3．若CL2 > CL1 ，则βＬ=90°时对应的纵波入射角称为第一临界角，用αⅠ表示。 4．若CS2 > CL1 ，则βS = 90°时对应的纵波入射角称为第二临界角，用αⅡ表示。 1．以固－固界面分析，两种介质中都有波型转换，纵 波 入 射 sinLsinLsinsCL1CL1CS1sinLsinSCL2CS2 横 波 入 射 sinSsinLsinSCS1CL1CS1sinLsinSCL2CS2即经界面反射和折射后，不仅仍有横波，而且出 现了纵波。 2．αS —— 横波入射角。 3．当γＬ= 90°时，对应的横波入射角称为第三临界角，用αⅢ 表示。 （1）临界角的特点 由表1－6通过计算可得：

αⅠ＝arcsin

CCL1C；αⅡ＝arcsin L1；α Ⅲ = arcsin S1 。

CL1CL2CS2若第一介质中的纵波入射角αL＜αⅠ，则第二介质中既存在折射横波，又存在折射纵波。若αL=αⅠ～αⅡ，则第二介质中只存在折射横波，不存在折射纵波。这就是常用横波探头的设计原理和依据。若αL＞αⅡ，则第二介质中既无折射纵波，也无折射横波，但这时在第二介质表面形成表面波。这就是常用表面波探头的设计原理和依据。

- 23 -

只有当第一介质为固体时，才会有第三临界角。

（2）纵波入射有机玻璃与钢界面

纵波从有机玻璃斜入射击至钢中的折射率和入射角关系见图1－14。由图可见，入射角小于28º时，钢中有折射纵波和折射横波；当入射角28º~ 62º时，钢中只有折射横波。

图1－14 有机玻璃与钢的折射率和入射角之间关系

纵波从有机玻璃斜入射击至钢中的往复透过率见图1－15。由图可见，当入射角αL为30º~55 º（折射角βS为35º~75 º）时，折射横波声压往复透过率较大，最大为30%，在一定条件下入射角为30 º探头比50 º探头的往复透过率高。

图1－15 有机玻璃与钢界面往复透过率

（四）超声波在特殊部位的反射 1．端角的反射

超声波在两个相互垂直平面构成的直角内反射称为端角反射（图1－16）。每次反

- 24 -

射过程都遵循超声波的反射定律，反射波与入射波波型相同时，以平行于入射方向返回，反射率的大小与入射角和入射波型有关。

无波型转换 有波型转换

图1－16 端角反射示意图

纵波入射时，除入射角很小（0º附近）或入射角很大（90º附近）的情况外，纵波在很大范围内声压反射率均很低（图1－17a），当纵波入射角为15º~75 º间，不超过20%，这是由于纵波在端角平面上两次反射，分离出很强横波，这类横波不能沿与入射方向平行途径返回，使纵波的端角反射率很低；横波入射时，入射角在20º~34º或56º~70º范围内声压反射率为最低（图1－17b），当横波入射角为35º~55º间，端角反射率达100%，其原因是横波入射角均超过第三临界角。钢轨探伤中37º探头检测轨底横向裂纹就是利用端角反射特性来实现。

- 25 -

a b

图1－17 端角反射率

2．工件侧壁的反射

对截面宽度（n）或直径（d）与探头晶片尺寸相当的长直工件进行轴向纵波探测时，探头扩散声束中的一部分边缘声束等于以很大的纵波入射角αL斜入射工件侧壁平面，并产生纵波和变型横波S1（图1－18），其中S1横波穿越工件成为另一侧壁平面上的入射横波，其中一部分经波型转换后成为变型纵波L2和横波S2，L2经底面反射后被探头接收。若工件足够长，则变型横波可能在工件厚度方向上作多次横穿，它们的波型转换情况与第一次横穿时类同。因为横波声速比纵波声速慢，这样经变型横波转换后探头接收到的回波显然滞后于单纯纵波传播至底返面的回波，滞后时间与变型横波横穿工件厚度的次数成正比。这些比正常纵波底面回波滞后的变型波称为迟到回波。钢中迟到回波的滞后声程为：△S=0.76nd；铝中迟到回波的滞后声程为：△S=0.88nd。

图1－18 迟到波

位于工件侧壁附近的小缺陷，用与侧壁平行的声束很难检测，这是因为存在着工件侧壁干扰现象的缘故。这一干扰现象往往由经侧壁反射后的纵波（或横波）与不经反射的直射纵波之间的干涉引起的，其结果是干扰了直射声波的返回声压，使探测灵敏度下降。在脉冲反射式探伤中，一般脉冲持续时间所对应的声程不大于4λ，故只要

- 26 -

侧壁反射声束路程大于直射纵波声束路程4λ，侧壁干扰即可避免。因此，对于侧壁附近探头轴线上的小缺陷，避免侧壁干扰的条件应满足：

2W－h>4λ

式中 W——入射点到侧壁反射点的距离；

h——缺陷至探测面的距离； λ——波长。 3．61°反射

当探头置于直角三角形工件上（图1－19），若纵波入射角与横波反射角的关系为：+=90°，则会在示波屏上出现位置特定的反射波。根据反射定律和三角函数关系计算，钢的入射角61，所以这种反射称为61°反射。对于结构比较复杂的钢工件，为了有效的检测某些区域中的缺陷，特加工61°的斜面，利用61°反射来检测，从而获得较高的检测灵敏度。

图1－19 61°反射

4．圆柱内的反射

由于圆柱形工件有一定曲率，直探头与工件直接接触时，接触面为一很窄的条形区域，从而在圆柱的横截面内产生强烈的声束扩散。圆柱曲率半径越小，扩散越大。当扩散声束与探头声轴线夹角（指向角）为30º时，扩散纵波声束经圆柱面反射两次

- 27 -

后再返回探头接收，形成等边三角形的声束路径（图1－20a），这种三角形反射回波所经过的声程（WL）为1.3d，即反射声程比直射声束所得底面回波声程d滞后了0.3d。如果纵波扩散声束在圆柱面上发生波形转换，且一次反射横波S1再经另一侧圆柱面波形转换成二次反射纵波L2，返回探头接收，形成不等边（有变型横波）的三角形迟到回波（图1－20b），此时，其声程（WLS）为1.67d。

a b 图1－20 圆柱体中的三角形回波

5．平面波入射至弯曲界面上的反射波

平面波入射至弯曲界面上时（图1－21），波束与曲面上各入射点的法线成不同的夹角，入射角为0的声线沿原方向返回，其余声线的反射则随着距声轴距离的增大，反射角逐渐增大。当曲面为凹面时，反射波发生聚焦；曲面为凸面时，反射波向四周发散。平面波入射于球面上产生球面反射波，在柱面上则产生柱面反射波。

- 28 -

图1－21平面波入射至凹、凸曲面时的反射

6．平面波入射至曲面界面上的折射波

平面波入射至凹凸曲面时，其折射波会发生聚焦或发散，折射波的聚焦或发散不仅与曲面的凹凸有关，而且与界面两侧介质的声速有关。对于凹面，C1C2时发散（图1－22b）；对于凸面时， C1C2聚焦（图1－22d）。

图1－22 平面波入射至曲面的折射

（五）超声波的衰减*

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。

- 29 -

1．衰减的原因

引起超声波衰减的原因很多，主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。在探伤中所谓的衰减仅指由介质对声波的衰减，即吸收衰减和散射衰减。具体见表1－7所示。

表1－7 衰减原因分析

衰减原因 概 念 由波束的扩散引起。即随着传播距离的增扩散衰减 加，波束截面增大，使单位面积上的能量减少。 决 定 因 素 1．波阵面的几何形状，即波形。如平面波不存在扩散衰减，而柱面波和球面波则存在。 2．传播距离。距离增大，则衰减大。 必须指出，扩散衰减与传播介质无关。 1．材料内部组织。如铸件中的铁素体和石墨颗粒、材质晶粒粗大等都可成为散射源。 2．入射波波长。若晶粒或缺陷的尺寸与波长相当，则散射特别严重。 3．异质界面的不平度。表面若不光洁，则散射较大。 对于固体介质，吸收衰减相对于散射衰减可忽略不计，但对液体介质来说，吸收衰减则是主要的。 由散射引起的衰减。所谓散射是指波传播散射衰减 时遇到声阻抗不同的异质界面（如粗大晶粒的界面）从而产生反射、折射和波型转换的现象。 介质质点振动时因克服相互间内摩擦（即吸收衰减 粘滞性）造成声能损耗而引起的衰减。这部分损耗被转换成热能向周围传播。 2．衰减的表示方法

表示材质衰减的方法有相对比较法和绝对法两种。相对比较法通常是在仪器灵敏度相同的情况下，对同厚度不同材料的试件测试底面回波高度，或底面回波次数，或透过波高度。底面回波高，回波次数多或透过波高，则表示材料衰减小。这种方法只能概略地比较在不同材料中超声波的衰减情况，不能定量的表示出衰减的大小。绝对法则通过测出材料的衰减系数α值来反映超声波在不同介质中的衰减程度。测定衰减系数时要求工件厚度d大于两倍近场长度，具体测定方法有多种，下面以多次脉冲反射法为例介绍。

（1）当工件厚度2N＜d≤200mm时，可用多次脉冲反射回波高度的比较来测定α，即：

- 30 -

mn （dB/mm）

2(nm)d式中 m、n——底波反射次数（n＞m）；

α——材料的单位衰减系数；

Δm－n——示波屏上第m、n次底波波高Bm、Bn的分贝差，mn20lgBm；

Bnd——工件厚度；

20lgnm。

δ——表面反射损失，

（2）工件厚度d＞200mm时，采用多次反射可能超出仪器的测定范围，所以用底面的第一次和第二次回波的分贝差来计算衰减系数，即：

20lgB12B20lg20lg16B21B2（dB/mm） 2(21)d2d二、超声波远场规则反射体的反射规律* （一）各种规则反射体的反射及其反射声压

如前所述，在远场区中，声束轴线上的声压变化随距离的增加呈单调下降，远场中的入射声压P基本可按球面波的声压变化规律计算：

D2APP0P0

4xx式中 D——晶片直径；

A——晶片面积； X——声程； λ——波长。

1．大平面（底面）的反射（图1－23）

远场中的大平底B，离声源距离为XB，则大平底上的入射声压为：

- 31 -

D2 PP04XB式中 XB——声程；

若把大平底看作镜面反射，则反射到晶片的声压PB，相当于传播2XB声程，则为入射声压的一半，则大平底上的反射声压PB为：

1XD21PBPP0

24XB2

图1－23 大平底面的反射

2．圆形（平底孔底面）或方形平面的反射（图1－24）

离探头晶片距离X处，有一直径Φ的平底孔（Φ< D）则入射声压为：

D2 P4X把平底孔看作为一个直径（Φ）为的新声源，则入射声压P就是新声源的起始声压，所以晶片上接受到的平底孔声压PΦ为：

D22AA PP0P0224X4XX式中 AΦ——平底孔面积，对于方形或其它平面，只要按其面积代入。

- 32 -

图1－24 平底孔底面的反射

3．圆柱面的反射

若圆柱体直径为φ，长度为Ｌ，晶片至反射体距离为Xφ，当φ/λ≥2时，则有两种情况：

（1）长横孔（图1－25）

当圆柱体φ的长度大于声束直径时，其入射声压P为：

D2P

4X反射声压Pφ为：

D21P P04X22X式中 φ——长横孔直径。

长横孔的反射波具有柱面波的性质，因此其反射声压的后一部分与孔径平方根成正比，与声程平方根成反比。

图1－25 长横孔侧面的反射

- 33 -

（2）短横孔（图1－26）

当圆柱体短的长度L小于声束直径时，反射声压短为：

P短短D2LP0

4X短2X短式中 φ短——短横孔直径。

图1－26 短横孔侧面的反射

4．球形面的反射（图1－27）

球体直径为d，且小于声束直径，球面前沿离晶片距离Xd，则反射声压Pd为：

D2d PdP04Xd4Xd式中 d——球孔直径。

图1－27 球孔侧面的反射

从以上五个规则反射体声压计算公式可知，返回晶片的声压大小与入射声压P和反射体形状、尺寸有关。若晶片和探测频率一定，在相同声程上，它们的入射声压相同，则反射声压的差异仅与反射体的形状、大小有关，表1－8归纳了反射声压与形状系数的关系。

表1－8规则反射体的反射声压和形状系数

- 34 -

声 压 反射体种类 大平底（B） 平底孔（） 长横孔（φ） 短横孔（短） 球孔（d） 入射声压 形状系数 反射声压 1 2PBPPP PPP短P1 22 4X2 4X2XD2PP04X 122X12L2X L2X短 短 d 4XPdPd 4X 注： 式中的“Ｘ”为反射体离声源的距离。

（二）缺陷相对声压反射率及其应用

在实际探伤中为了计算缺陷的当量，常用缺陷反射声压Pf与基准反射体声压PA之比，简称缺陷相对反射率，用符号或1表示即

（1）＝

PfPa

1

式中，用于缺陷和基准反射体同声程（XfXA），用于缺陷和反射体不同

声程（XfXA）。PA为基准反射体声压，可以是大平底声压PB，也可以用不同孔型的规则反射体声压。Pf为缺陷反射体声压，一般为未知数。

为了计算方便，通常把缺陷当作规则反射体。如锻件探伤中以平底孔，焊缝探伤中以横通孔。根据各种规则形状缺陷反射声压和相对的基准反射体或工件底面的反射声压，计算缺陷相对声压反射率及其当量。表1－9列出了常用的几种规则形状缺陷的相对声压反射率。

缺陷相对声压反射率及其分贝差，除用来确定缺陷当量大小外，还可进行孔形换算、计算灵敏度调节量和制作AVG曲线图。

表1－9常用的几种规则形状缺陷的相对声压反射率

- 35 -

缺陷相对反射 率 缺陷 孔型 缺陷相对于大平底的声压反射率 缺陷相对于基准孔声压反射率的dB数及其当量计算 XBXf XBXf PXf＝BPBX22f1XAXf 2平底孔 2PfPB2Xf fXAP dB20lg40lgPAAXffAXfXA10dB40 长横孔 fPPB2Xf PXBf1＝PBXf2Xf 3fXAPdB20lg10lg PAAX3ffA()10XAXf3dB10 短短横孔 P短PB LXf短f短1短f短A短241010lgP短XBLf短dB20lg24＝ LfXAPAA短LAXfPBX2f短 P短4f短L2fXAL2AX4fdB10PXddB2PB2Xf球孔 PdddPB2Xf 1d= 2dfXAPddB20lg20lg PAdAX2fdfdA()10XAXf2dB20 1．调节探伤灵敏度

例题：用频率为2.5MHZ，20直探头，探测厚度300mm的锻件，要求直径3的缺陷不漏检，试求利用工件大平底，如何调节探伤灵敏度？若改用材料与工件相同的200mm，深2mm，平底孔试块，如何调节探伤灵敏度？（不计表面耦合差）

解1：已知X300mm,3mm,XB300mm,所以利用工件底面调节灵敏度的变化量为：

P2dB20lg20lg20lgPB2X325.923002.534(dB)

调整时将工件底面回波为基准高度后，再增益34dB，即达到要求。

解2：已知XA200mm,A2mm,X300mm,3mm,此时灵敏度调节量为：

- 36 -

dB20lgPXA320040lg40lg0(dB) PAAX2300这表示200/φ2与300/φ3的灵敏度一样调节时，只要将试块上深200mm，φ2mm的平底孔反射波调至基准高度，即满足要求。

2．缺陷当量计算和孔型换算

例题：用2MHZ、14mm直探头探测厚度为350mm锻件，发现距探测面200mm处有一缺陷，其回波高度比标准试块深150mm处2mm平底孔回波高11dB，求缺陷的平底孔当量；该缺陷相当于多大的长横孔直径？

解：（1）已知XA150mm,A2mm,缺陷声程X200mm,dB11dB

X200A1040210405(mm)

XA150（2）此缺陷的平底孔当量为5mm，若换算成长横孔，虽然孔型不同，但对于同一个缺陷它们的声压（或声压反射率）相等，所以：

dB112

2X2X222()2X2X222522001.8mm 5.9220022此缺陷相当于1.8mm直径的长横孔，同时表明，在上述条件下5mm平底孔与1.8mm长横孔的反射声压相等。

三、AVG曲线**

在超声波探伤中，自然缺陷的形状、性质和方向各不相同，回波相同的缺陷实际上往往相差很大，为此特引进“当量尺寸”来衡量缺陷的大小。在相同的探测条件下，当自然缺陷与某形状规则的人工缺陷回波等高时，则该人工缺陷的尺寸就为此自然缺

- 37 -

陷的当量尺寸。描述规则反射体的距离（A）、波幅（V）、当量大小（G）之间的关系曲线称为距离-波幅-当量曲线，德文称AVG曲线，英文为DGS曲线。AVG曲线可用于对缺陷定量和灵敏度调整。AVG曲线有多种类型，根据通用性分为通用AVG和实用AVG；根据波型不同分为纵波AVG和横波AVG；根据反射体不同分为平底孔AVG和横孔AVG等。

（一）通用AVG曲线

以横坐标表示归一化距离，纵坐标表示规则反射体归一化相对波高，用来描述归一化距离和归一化缺陷当量大小的关系曲线，称为通用AVG曲线。

通用AVG曲线可以用来调整检测灵敏度和对缺陷进行定量，通用性好，适用不同规格的探头。

（二）实用AVG曲线

以横坐标表示实际距离，纵坐标表示规则反射体相对波高，用来描述距离、波幅、当量尺寸之间的关系曲线，称为实用AVG曲线。

实用AVG曲线是由特定探头实测和计算所得，需要注明探头的尺寸和频率。对于垂直线性良好的仪器，回波高度与声压成正比，可将AVG曲线直接绘制在仪器示波屏面板上，因此也称为AVG面板曲线，其纵坐标表示波高，横坐标表示距离。

利用AVG面板曲线可调整检测灵敏度和对检测中发现的缺陷定量，比通用AVG曲线方便。

四、超声波探伤方法

超声波探伤方法可按原理、波型、显示方式、探头数目、探头与工件的接触方式、人工干预的程度等多个角度来对其进行分类。

（一）按原理分类

- 38 -

超声波探伤方法按原理可分为穿透法、脉冲反射法、衍射时差法（TOFD）等。 1．穿透法

它是最早采用的超声波探伤法，也叫透射法。其基本原理是：先将两个探头分别置于被测工件的两个相对面，一个探头发射超声波，超声波即透射过被测工件而被另一面的探头所接受，若被测件内有缺陷存在，由于缺陷可引起超声波的衰减，因此透射过的超声波的能量减少。根据能量减少的程度可判断缺陷的大小。穿透法分为连续穿透法和脉冲穿透法两种。脉冲穿透法（图1－28）其优点是：不存在探测盲区，判定缺陷方法简单，适用于连续的自动化探测较薄的工件。缺点是：探伤灵敏度低，分辨率差，不能确定缺陷的深度位置，一般需要专用的探头夹持装置。

图1－28 脉冲穿透法

2．脉冲反射法

超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，当遇到缺陷和底面就会产生反射，根据反射波的情况来检测试件缺陷的方法称为脉冲反射法。它是目前应用最广泛的一种超声波探伤法，探伤结果一般用A型显示。脉冲反射法可分为垂直探伤法和斜角探伤法两种。

（1）垂直探伤法 使超声波垂直进入工件进行探伤的方法称为垂直探伤法。当被测件无缺陷时（图1－29），示波屏上只有始波（T）和底波（B），当被测件中有小缺陷时，示波屏上除始波和底波外，还有缺陷波（F），当被测件中的缺陷大于声束直径时，示波屏幕上只有始波和缺陷波，底波消失。

- 39 -

图1－29 脉冲反射式垂直探伤法

（2）斜角探伤法

使超声波以一定入射角（大于0º）进入工件，超声波以与探测面成一定角度的传播方式进行探伤的方法，称为斜角探伤法。当被工件无缺陷时（图1－30），示波屏上只有始波（T），当被测件中有缺陷时，示波屏上除始波外，还有缺陷波（F）。

图1－30 脉冲反射式斜角探伤法

3．衍射时差法（TOFD）**

衍射时差法（简称TOFD）是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式。缺陷处的衍射现象如图1－31所示。

- 40 -

图1－31 衍射现象

TOFD方法一般将探头对称分布于焊缝两侧。在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头还会接收到缺陷处产生的衍射波（图1－32）。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，因为声速小于纵波，因而一般会迟于底面反射波到达接收探头。

图1－32 缺陷处A扫描信号

（1）主要优点：缺陷的衍射信号与缺陷的方向无关，缺陷检出率高；超声波束覆盖区域大；缺陷高度测量精确；实时成像，快速分析；缺陷的定量不依赖于缺陷的回波幅度；快速、安全、方便。

（2）局限性：由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的宽度，处于此范围的缺陷波难以被发现，因此在扫查面和底面存在几毫米的表面盲区； TOFD信号较弱，易受噪声影响；倾向于“过分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，比如气孔、夹层等； TOFD数据分析对检测人员要求高。

（二）按波型分类

超声波探伤方法按波型可分为纵波法、横波法、表面波法、板波法、爬波法等。 1．纵波法

利于纵波进行工件缺陷的探伤方法称为纵波法，通常垂直探伤法就属此类。它在板材、锻件、铸件、复合材料等探伤中广泛应用，本节探伤原理分类中介绍了利用纵

- 41 -

波的脉冲反射式垂直探伤法，它属于一次脉冲反射法，此外还有多次脉冲反射法（图1－33）。该法是以多次底面脉冲反射信号为依据进行探伤的一种方法，探伤时，示波屏上出现波高逐次递减的多次底波，若工件中存在吸收性缺陷时（如疏松等），声波穿过缺陷后能量衰减，底面回波减少，缺陷愈严重，衰减愈大，底面回波愈少。

图1－33 多次脉冲反射法

2．横波法

利于横波进行工件缺陷的探伤方法称为横波法，横波探伤法（图1－34），探头晶片入射角大于第一临界角而小于第二临界角，被测件中只有折射横波，该方法特别适合对焊缝中缺陷的探伤。

图1－34 横波探伤法

3．表面波法

利用表面波进行探伤的方法称为表面波法，表面波法通常利用的是瑞利波，因此又称为瑞利波法。瑞利波产生方式与横波斜角接触法相似，入射角满足SinCL/CR条件（CL斜楔中的纵波速度，CR试件材料中瑞利波速度），在界面上可产生瑞利波。

瑞利波在传播过程中遇到表面或近表面缺陷时，部分声波在缺陷处仍以瑞利波被反射，并沿试件表面返回，A显示波形上回波的水平位置与缺陷在试件表面距探头入射点的距离相关（图1－35）。瑞利波幅度沿深度方向衰减很快，离表面一个波长以上

- 42 -

幅度已很微弱，同时，在其沿表央传播过程中，试件表面的油污、粗糙度等因素也会引起能量的衰减。

图1－35 表面波探伤法

4．板波法

使用板波进行检测的方法，称为板波法。主要用于薄板、薄壁管等形状简单的工件检测。板波充塞于整个工件，可以发现内部的和表面的缺陷，但是检出灵敏度除取决于仪器工作条件外，还取决于波的形式。检测的一般程序：尽可能选用宽的发射脉冲；制作一个与被测板材料相同的对比试块；选择合适的波型；根据入射角选择合适的探头，在试块上调整扫描速度；根据人工反射体的反射，选择合适的检测灵敏度；检测时，当发现端面信号前面有信号出现时，用手指拍打确定缺陷确切的位置。

5．爬波法

当纵波从第一介质以第一临界角附近的角度（±30´以内）入射于第二介质时，在第二介质中不但存在表面纵波，而且还存在斜射横波（图1－36）。通常把横波的波前称为头波，把沿介质表面下一定距离处在横波和表面纵波之间传播的峰值波称为纵向头波或爬波。

- 43 -

图1－36 爬波的产生

爬波受试件表面刻痕、不平整、凹陷、液滴等的干扰较少，有利于探测表面下的缺陷，如铸件、堆焊层等的表面下裂纹以及螺纹根部的裂纹等。爬波探头的入射角选为第一临界角，可通过选择声波频率和探头晶片直径，来改变对表面附近缺陷的敏感深度。爬波离开探头后衰减很快，探测距离较小，通常只有几十毫米，在很多情况下采用双探头一收一发相对放置较为有利。

（三）按显示方式分类

超声波探伤方法按显示方式可分为A型显示和超声成像显示。 1．A型显示探伤

A型显示脉冲反射式探伤法是以水平基线（X轴）表示超声波传播的距离或时间，用垂直于基线（Y轴）表示超声波反射幅度的一种信号显示方式（图1－37）。它可以根据缺陷回波在荧光屏水平基线上的位置来确定缺陷深度，用回波幅度的高低来衡量缺陷大小。

图1－37（3T1） A型显示

2．超声成像显示

- 44 -

超声成像显示可细分为B、C、 P、ALOK、相控阵超声成像显示等。

（1）B型显示 B型显示是以显示被检工件的横截面图像，指示反射体的大致尺寸及其相对位置的超声信息显示方法（图1－38）。荧光屏上横坐标表示探头移动距离，纵坐标表示声波传播距离或时间，显示图形随探头的移动和回波时间而变化，可直观了解探头移动下方的缺陷分布和离探测面深度。

图1－38（3T2） B型显示

（2）C型显示 C型显示是以显示整个体积内缺陷或界面的顶视图像，指示缺陷位置和大小的超声信息显示方法（图1－39）。这种显示方式的特点是探头接收到的缺陷信号以亮点和暗点来绘出缺陷的水平投影位置，因而荧光屏上所表示的是被检工件的投影图。黑白显示器一般不能给出缺陷的深度，如果采用彩色显示器，用门脉冲将深度分成阶段，以不同的颜色表示一定深度，则可显示缺陷的大约深度。

图1－39（3T3） C型扫描示意图

此外，还有P扫描成像、ALOK超声成像、相控阵成像等方法。 （四）按探头数目分类

超声波探伤方法按探头数目可分为单探头法、双探头法、多探头法等。

- 45 -

1．单探头法

使用一个探头兼作发射和接收超声波的检测方法称为单探头法。单探头法操作方便，可检出大多数缺陷，是目前最常用的一种方法。

单探头法检测，对于与波束轴线垂直的面状缺陷和立体型缺陷的检出效果最好；与波束轴线平行的面状缺陷难以检出；当缺陷与波束轴线倾斜时，则根据倾斜角度的大小，能够收到部分回波或者因反射波束全部反射在探头之外而无法检出。

2．双探头法

使用两个探头（一个发射，一个接收）进行检测的方法称为双探头法。主要用于发现单探头法难以检出的缺陷。双探头法又可根据两个探头排列方式和工作方式，进一步分为并列式、交叉式、K形式、串列式、V形串列式（图1－40）。

图1－40 双探头排列方式

（1）并列式 两个探头并列放置，检测时两者作同步同向移动。若直探头作并列放置时，通常是一个探头固定，另一个探头移动，以便发现与检测面倾斜的缺陷。双晶探头就是将两个并列的探头组合一起，具有较高的分辨分和信噪比，适用于薄工件、近表面缺陷的检测。

（2）交叉式 两个探头轴线交叉，交叉点为要检测的部位。此种检测方法可用来发现与检测面垂直的面状缺陷，在焊缝检测中，常用来发现横向缺陷。

- 46 -

（3）K形式 两个探头以相同的方向分别放置于工件的上下表面上。一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波进入另一个探头。此种检测方法主要用来发现与检测面垂直的面状缺陷。

（4）串列式 两个探头一前一后，以相同方向放置在同一表面上，一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波经底面反射进入另一个探头。此种检测方法主要用来发现与检测面垂直的面状缺陷，其特点不论缺陷处于工件上、中、下部，缺陷声程始终相等，从而缺陷信号在荧光屏上的水平位置固定不变。

（5）V形串列式 两个探头相对放置在同一面上，一个探头发射的声波被缺陷反射，反射的回波刚好落在另一个探头的入射点上。此种检测方法主要用来发现与检测面平行的面状缺陷。

3．多探头法

使用两个以上的探头组合在一起进行检测的方法称为多探头法。多探头法主要是通过增加声束来提高检测速度或发现各种取向的缺陷，通常与多通道仪器和自动扫查装置配合，提高焊缝检测效率（图1－41）。

图1－41 多探头法

（五）按探头与工件的接触方式分类

超声波探伤方法按探头与工件的接触方式可分为接触法、液浸法、电磁耦合法。 1．接触法

探头与工件检测面之间涂有很薄的耦合剂层，因此可以看作为两者直接接触，故

- 47 -

称为直接接触法，或简称接触法。其优点：多为手工检测，操作方便；设备简单，适用于现场检测，且成本较低；直接耦合，入射声能损失小，可发提供较大的厚度穿透能力。其缺点：手工操作受人为因素影响较大，耦合不易稳定；要求被检表面的粗糙度较小。

2．液浸法

将探头和工件浸于液体中，以液体作耦合剂进行检测的方法。耦合剂可以是水，也可以是油，当水作耦合剂时，称为水浸法。液浸法按检测方式不同，又分为全浸没式和局部浸没式（图1－42），而局部浸没式又分为喷液式、通水式、满溢式三类。

图1－42 液浸法

（1）液浸法优点 探头与被检工件不接触，超声波的发射和接收均较稳定，可检测较薄的工件，且探头不会磨损坏；通过调节探头角度和加装透镜，可改变探头发射的声束方向，实现聚焦声束检测，满足高灵敏度、高分辨力检测的需要；便于实现自动检测，减少影响检测可靠性的人为因素。

（2）液浸法缺点 超声波在液体/金属界面的反射能量损失大，检测高衰减和大厚度材料时，需采用较高的增益；在较高增益下，还可能出现噪声干扰。

3．电磁耦合法**

- 48 -

采用电磁探头激发和接收超声波的检测方法，也称为电磁超声检测方法（EMAT）。使用这种方法时，探头与工件之间不接触。

铁磁性材料在磁化过程中各磁畴之间的界限发生移动，因而产生机械变形，这种现象称为磁致伸缩效应。反之，在外力作用下，使各磁畴之间的界限发生移动，从而磁化强度也发生相应的变化，这种现象称为逆磁致伸缩效应。由于电磁感应的存在，材料形变而产生的磁场，必然会在材料中感应一个电场，在铁磁性材料中的任何机械振动都会伴随着产生一个电磁振动，这两种振动产生的波相互耦合在一起，就会形成电磁超声。

常规的超声检测和测厚给无损检测工作者带来最大的不便就是需对检测对象的表面进行处理，使其达到一定的表面粗糙度。电磁超声检测与常规方法相比无需机械和液体耦合，进行锅炉、压力容器和压力管道检测时对沾染或结渣轻微的表面无须进行处理，大大减少了辅助性工作量；由于电磁超声探头与工件有一定的距离，因此还可能应用于高温在线检测；同时电磁超声检测速度快，适用于连续生产线的自动检则。综合而言，电磁超声技术具有广阔的发展空间。

目前，电磁超声可以像传统的压电晶片换能器一样，在铁磁性金属件中产生纵波、横波、斜声束以及聚焦声束，可同常规的超声检测一样来检查工作中的缺陷。但是，电磁超声的缺陷检出能力和信噪比与常规的压电晶片换能器超声检测相比，还有待进一步提高。

（六）按人工干预的程度分类

超声波探伤方法按人工干预的程度可分为手工检测、自动检测。 1．手工检测

一般指由操作者手持探头进行的A型脉冲反射式超声检测。该方法简便实用，但

- 49 -

检测可靠性受人为因素影响较大。

2．自动检测

使用自动化超声检测设备，在最少的人工干预下进行并完成检测的全部过程。一般指采用自动扫查装置，或在检测过程中可自动记录声束位置信息、自动采集和记录数据的检测方式。该方法所要求的检测设备较复杂，但检测可靠性受人为因素影响较小。

五、缺陷的定位和定量* （一）缺陷的定位

探伤中测定缺陷在工件中的具体位置，称为定位。常用垂直高度（缺陷至探测面的垂直距离）和水平距离的二轴坐标确定缺陷的位置。以下分垂直法和斜角法两种情况介绍。

1．垂直法探伤的定位

垂直法探伤的定位比较简便，若探头波束轴线不偏离，缺陷回波达最高值时，缺陷的水平位置就在探头的入射点之下（即缺陷正位于探头中心轴线上），只要测定缺陷在工件中的深度，即可对缺陷定位。当探伤仪按声程测距时，仪器基线刻度与声程的比例系数k确定后，若缺陷波前沿所对的水平刻度值为m，则缺陷至探头的距离h为h＝k·m 。

2．斜角法探伤的定位

斜角法探伤时，缺陷的水平位置不在探头入射点的法线上，需要通过三角函数关系来计算缺陷的水平距离和垂直深度。以横波斜探头探测平面为例（图1－43），横波折射角为β（即声束轴线与探测面法线的夹角），声束由上面（入射点O）倾斜入射到工件下表面所对应探测面上的投影距离为0.5s′，声束又从工件下表面反射到上表面，

- 50 -

此时整个投影距离为1s′，此即为声波在工件上探伤所产生的跨距。依此类推有1.5s′，2s′等。当声波在0 s～0.5s′范围内探测时，称为一次波探测；在0.5 s～1s′范围内探测时，称为二次波探测，显然还应有三次波及四次波探测等。缺陷从探测面上的投影点到探头声束入射点之间的水平距离“L”称为“探头距离”。缺陷至探测面的垂直距离“h”称为缺陷深度。缺陷的位置即由这两个参数确定。由于横波扫描速度可按声程、水平、深度来调节，因此缺陷定位的方法也不一样。以下介绍前两种方法。

图1－43（1T19） 横波探伤缺陷定位

（1）按声程调节扫描速度 仪器按声程1∶n调节横波扫描速度，缺陷波水平刻度为τ。一次波探伤时，缺陷至入射点的声程S＝nτ，则缺陷在工件中的水平距离L和深度h为：

L＝Ssinβ h=Scosβ

二次波探伤时，S＝nτ（S＝S1+S2），若工件厚度为T，则缺陷在工件中的水平距离L和深度h为：

L＝Ssinβ h=2T－Scosβ

（2）按水平调节扫描速度 仪器按水平距离1：n调节横波扫描速度，缺陷波的水平刻度值为τ，采用Ｋ值探头探伤。一次波探伤时，缺陷在工件中的水平距离L和深度h为：

L＝nτ hLKL tan二次波探伤时，缺陷在工件中的水平距离L和深度h为：

- 51 -

L＝nτ d2T（二）缺陷的定量

L K测定缺陷在工件内的大小（包括缺陷的面积和长度）和数量，称为缺陷的定量（也称为缺陷的评价）。目前，对缺陷定量的方法很多，以下介绍一些常用的方法。

1．底波高度法

该法利用缺陷波与底波高度之比来衡量缺陷的相对大小。其基本原理为：当工件中存在缺陷时，由于缺陷反射，使工件底波下降。缺陷越大，缺陷波越高，底波就越低，缺陷波与底波之比就越大。底波高度法并不能给出缺陷的当量尺寸，常用于测定缺陷的相对大小，密集程度等。

（1）百分比法 在一定的灵敏度下，以缺陷波高F与缺陷处底波高B之比来衡量缺陷的相对大小。

（2）声压比法 缺陷波和底波高度与缺陷反射声压（Pf）和底面反射声压（PB）成正比，而声压比又可用dB表示：

dB20lgPfPB20lgPf20lgPB

因此，在配有衰减器的仪器中，当测知底波和缺陷波的相对dB值，并求出两者之差图后，根据图1－44所示换算出声比Pf/PB值，此值表示缺陷的大小。

图1－44（1T20） 分贝与Pf/PB换算表

2．当量法

- 52 -

缺陷尺寸小于声束截面时，一般采用当量法来确定缺陷的大小。采用当量法确定的缺陷尺寸是缺陷的当量尺寸。该尺寸总是小于或等于缺陷的实际尺寸。常用的当量法有当量试块比较法、当量计算法和当量AVG曲线法。以当量试块比较法为例，它是将缺陷回波与试块上人工缺陷回波进行比较来对缺陷定量的方法。一般预先加工一系列不同声程不同尺寸的人工缺陷试块，探伤中发现缺陷时，将工件中自然缺陷的回波与试块上人工缺陷回波比较，当同声程处的自然缺陷与某人工缺陷回波等高时，该人工缺陷尺寸就是此自然缺陷的当量大小。如某缺陷的回波高与同深度Φ3平底孔相同时（测试条件一样），该缺陷就定为Φ3平底孔当量。事实上它仅说明缺陷的声压反射相当于Φ3平底孔的声压反射，而不代表缺陷的实际尺寸就是Φ3。利用试块比较法对缺陷定量要尽量使试块与工件的材质、表面粗糙度和形状一致，并且其它探测条件不变，如仪器与探头、灵敏度、对探头的压力等。

3．测长法

当工件中缺陷尺寸大于声束截面时，一般采用测长法来确定缺陷的长度。测长法是根据缺陷反射波高与探头移动的距离来确定缺陷尺寸的。按规定方法测定缺陷的长度称为缺陷的指示长度lf。由于实际工作中缺陷的取向、性质、表面状态等都会影响缺陷的回波高，因此，缺陷的指示长度总是小于或等于缺陷的实际长度。以下介绍几种常用的测长法。

（1）6dB法 由于波高降低6dB后正好为原来的一半，因此6dB法又称半波高度法。其具体做法是：移动探头找出缺陷的最大反射波后，调节衰减器，使缺陷波高降至基准波高。然后用衰减器将仪器灵敏度提高6 dB，沿缺陷方向左右移动探头，当缺陷波高降至基准波高时，探头中心线之间距离就是缺陷的指示长度（图1－45）。

- 53 -

图1－45（1T21） 半波高度法（6dB法）

（2）端点6dB法 又称端点半波高度法，当缺陷各部分反射波高有很大变化时，测长采用端点6dB法 。其具体做法是：当发现缺陷后，探头沿缺陷方向左右移动，找出缺陷两端的最大反射波，分别以这两个缺陷反射波高为基准，继续向左、向右移动探头，当缺陷反射波高降低一半时（或6dB时），探头中心线之间的距离即为缺陷的指示长度（图1－46）。

图1－46（1T22） 端点6dB法测长

（3）全波消失法 探测时记下各个缺陷波消失时的探头中心所在的位置（图1－47）。探头在3位缺陷波最高，在1及2位置缺陷波开始消失，设1至2之间的距离为L，扩散角为θ，缺陷的深度为h，则缺陷的大小为：

b=L－2a a=h·tAnθ

图1－47（1T23） 全波消失法测定缺陷大小

（4）端点反射法 超声波射及缺陷时，除产生反射回波外，还激励缺陷成为一

- 54 -

个新的辐射声源。在缺陷端点会产生比其它部位更大的辐射能量（图1－48），因此在移动探头中应注意从最高波幅逐渐下降后的缺陷端点回波的加强信号。如在核定量中经常发现远点波形变粗的现象。因此可依据远点波形变化作为核伤边缘端点位置。

图1－48（1T24） 端角反射法测定延伸度

六、超声波探伤对定位精度的影响因素**

利用A型脉冲反射式超声波探伤仪进行探伤，其结果往往是根据荧光屏上的缺陷回波的位置分析得到，而影响回波出现的位置（即定位精度）的因素是多方面的。

（一）仪器对定位精度的影响

超声检测仪发展到现今，水平线性和垂直线性等影响检测误差的因素在多数仪器上均已做得很好，通常可满足检测要求。但不同的仪器因水平线性差异、仪器调节不当，会产生不同的定位结果。

（二）探头对定位精度的影响

探头由于制作工艺的差异，或使过程中磨损，会产生声束、入射角变化，检测同一工件时，可能会给出不同的结果。

1．声束偏离

无论是垂直入射还是倾斜入射检测，都是假定波束轴线与探头晶片几何中心重合。但实际上，这两者往往难以重合。当实际声束轴线偏离探头几何中心轴线较大时，缺陷定位精度定会下降。

2．探头双峰

一般探头发射的声场只有一个主声束，远场区轴线上声压最高。但有些探头性能不佳，存在两个主声束。当发现缺陷时，很难判定是哪个主声束发现的，因此也就难

- 55 -

以确定缺陷的实际位置。

3．斜楔磨损

横波探头在检测过程中，斜楔将会磨损。当操作者用力不均时，探头斜楔前后磨损不同。当斜楔后面磨损较大时，折射角增大，探头K值增大。当斜楔前面磨损较大时，折射角减小，K值也减小。此外，探头磨损还会使探头入射点发生变化，影响缺陷定位。

（三）工件对定位精度的影响 1．工件表面粗糙度

工件表面粗糙，不仅会使耦合不良，而且由于表面凹凸不平，还会使声波进人工件的时间产生差异。当凹槽深度为

时，则进人工件的声波相位正好相反，这样就犹2如一个正负交替变化的次声源作用在工件上，使进人工件的声波互相干涉形成分叉（图1－49），从而使缺陷定位困难。

图1－49 粗糙表面引起的声束分叉

2．工件材质

工件材质对缺陷定位的影响可从声速和内应力两方面来讨论。当工件与试块的声速不同时，就会使探头的K值发生变化。另外，工件内应力较大时，将使声波的传播速度和方向发生变化。当应力方向与波的传播方向一致时，若应力为压缩应力，则应力作用会使工件弹性增加，这时声速加快。反之，若应力为拉伸应力，则声速减慢。

- 56 -

当应力与波的传播方向不一致时，波动过程中质点振动轨迹将受应力干扰，使波的传播方向产生偏离，影响缺陷定位。

3．工件表面形状

检测曲面工件时，探头与工件接触有两种情况。一种是平面与曲面接触，这时为点或线接触，握持不当，探头折射角容易发生变化。另一种是将探头斜楔磨成曲面，探头与工件曲面接触，这时折射角和声束形状将发生变化，影响缺陷定位。

4．工件边界

当缺陷靠近工件边界时，由于侧壁反射波与直接入射波在缺陷处产生干涉，使声场声压分布发生变化，声束轴线发生偏离，使缺陷定位误差增加。

5．工件温度

探头的K值一般是在室温下测定的。当检测的工件温度发生变化时，工件中的声速发生变化，探头折射角也随之发生变化（图1－50）。图中曲线表示β=45°的探头折射角变化情况。当温度低于20°时，β＜45°，当温度高于20°时，β＞45°。

图1－50 温度对折射角的影响

（四）缺陷对定位精度的影响

- 57 -

工件内缺陷方向也会影响缺陷定位精度。缺陷倾斜时，扩散波束入射至缺陷时回波较高，而定位时就会误认为缺陷在轴线上，从而导致定位不准。

（五）操作人员对定位精度的影响 1．仪器调节

仪器时基线比例一般在试块上调节，当工件与试块的声速不同时，仪器的时基线比例发生变化，影响缺陷定位精度。另外，调节比例时，若回波前沿没有对准相应水平刻度或读数不准，也会使缺陷定位误差增加。

2．探头测试

横波检测时，当测定探头的入射点、K值误差较大时，会影响缺陷定位。 3．定位方法

横波周向检测圆筒形工件时，缺陷定位与平板不同，若仍按平板工件处理，那么定位误差将会增加。

七、超声波探伤对定量精度的影响因素**

A型脉冲反射式超声波探伤仪进行探伤，影响定量精度即影响缺陷回波幅度的因素较多，如仪器、探头、耦合、工件、缺陷等都对缺陷定量精度有所影响。

（一）仪器及探头性能对定量精度的影响

仪器和探头性能的优劣，对缺陷定量精度影响很大。仪器的垂直线性、衰减器精度、频率、探头形式、晶片尺寸、折射角大小等都直接影响回波高度。因此，在检测时，除了要选择垂直线性好、衰减器精度高的仪器外，还要注意频率、晶片尺寸和折射角等参数。

1．频率的影响 由Bf20lg

2x2fD2fxB20lg2Cx2ffD2fxB可知，超声波频率f对于大平底与平底孔回

- 58 -

波高度的分贝差Bf有直接影响。f增加，Bf减小，f减小，Bf增加。因此在实际检测中，频率f偏差不仅影响底波调节灵敏度法，而且影响用当量计算法对缺陷定量。

2．衰减器精度和垂直线性的影响

A型脉冲反射式超声波检测仪是根据相对波高来对缺陷定量的。而相对波高常用衰减器来度量。因此衰减器精度直接影响缺陷定量，衰减器精度低定量误差大。当采用面板曲线对缺陷定量时，仪器的垂直线性好坏将会影响缺陷定量精度。垂直线性差，定量误差大。

3．晶片尺寸的影响

晶片尺寸影响近场区长度和波束指向性，因此对定量也有一定的影响。 4．探头K值的影响

超声波倾斜入射时，声压往复透射率与入射角有关。对于横波斜探头而言，不同K值的探头的灵敏度不同。因此探头K值的偏差也会影响缺陷定量。特别是横波检测平板对接焊缝根部未焊透等缺陷时，不同K值探头检测同一根部缺陷，其回波高相差较大，当K=0.7－1.5（S=35°~55°）时，回波较高，当K=1.5~2.0（S=55°~63°）时，回波很低，容易引起漏检。

（二）耦合与衰减对定量精度的影响 1．耦合的影响

超声波检测中，耦合剂的声阻抗和耦合层厚度对回波高度有较大的影响。当耦合层厚度等于半波长的整数倍时，声强透射率与耦合剂性质无关。当耦合层厚度等于

2/4的奇数倍，声阻抗为两侧介质声阻抗的几何平均值（Z2Z1Z3）时，超声波

全透射。因此，实际检测中耦合剂的声阻抗，对探头施加的压力大小都会影响缺陷回波高度，进而影响缺陷定量。此外，当探头与试块和被检工件表面耦合状态不同时，

- 59 -

而又没有进行恰当的补偿，也会使定量误差增加，精度下降。

2．衰减的影响

实际工件是存在介质衰减的，由介质衰减引起的分贝差2x可知，当衰减系数较大或距离x较大时，由此引起的衰减也较大。这时如果仍不考虑介质衰减的影响，那么定量精度势必受到影响。因此在检测晶粒较粗大和大型工件时，应测定材质的衰减系数，并在定量计算时考虑介质衰减的影响，以便减小定量误差。

（三）工件对定量精度的影响 1．工件形状的影响

工件底面形状不同，回波的高度也就不同，凸曲面会使反射波发散，回波降低；凹曲面会使反射波聚焦，回波升高。对于圆柱体而言，外圆径向检测实心圆柱体时，入射点处的回波声压理论上同平底面工件相同，但实际上由于圆柱面耦合不及平面，因而其回波低于平底面，因此会使定量误差增加。

2．工件表面的影响

当工件底面与检测面不平行、底面粗糙或沾有水迹、油污时，将会使底波下降，这样利用底波调节的灵敏度将会偏高，缺陷定量误差增加。

3．工件侧壁的影响

当检测侧壁附近的缺陷，靠近侧壁检测回波低，远离侧壁检测反而回波高。为了减少侧壁的影响，宜选用频率高、晶片直径大的指向性好的探头检测或横波法检测。必要时还可采用试块比较法来定量，以便提高定量精度。

4．工件尺寸的影响

当工件尺寸较小，缺陷位于3N以内时，利用底波调灵敏度并定量，将会使定量误差增加。

- 60 -

（四）缺陷状态对定量精度的影响 1．缺陷形状的影响

试件中实际缺陷的形状多种多样，通常把缺陷的形状简化为圆片形、球形和圆柱形三种。对于给定的探头（晶片面积和频率一定），缺陷距离一定时，缺陷波高随缺陷直径的变化程度是：圆片形缺陷最快，长圆柱形缺陷最慢；在缺陷直径一定时，缺陷波高随距离的变化程度是：圆片形和球形缺陷较快，长圆柱形缺陷较慢；缺陷距离和直径都相等时，缺陷波高以长圆柱形为最高，圆平面形次之，球形最低。对点状缺陷，当尺寸很小时，缺陷形状对波高的影响就变得很小。

2．缺陷取向的影响

声束垂直入射到缺陷表面时，回波幅度最高，但实际上缺陷表面相对于声束入射方向往往并不垂直，因此 ，对缺陷尺寸估计偏小的可能性很大（图1－51）。实际探伤时，往往需配置不同角度的探头同时探伤。

图1－51（1T17） 缺陷取向对回波幅度影响示意图

3．缺陷大小的影响

无论声波相对于缺陷是垂直入射还是斜入射，缺陷大小不同其反射波的指向性可有相当大的差异（图1－52）。当直径Df为波长λ的2倍以上时，具有较好的指向性，缺陷反射波较强，当缺陷直径Df低于波长的2倍时，缺陷反射波的指向性变坏，直至缺陷反射波能量呈球面形分布，强度将降低；当入射声束与缺陷反射面不垂直，随着缺陷直径增加，反射声束指向性越好，回波幅度反而下降，应此对于取向不良的缺

- 61 -

陷来说，根据回波幅度来确定缺陷大小是不准确的。

图1－52（1T18） 圆片形缺陷反射波的指向性

4．缺陷表面粗糙度的影响

表面凹凸不平、高度差小于1/3 波长，则认为该表面是平滑的，否则是粗糙表面。对于表面粗糙的缺陷，声波垂直入射时，声波被乱反射，同时各部分反射波由于有相位差而产生干涉，使缺陷回波波高随粗糙度的增大而下降；当声波倾斜入射时，缺陷回波波高随着凹凸程度与波长的比值增大而增高。当凹凸程度接近波长时，即使入射声波角较大，也能接受到反射波。

5．缺陷性质的影响

声波在界面的反射率是由界面两边介质的声阻抗决定的。若两边声阻抗差异较大，近似地可认为是全反射，反射声能强。差异较小时，就有一部分声能透射，反射声能变弱。因此，试件中缺陷性质不同（即声阻抗不同），缺陷和材料之间的声阻抗差异就不同。通常含气体的缺陷，如钢中的白点、气孔等，其声阻抗与钢声阻抗相差较大，可以近似地认为声波在缺陷表面是全反射。而对于非金属夹杂等缺陷，由于声阻抗与钢的声阻抗相差小，缺陷的反射波相应减弱，声波在缺陷上的透射和吸收明显高于白点、气孔等缺陷。

6．缺陷位置的影响

缺陷波高还与缺陷位置有关。缺陷位于近场区时，同样大小的缺陷会随位置的不同而起伏变化，定量误差大。所以，实际检测中总是尽量避免在近场区检测定量。

- 62 -

八、非缺陷回波的判别

（一）纵波探头非缺陷回波的判别

纵波直探头法超声检测中，除了始波、底波和缺陷波外，常常还会出现一些其他的信号波，这些信号波将影响到对缺陷波的正确判别。因此，分析和了解常见非缺陷回波产生的原因和特点是十分必要的。

1．探头杂波

当探头中的吸收块吸收不良时，会在始波后出现一些杂波。双晶直探头检测厚壁工件时，由于入射角比较小，声波在延迟块内的多次反射也可能产生一些非缺陷信号，干扰缺陷回波的判别。

2．工件轮廓回波

当超声波射达工件的台阶、螺纹等轮廓时在示波屏上将引起一些轮廓回波（图1－53）。

图1－53 轮廓回波

3．幻象波

超声检测中，提高重复频率可提高单位时间内扫描次数，增强示波屏显示的亮度。但当重复频率过高时，第一个同步脉冲回波尚未消失，第二个同步脉冲又重新扫描。这样在示波屏上就会产生幻象波，影响缺陷波的判别。降低重复频率，幻象波消失。

- 63 -

目前生产的新型超声波检测仪，重复频率与深度范围同步调节，设计时考虑了重复频率与工件厚度的关系，一般不会产生幻象波。

（二）横波斜探头非缺陷回波的判别

横波斜探头产生的非缺陷回波比纵波探头要多，除工件轮廓回波、探头杂波、幻象波外，还有表面波、草状回波、变型波、“山”形波等。

1．工件轮廓回波

当超声波射达工件的台阶、螺纹等轮廓时在示波屏上将引起一些轮廓回波（图1－54）。条件允许时可用手指沾油触摸法来鉴别工件轮廓回波。

图1－54 轮廓回波

2．探头杂波

探头吸收块吸收不良时，会在始波后出现一些杂波；斜探头有机玻璃斜楔设计不合理时，声波在有机玻璃内反射回到晶片，也会引起一些杂波。可以采用更换探头的方法来鉴别探头杂波。

3．幻象波

当重复频率过高时，在示波屏上就会产生幻象波，影响缺陷波的判别。降低重复频率，幻象波消失。

- -

4．表面波

斜探头产生的表面波在表面传播时，遇到拐角处或表面凹坑就会产生反射，用手指按探头前面的工件表面，可看出信号幅度的变化。

5．草状回波（林状回波）

超声检测中，当选用较高频率的探头检测晶粒较粗大的工件时，声波在粗大晶粒之间的界面上会产生散乱反射，反射波被仪器接收后在示波屏上形成草状回波（又叫林状回波），严重影响对缺陷波的判别。降低探头频率，会降低草状回波，提高信噪比。

6．变型波

声束入射到焊缝下表面（图1－55），当焊缝下表面的形状使αS＜αⅢ时，反射波中既会出现反射横波S'，也有反射纵波L'。反射纵波当垂直入射至焊缝上表面或某些特殊位置时，再沿原路径返回倾斜入射至下表面，再进行一次波型转换，产生反射纵波和变型反射横波后，才能在显示屏上显示出来。其中的变型反射横波沿原路径返回探头，被探头接收，显示在显示屏上，这就是通常所说的变型波。

图1－55 声束入射到焊缝下表面产生变型波的示意图

7．“山”形波

当变型纵波L'垂直入射至焊缝上表面的某些部位时，其回波会被探头接收；同时，若反射横波S'也垂直入射至焊缝上表面的某些部位，其回波也同时被探头接收；再加

- 65 -

上一次底波B1，这样，显示屏上就会同时显示三个波，其形状像“山”字，俗称“山”形波（图1－56）。

图1－56 “山”形波

总之，在检测过程中可能会出现各种各样的非缺陷回波，干扰对缺陷波的判别。检测人员应注意应用超声波反射、折射和波型转换理论．计算相应回波的声程和时间，分析判别可能出现的各种非缺陷回波，对各种回波做出正确判断。

复习思考题

1．无损探伤采用的五种常规方法是什么？其中只适用于检查表面开口缺陷的方法是什么？

2．什么叫波？波分为哪两类？

3．什么是超声波？其波长、频率、声速三者的关系式是什么？ 4．超声波探伤的主要优点是什么？ 5．什么是超声波的指向性与指向角？ 6．用哪些物理量可描述超声场的特征？

7．若CL2＞CL1，那么当第一介质中的纵波入射角处于什么范围时，第二介质中只有折射横波存在？

8．什么叫衰减？引起超声波衰减的原因有哪些？

9．超声波探伤时，若遇材料晶粒尺寸增大，将对超声波产生什么影响？

- 66 -

10．当超声波倾斜入射到固体异质界面时，会产生什么现象？ 11．超声波探伤方法中，脉冲反射法与穿透法各有何优缺点？ 12．超声波探伤方法按原理可分为哪几类？ 13．超声波探伤方法按波型可分为哪几类？ 14．超声波探伤方法按显示方式可分为哪几类？

15．超声波探伤方法中， A、B、C三种显示各有什么特点？ 16．超声波探伤方法按探头数目可分为哪几类？

17．超声波探伤方法按探头与工件的接触方式分为哪几类？ 18．什么叫端角反射？有何特征？ 19．什么叫AVG曲线？有何作用？ 20．横波斜探头会产生哪些非缺陷回波？ 21．影响定量精度的因素有哪些？

22．试计算声波在钢/水界面的声压反射率和声压透射率。

23．一台垂直线性好的探伤仪，荧光屏上波幅从100%处降至20%时，应衰减多少dB？

24．用入射角30°的有机玻璃制作的斜探头，一次波探测钢工件时，测得某缺陷声程为141mm，求缺陷入射点的水平距离。(有机CL＝2730m/s，钢CS3200m/s)

25．计算直径为20mm，频率为2.5MHz的直探头在钢中的近场长度和半扩散角各为多少？（钢CL＝5900m/s）

26．有一钢工件厚200mm，已知第五次底面回波与第二次底面回波差12 dB，试求材质衰减系数是多少？

- 67 -