超声检测实验指导

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1 超声检测实验指导 夏纪真说明 : 本书根据 无损检测专业 - 声学检测实验指导书 ( 夏纪真 袁青青 钟苏编, 南昌航空工业学院 版 ) 於 重新整理修订 目录 1. 音频信号频谱分析 2. 棒的振动 3. 压电陶瓷参数的测定 4. 声级测量 ( 声级计的使用 ) 5. 声光衍射和超声场的显示 6. 超声波仪器性能的测定 7. 超声波仪器与探头综合性能 - 直探头性能参数测定 8. 超声波仪器与探头综合性能 - 斜探头性能参数测定 9. 超声波仪器与探头综合性能 - 组合双晶直探头性能参数测定 10. 超声波仪器与探头综合性能 - 回波频率的测定 11. 材质衰减系数的测定 12. 不同光洁度探测面透入声能损失值的测定 ( 表面补偿 ) 13. 超声检测时的水平扫描线 ( 时基线 ) 调整 ( 定标 ) 14. 采用对比试块法的超声纵波检测操作 15. 采用底波方式法的超声纵波检测操作 16. 钢板对接焊缝超声横波检测操作 1. 音频信号频谱分析一. 目的 : 音频信号频谱的测试与对已知电声信号进行富里哀级数计算二. 实验原理学习富里哀级数后, 我们知道, 一个以 T 为周期的函数 f T (t), 如果在 [-T/2,T/2] 满足 Dirichlet 条件, 则在 [-T/2,T/2] 上就可展开成富里哀级数, 在 f T (t) 的连续点处, 级数和的三角形式为 : 其中 :ω=2π/t (n=1,2,3 ) (n=1,2,3 ) 对于以 T 为周期的非正弦函数 f T (t), 它的第 n 次谐波 (ω n =nω=2πn/t), 有 : a n cosω n t+b n sinω n t=a n sin(ω n t+φ n ) 其振幅 : 1

2 (n=0,1,2, ) 它描述了各次谐波的振幅随频率变化的分布情况, 所谓的频谱图就是指频率和振幅的关系图 例如图 1 所示周期性方波, 在一个周期 T 内的表达式为 : 可以求得 : A 1 =2E/π,A 3 =2E/3π,A 5 =2E/5π, 和 A 2 =A 4 =A 6 =...=0, 从而可以画出频谱图 : 图 1. 周期性正方波 我们的测量原理就是根据非正弦周期函数含有许多的频率成分, 通过带通滤波器把单一的频率成分提 取出来, 不断记录各种频率成分, 就可画出这个信号的频谱图 实验示意图见图 2 图 2. 频谱分析实验原理图 ( 多用途信号发生器上有频率计 ) 通常的声信号都可以转换成电信号, 比如录音机内放出的音乐声, 其输出就是由不同频率和幅度的电信号组成, 所以研究声信号一般可以通过对电信号的研究来实现 三. 实验内容与步骤 1. 对录音机放出的声信号进行频谱分析 2. 对 100Hz 的方波进行频谱记录 (1) 接好线路, 检查无误后方可启动电源 [1] 信号发生器 : 波形选择 置 方波, 频率调节到 100Hz, 幅度调节 使电压峰值为 4V( 注意不要看信号源的电表, 而是传声放大器的电表指示 ) [2] 传声放大器 : 传声放大器输入端接信号发生器输出端, 信号发生器上有拨动开关可实现对信号频率及滤波後频率的测量 传声放大器的 量程选择 置 10V 档, 输入选择 置 直接 档, 滤波器 置 外接 ( 线性 表示电压表读数为信号源电压值 ), 电表选择 置 峰值 档 ( 便于计算和比较 ), 另外应注意电压表读数和 量程倍乘 的倍数相乘才是实际输出值 [3] 带通滤波器 : 输出 端接传声放大器 外接滤波器输入 端, 其 输入 端接传声放大器 外接滤波器输出 端, 频率范围 置 I, 倍频程 置 1/3 倍频程 2

3 (2) 通过调节带通滤波器的选频器选频旋钮, 在频率计上读出其频率, 在传声放大器的电压表上读出其幅度, 从富里哀级数可知, 只有在信号频率的基频和倍频处才可能有信号 ( 不一定全有 ), 所以就可在 100Hz~1KHz 范围读出所有存在极大值信号的频率和幅度, 可记录在下表中 : f A 3. 对 100Hz 的锯齿波进行频谱记录 : 改变信号发生器波形为 锯齿波, 其他同前 : f A 四. 实验要求对方波和锯齿波测出所需的频率和幅度, 同时通过富里哀级数计算方波和锯齿波谐波幅度的表达式, 画出理论的和实际的频谱图进行分析和比较 图 3. 周期性锯齿波注 : 在 [-T/2,T/2] 内锯齿波 ( 图 3) 表达式为 :f(t)=(2e/t)t 2. 棒的振动一. 目的 : 掌握棒的纵振动和横振动的一般规律及共振特性, 测量纵振动传播速度并计算棒的杨氏模量及粘滞系数 二. 实验原理 : 作为弹性体的棒, 其振动问题在声学技术中是很重要的, 可以作为声波在弹性媒质中传播的一种简单模型, 为进一步研究许多具体的棒状电声器件提供了必备的基础 棒的振动形式一般有三种 : 纵振动 横振动和扭转振动, 这里讨论前两种 实验中所用的棒是指密度和截面都是均匀的细园棒, 而且限于小振动情况 1. 棒的纵振动具有自由侧边界的均匀棒其纵振动方程是 : ----(1) 其中 :C=(E/ρ) 1/2 是棒的纵振动传播速度 (cm/s);ρ 为密度 (g/cm 3 );E 为杨氏模量 ( 达因 /cm 2 ); ξ 为位移 (cm) 本实验中使用长 L, 截面积 S 的棒, 其边界条件为一端自由, 一端受一简谐强迫力 F 0 e jωt 作用, 即 : 于是用分离变量法解得振动方程的解是 : ----(2) ----(3) 式中 :K=ω/C 称为波数 (1/cm),ω 为外力的角频率 (1/S) 由 (3) 式可见, 在无阻尼的理想棒中形成纯驻波, 振动位移沿棒按余弦规律分布, 其振幅 : A=F 0 /KESsinKL 与频率有关, 当外力频率满足 KL=nπ(n=1,2,3,...) 时,sinKL=0,A, 即产生共振, 故得纵振动的共振频率 : ω n =nπc/l 或 f n =nc 0 /2L(n=1,2,...) ----(4) 3

4 表 (1) 列出前五个共振频率及波节所在, 可见泛音频是谐和的 ( 即基频的整数倍 ), 所对应的驻波 波形 (ξ-x) 如图 1 所示 表 (1) n f n f n /f 1 X ξ=0 /L 1 C/2L 1 1/2 2 C/L 2 1/4,3/4 3 3C/2L 3 1/6,3/6,5/6 4 2C/L 4 1/8,3/8,5/8,7/8 5 5C/2L 5 1/10,3/10,5/10,7/10,9/10 图 1 在实际情况下总是有阻尼存在的, 即波在棒中传播时会有衰减, 因此在上述共振频率时, 位移并非无限大, 而是达到某一有限的极大值, 因此可以引入复数杨氏模量 E 1 =E+jωE' 代替上面讨论中的 E, 这里 E' 称为粘滞系数 ( 达因 秒 / 厘米 2 ), 或者写成 E 1 =E(1+jη), 这里 η=ωe'/e 称为损耗因子, 于是 : 而振动方程的解是 : ----(5) 在小阻尼情况下,η 1, 则 : ----(6) ----(7) 此时棒的共振频率和位移振幅沿棒的分布与无阻尼情况下差别甚小 杨氏模量 E 是表征弹性体劲度的一个重要常数, 作为一种方法, 它可以通过测量棒纵振动的共振频率而计算得到, 由 (4) 式可得到纵振动的传播速度 : C=2Lf n /n ----(8) 而对于小阻尼的棒,C=(E/ρ) 1/2, 故得到杨氏模量 : E=ρC 2 =ρ(2lf n /n) (9) 如果在某一共振频率附近测出棒的共振曲线, 找出半功率角频率点 ω n ±( ω n /2)( 在该两点上位移振幅为 ω n 时的位移振幅的 1/2 倍 ), 则得到共振曲线宽度 ω n, 于是对于小阻尼棒 : η= ω n /ω n ----(10) 由此可确定棒材料的粘滞系数 : E'=Eη/ω n ----(11) 2. 棒的横振动棒上与其轴垂直方向的振动称为横振动, 对于均匀细棒, 其振动方程为 : 4

5 ----(12) 式中 :C=(E/ρ) 1/2 -- 纵振动速度 (cm/s);k-- 截面回转半径 (cm) 条件为 : 对半径为 a 的圆形棒有 :K=a/2 本实验中, 用一根长为 L 的棒, 一端自由, 一端的侧面施加强迫外力 F=F 0 e jωt, 激发其横振动, 即边界 对 (12) 和 (13) 用分离变量法求解得到 : ----(13) 式中 : ----(14) ----(15) (14) 式说明棒横振动时也形成驻波, 并且当 =0 时振幅趋向无限大 ( 实际上因为有阻尼存在而趋于某一极大值 ), 即棒发生共振, 由此可计算共振频率 事实上, 由 =0 可得 : (chkl-coskl) 2 -(sh 2 KL-sin 2 KL)=0 ----(16) 因为 ch 2 Y-sin 2 Y=1, 故可化为 : chklcoskl=1 ----(17) 用图解法可以解出方程 (17) 的一系列根值 μ n =K n L, 从而由 (15) 式可得共振频率 ( 与截面回转半径 K 成正比, 与棒长 L 的平方成反比 ): f n =CKK 2 n /2π=CKμ 2 n /2πL (18) 而棒的横振动速度正比于频率的平方根 : ----(19) 表 (2) 列出若干低次的 μ n 及对应的泛频与基频之比值, 可见棒做横振动时, 其 n 次泛音频不是谐和的 ( 即不是基频的整数倍 ) 若令 ξ(x)=0 就可得到相应的节点位置, 各次振动所对应的 X ξ=0 /L 值也列于表 (2) 中, 图 2 示出前 四次振动的驻波波形图 表 (2) n μ n f n /f 1 X ξ=0 /L , ,0.500, ,0.356,0.644, ,0.277,0.500,0.723,

6 三. 实验装置 图 2 图 3 如图 3 所示, 其中待测振动棒备有 : 1. 纵振动钢 Φ2x60cm; 铝 Φ1.5x60cm 2. 横振动钢 Φ1.5x50cm; 铝 Φ1.5x50cm 棒的顶端贴上驱动用压电陶瓷片, 作为附加小质量在计算中可以忽略不计 四. 实验方法先对上述 12 根棒做理论计算, 找出其各次共振频率及波节 波腹位置 ( 参考数值 :C 铝 = cm/s, C 钢 = cm/s,ρ 钢 =7.8g/cm 3,ρ 铝 =2.7g/cm 3 ), 然后将待测棒悬挂在支架上, 悬挂用的细线置于波节处 ( 对应某 n 值 ) 打开仪器, 驱动电压置于较大处 ( 约 50V), 将拾振头置于波腹处, 仔细调节信号频率至示波器上出现最大幅值时即出现共振现象, 此时的频率即为共振频率 ( 接近共振频率时驱动电压可适当调小, 同时示波器也可增大衰减量 ), 再移动拾振头, 使在棒上不同位置测出其振幅分布 对于纵振动, 在共振频率两旁作细微改变, 在示波器上观察波形, 当降至最大值的 倍时即为半功率点 : (fn± fn/2) 五. 实验要求 1. 测量钢 铝 有机玻璃棒在 n=1,2,3 时三种纵振动共振频率, 并在直角坐标纸上画出三种驻波波形图 2. 计算钢 铝 有机玻璃的 η 和 E' 3. 测量钢 铝棒在 n=1,2,3 时三种横振动共振频率 4. 计算钢 铝棒在基频时的横振动传播速度 5. 讨论实验结果 : 棒的纵振动与横振动的共振特性有些什么区别? 六. 注意事项 1. 应尽量减小支架对棒的影响, 为此支架底座及桌子在实验过程中宜减少碰撞, 同时, 细线应确定挂于节点处 ( 可在实测时作调整 ) 2. 调节频率要缓慢进行, 尤其在接近共振频率时更要注意 3. 移动测量点时应先提起拾振头, 以免损坏拾振头 3. 压电陶瓷参数的测定 6

7 一. 目的 : 应用传输线法测量压电陶瓷圆片作径向伸缩振动时的共振频率 fs 和反共振频率 fp 及共振时的等效电阻 R, 同时应用万用电桥测定自由等效电容 C T, 从而计算压电陶瓷的基本参数 : 介电常数 ε, 平面机电耦合系数 Kp, 泊松比 σ E, 机械品质因数 Qm 等 二. 实验原理压电陶瓷在机械应力作用下会产生感应电荷, 而在电场作用下会产生机械变形, 此即所谓压电效应 压电陶瓷元件在以单一模式作自由振动时, 其共振频率附近的电特性由图 1 等效电路示出, 而阻抗特性由图 2 示出 : 图 1. 压电振子的等效电路图 2. 压电振子的阻抗特性根据振动理论, 可推导出压电陶瓷圆片振动模式的一些常用参数, 计算公式如下 :(1) 介电常数 ε: ε=ε T 33/ε 0 =14.4C T t/d (1) 其中 :ε T 33-- 自由介电常数 (F/m);ε 0 -- 真空中介电常数 ( F/m);C T -- 等效电容,C T C 0 +C 1 (PF);t-- 圆片厚度 (mm);d-- 圆片直径 (mm) (2) 泊松比 σ E : σ E =(5.332f s f s1 )/(0.6054f s f s ) ----(2) 其中 :f s -- 第一个串联共振频率 ( 基频 );f s1 -- 第二个串联共振频率 ( 第一泛频 ) (3) 平面机电耦合系数 Kp: ----(3) 其中 : f=fp-fs,fp- 第一个并联共振频率 ;φ 1 - 频率方程 φj 0 (φ)-(1-σ E )J 1 (φ)=0 的第一个正根, 近似式为 :φ 1 = σ E (4) 机械品质因数 Qm: Qm=f 2 p /[2πf s R 1 C T (f 2 p -f 2 s )] 1/(4π fr 1 C T )----(4) 其中 :R 1 - 共振时的等效电阻,R 1 Zm 在实际应用中, 已由 (2) 式制成 σ E 和 (f s1 /f s ) 关系表, 见附表 (1), 对于 (3) 式由常用压电陶瓷的 σ E 为 等值, 且制成 Kp 与 ( f/f s ) 关系表, 见附表 (2), 这样可以减少复杂计算, 便 于应用 三. 实验装置及测量方法 1.C T 的测量 : 用例如 WQ-5A 万用电桥直接测量 2.f s,f p,f s1,r 1 的测量 : 常用传输线法, 一般有如下两种线路 : (1)π 型网络传输法 ( 共振 - 反共振法 ) 测量线路见图 3, 其中虚线部分为屏蔽测试盒, 该电路要求 Zm R T2,R T2 R T1 (1/10Ri), 这里 取 R 1 =51Ω( 与信号源输出阻抗匹配 ),R T1 R T2 =5.1Ω,R T3 =1KΩ, 要求分布电容尽可能小,C AB C 0,(1/WC T1 ) (R T1 /WC T2 ) R T 7

8 图 3 测量时保持恒定的小信号输入 ( 约 1 伏 ), 以免产生非线性效应, 同时压电片的损耗电阻也可忽略 压电圆片的阻抗随所加信号的频率的变化而变化, 则电流也随之而变化, 因为 R T2 与振子串联, 所以电阻 R T2 两端的电压 V R2 也随之而变化, 并可通过并联在 R T2 上的电压表读出 当振子的阻抗最小时, 电流出现最大值, 相应的 V R2 也是最大值 当振子的阻抗最大时, 则反之 因此可根据电压表的指示, 在频率计上确定 fs 及 fp 应用该线路的具体测量方法是 : 先将 K1 接压电振子 Z,K2 接 R T2, 调节信号频率使电压表指示最大, 此频率即是 fs, 再将 K1 接电阻箱 Rst,K2 不变, 调节电阻箱数值, 使电压表指示同前, 此时电阻箱读数为 Zm, 在一级近似下, Zm =R 1, 再将 K1 接 Z,K2 接 R T3, 提高频率使电压表指示最小, 此频率即为 fp, 最后将 K2 接 R T2,K1 不变, 继续提高频率至大约为 fs 的 2.6 倍处, 使电压表指示最大, 此频率即为 f S1 在测量中, 为使压电振子处于自由状态, 其与夹具接触面要尽可能小, 且夹持点位于压电圆片中心 ( 接触直径在 0.3-1mm), 此外, 应尽量减小支架的分布电容, 使支架的传输衰减远大于压电振子反谐振时的传输衰减 为使电表指示在 fs 附近有明显变化, 要求 Zm R T2, 而由于 Zm 是最小阻抗值, 故常常不能满足这一点, 这是用 π 型网络传输法的缺点 为此, 现在通常采用下述的恒流法测量 fs, 而在测量 fp 时则采用 π 型网络传输法或下述的恒压法, 差别不大 (2) 恒流 恒压传输法 : (a) 恒流法 : 线路见图 4 由于 R T5 Zm, 故当频率在 fs 附近变化时, 流过陶瓷片的电流基本恒定, 这里 R T4 R T5, 取 R T4 =51Ω, R T5 =1K, 当 K1 接压电片时, 其上电压 V=( Z Vi)/(R T + Z )=( Z Vi)/R T5 即 V Z, 当 Z 为 Zm 时 V 为极小值, 此时 f=fs, 当 K1 接电阻箱 R ST, 调节使电压表读数同上, 即得 R 1 图 4. 恒流法测 fs 的线路 (b) 恒压法 : 线路见图 5 由于 Zm R T5, 故当频率在 fp 附近变化时, 压电片上电压基本恒定, 这里 R T4 R T5 数值 (a), 当 Z 为 Zm 时电压表指示最小, 此时即 f fp 图 5. 恒压法测 fp 的线路在实际测量中, 将恒流法与恒压法合为一个线路, 装于测试盒内, 通过一个双刀双掷开关实现相互的转换 ( 图 6) 8

9 综上所示, 本实验使用的仪器如下所列 : 高频信号发生器 ( 本身有频率计 ) 高频晶体管毫伏表 测试盒 ( 恒流恒压法 ) 万用电桥 ( 如 WQ-5A 型 ) 四. 实验步骤 1. 准备试样 图 6. 恒流恒压法测试线路及测试盒示意图 选用压电陶瓷园片时应考虑到上述之 Kp 的公式只适用于无限薄的圆片, 对于有限厚度圆片, 为使误 差小于 1%, 应满足 (d/t) 10,d 为圆片直径,t 是其厚度 测试前将试样清洁 干燥, 并以适当的紧度夹置于测试盒的夹具上, 使其点接触于圆片中心处 2.C T 的测量 : 用万用电桥电容档直接测量, 注意仪器使用方法 3.fs,R 1,fp 及 f S1 的测量 (1) 接好线路, 安装好试样, 开启仪器 (2) 开关 K1 接试样 Z,K2 接 恒流, 调节振荡频率 ( 随着指示逐档减小电压表档数 ), 至电压表指示 最小时即由频率计上读得 fs( 恒流恒压法 ), 若用 π 型网络传输法, 则 K1 接 Z,K2 接 谐振, 调节频 率至电压表指示最大时即为 fs (3) 开关 K1 接 Rst,K2 不变, 频率保持上一步骤的 fs 不变, 改变电阻箱阻值, 使电压表读数与上一步骤 相同, 此时即在电阻箱上读得 R 1 ( 恒流恒压法和 π 型网络传输法相同 ) (4) 开关 K1 接试样 Z,K2 接 恒压, 增高频率, 使电压表指示最小时即读得 fp( 恒流恒压法 ), 若 用 π 型网络传输法, 则 K1 接 Z,K2 接 反谐振, 电压表指示最小即为 fp (5) 开关 K1 接试样 Z,K2 接 恒流, 继续增高信号频率, 在 fs 的约 2.6 倍处, 电压表指示最小, 此即 第一个泛频频率 f S1 ( 恒压法 ), 若用 π 型网络传输法, 其区别是电压表指示最大 4.σ E,Kp 的确定 : 先由 (f S1 /fs) 值查附表 (1) 得到的 C E 值, 再由 C E 值及 ( f/f s ) 值查附表 (2) 得到 Kp 值 5. 由公式 (1) (4) 计算 ε 及 Qm 五. 实验要求 对 No.1-1 和 No.1-2 两片薄圆片测出 fs R 1 fp f S1 C T 并由此计算 σ E Kp 及 ε Qm, 列出一表如下 ( 其 中已填入的数据供参考 ), 如果时间允许可以重复多次取平均值以提高精度, 讨论实验结果, 分析误差原因 试样 几何尺寸测量实测参数导出参数 序号 d(mm) t(mm) 方法 fs(khz) fp(khz) fs1(khz) R1(Ω) C T (pf) C E Kp Qm No 恒 No.1-2 恒 六. 思考题 9

10 上述实验是测量晶片径向振动下的参数, 若以轴向振动为主时, 应如何测量晶片参数及如何计算, 有 兴趣者可以测量一下轴向振动的谐振和反谐振频率 附表 1 f S1 /fs σ E f S1 /fs σ E f S1 /fs σ E f S1 /fs σ E 附表 2 f/f s σ E 0.30 Kp f/f s σ E 0.30 Kp 声级测量 ( 声级计的使用 ) 一. 基本概念分贝 (db): 这是表示声音强度的对数形式表示的单位, 对于声音强度的绝对单位 - 微巴 毫巴 巴 (Pa) 而言, 人耳对声音的感觉范围从最小能感觉到的声音到最大能承受的声音可以相差 5 百万倍, 因此用同一绝对单位来表示就很不方便, 因此最常用的是它的对数形式表示, 这是以 微巴作为零分贝, 则 : 20lg(P/0.0002) (db) 式中的被测声压 P 和 均以微巴 (μpa) 为单位, 亦即 5 百万倍的情况下可用 134dB 表示 一般常见的环境声级大小参考如下 : 深夜安静的卧室 :20-30dB 典型的办公室 :50-60dB 一般谈话 :60-70dB 公共汽车里 :80-90dB 织布车间 : dB 飞机场 : dB 计数网络 : 人耳的听觉对频率不同而强度相同的声音感觉是不同的, 对于不同强度的声音的分辨能力也不同, 因此为了使测量结果符合人耳听觉的主观感觉, 在声级计中还引入了计数网络, 这是通过电阻电容或电感实现的, 最早使用的计数网络有三种 :A B C, 后来又发展了供航空噪声测量的 D 网络, 一般声级计常用的是 A 网络 声压级 : 在有线性特性的声级计中, 经过线性档所测得的结果 ( 单位为 db) 称为声压级, 用以反映客观噪声强度 声级 : 经过声级计的计数网络 (A B C D) 中任何一档, 所测得的结果 ( 单位为 db) 称为声级, 用以反映人耳对噪声程度的主观感觉, 一般常用 A 档测量 10

11 二. 声级计测量声级的实验原理示意图 : 从正弦信号发生器产生一定频率的正弦信号, 经过扬声器发出声音, 用声级计测量该声音的声级 可进行两种情况的实验 : [1] 信号电压幅度不变, 改变频率 -- 测量声级 [2] 信号频率不变 ( 例如采用 1KHz), 改变输出电压 -- 测量声级三. 声级计使用的注意事项 : [1] 声级计使用电池供电, 应检查电池电压是否满足要求 : 电表功能开关置 电池 档, 衰减器 可任意设置, 此时电表上的指示应在额定的电池电压范围内, 否则需要更换电池 [2] 按声级计使用说明书规定的预热时间 ( 例如 10 分钟 ) 进行预热 [3] 校准放大器增益 : 电表功能开关置 0 档, 衰减器 开关置 校准, 此时电表指针应处在红线位置, 否则需要调节灵敏度电位器 [4] 在不知道被测声级有多大时, 必须把 衰减器 放在最大衰减位置 ( 例如 120dB), 然后在测量时逐渐调整到被测声级所需要的衰减档位置, 防止被测声级超过量程打坏声级计 5. 声光衍射和超声场的显示一. 目的 : 了解声光相互作用的基本原理和超声场的显示技术 二. 实验原理 : 声光介质的密度 光折射率 旋光性等物理性能在声辐射的作用下发生变化, 光波通过该物质时, 光波的传播方向 振幅 相位和偏振方向等受到调制, 受调制的衍射光记录了声场性质的有关信息, 检出衍射光并加以分析, 就能了解超声场的特性, 声光介质的物理参数以及电声换能器的性能 三. 实验装置 :SG-I 型声场显示仪四. 实验方法 : (1) 声光衍射状态的判据当介质受到超声波的弹性应力作用时, 介质的折射率会发生相应的变化 介质在超声波传播方向上折射率的周期变化等效于一个相位光栅, 光束通过这个光栅时发生衍射, 随着实验条件的不同, 这种衍射通常分为 Raman-Nath 衍射 Bragg 衍射和过渡区衍射, 通过声光衍射现象的实验研究, 可以了解不同衍射的发生条件 ( 即判据 ), 进而了解声场的一些参数, 如波长 声束宽度 声强 声速等 声光衍射实验布置如图 1 所示 : 图 1 1. 激光电源 2. 氦氖激光器 3. 光阑 I 4. 声光介质 5. 光阑 II 6. 屏 7. 读数显微镜 8. 电声换能器 9. 高频信号源光阑 I 可根据实验需要选用小孔或狭缝, 光阑 II 的作用是遮蔽光在声光介质和光学透镜表面的多次反射以便改善像质, 透镜 L3 和 L1 用来调节激光束的大小和发散角, 光束通过透镜 L2 聚焦在屏上, 调节超声波束的辐射方向使之与激光束成一定夹角, 从而得到不同的衍射条件 (2) 液体介质中声场的显示 11

12 图 2 1. 激光电源 2. 氦氖激光器 3. 光阑 I 4. 液体介质 ( 水 ) 5. 光阑 II 6. 屏 7. 刀口 8. 电声换能器 9. 高频信号源 10. 容器 11. 网格图 2 为显示液体介质中声场的实验布置 当准直光束穿过液体时, 光束中受声场调制的那部分在一定条件下发生衍射, 光束的其他部分在透镜 L2 的焦平面上聚焦于零级光斑处 用刀口遮蔽零级光斑 ( 或者用光阑检出某一级衍射光 ), 衍射光经成像透镜 L3 在屏上所成的像即是声束的光学复制品 经扩束镜 L0 的激光通过针孔滤波后照度变得均匀 L1 和 L2 构成准直 4f 系统 在视场很大时, 严重的光学像差是不可避免的, 经 L2 后的光不再聚焦于一点, 而是聚焦在沿主光轴的一条直线上, 以至于 L2 焦平面上的零级光斑大到使衍射光斑不足以与零级光斑分辨开来 为了遮去零级光斑, 在 L2 的焦平面附近布置了组合光阑 II, 这组不同孔径的光阑遮住了通过 L2 后聚焦的零级光锥的远轴光带 使用时, 必须仔细地选择这组光阑的孔径和调节它们的位置, 以免遮掉衍射光 近轴光的聚焦光斑和零级光由刀口遮去 成像透镜 L3 改善了像质 调节 L3 的位置, 使网格在屏上的像畸变最小, 网格的像同时也相当于声路布置的一个尺寸坐标 要得到一个清晰的声像, 声束的主轴应尽可能垂直于准直光的传播方向 (3) 固体介质的声场显示之一从原理上讲, 图 2 所示的液体介质声场显示布置同样适用于固体介质 值得注意的是, 通常情况下固体介质的声速比液体介质的声速大得多, 在同样的声频率下, 固体介质中的声波长较大, 故通过声光栅后的光其衍射角比液体时小得多 因此在光路布置时必须更加仔细, 以便在透镜 L2 的像平面上使衍射光斑与零级光斑能分辨得开 (4) 衍射光的偏振状态固体以及某些有压力双折射性质的液体在声波的作用下将呈现出光学各向异性的性质, 有关这一现象的理论和实验都是有待进一步研究的问题 图 3 是研究衍射光偏振状态的实验布置 : 图 3 1. 激光电源 2. 氦氖激光器 3. 光阑 I 4. 声光介质 5. 光阑 II 6. 屏 7. 照相机或显微镜 8. 电声换能器 9. 高频信号源 P1- 起偏振片 P2- 检偏振片透镜 L3 和 L1 用以调整激光束的大小和扩散角, 透镜 L2 为成像透镜 起偏振片 P1 使激光为偏振光 ( 由激光器输出的是部分偏振光 ) 为了调节声束的主轴方向, 把固体介质安置在光学调节座上, 检偏振器可作 360 垂直调整, 以便从屏上观察各级衍射光的偏振状态 (5) 固体介质声场显示之二图 3 的布置也可以用来显示固体介质中的声场 当调节检偏振器的偏振方向与起偏振器的偏振方向垂直时, 零级光斑将变暗, 如果某一级衍射光的偏振方向与起偏振器的偏振方向不一致, 则这一级衍射光斑将是亮的 调节 L1 和 L2 为 4f 系统, 并在 L2 的右焦点后布置成像透镜, 则可在屏上见到声场的像 (6) 非透明固体的声场测试 12

13 把非透明固体布置在透明的声光介质中并用超声照射时, 透射或反射的声辐射场载有非透明固体中声场分布的有关信息 用前述的方法显示和分析透射声束可以了解到非透明固体的声场特性 (7) 用普通光源显示声场普通光源的相干性 单色性和照度都不及激光光源, 因此在光路调节时必须先将发散的光集束 对于白光还可以使用滤色片得到单色光, 就声场显示而言, 普通光与激光光源是没有区别的, 因此光路布置也大体相同 五. 实验要求 : 由教师演示操作, 学生应注意观察不同形状的压电晶片激发声场的特点 六. 注意事项 : 实验在暗室中进行, 光学仪器价高易损, 实验者应十分注意周围环境, 以免损坏设备 6. 超声波仪器性能的测定一. 目的 : 现场测试超声波仪器性能, 包括垂直线性 水平线性 电噪声 动态范围和衰减器精度 二. 实验设备超声波探伤仪直探头 (2.5P14 2.5P20 5P14 等均可 ) IIW1 试块 ( 或 CSK-IA 1# 试块等均可 ) 平底孔试块三. 实验步骤 1. 测定垂直线性提示 : 缺陷在工件中的大小是通过缺陷回波在示波屏上的幅度大小反映的, 反射回波幅度是按一定规律反映缺陷实际反射声压的大小, 即为仪器的垂直线性状况, 以垂直线性误差表示 如图 1 所示, 把与探伤仪连接的直探头平稳地耦合在平底孔试块的探测面上, 仪器上的 抑制 与 深度补偿 关闭, 在衰减器上应至少留有 30dB 的衰减余量, 调节 增益, 使直探头在试块上找到的最大平底孔回波高度为 100% 满刻度, 固定探头位置与接触压力 ( 必要时可采用专用的探头压块 ) 调节衰减器, 依次记下每衰减 2dB 时平底孔回波幅度的满刻度百分数并记入表 1, 并与理论值比较, 取最大正偏差 + 和负偏差最大绝对值 - 之和为垂直线性误差, 即 : =( )(%) ----(1) 图 1 注 : 理论波高值按下式计算 : db=20lg(h 100 /H)( 式中 H 100 为以 100% 满刻度起始的基准波高,H 为每衰 减 2dB 时理论上应达到的波高 ) 最后在图 2 上以波高 (%) 为纵坐标, 衰减量 (db) 为横坐标绘出垂直线性理想线与实测线 ( 按表 1), 再根据 (1) 式计算垂直线性误差 表 1 衰减量 (db) 理论波高值 (%) 实测波高值 (%) 偏差 ±(%)

14 图 2 2. 测定水平线性提示 : 缺陷在工件中的位置是通过缺陷回波在示波屏上的位置反映出来的, 通过仪器有关旋钮调整能否使仪器示波屏上的水平扫描线按一定比例反映超声波在工件中所经过的距离, 即为仪器的水平线性, 以水平线性误差表示 本实验中应用的方法适用于模拟式超声探伤仪, 对于数字式超声探伤仪一般采用电子方法测定 图 3 如图 3 所示, 把直探头平稳地耦合在 IIW1 试块厚度 25mm 的平面上 ( 应离开边缘有一定距离以防止侧壁效应干扰 ), 调节仪器上的 增益 衰减 水平 ( 或 零位 延迟 ) 深度 ( 粗调与细调 ) 当采用 五次底波法 时 : 应使示波屏上出现五次无干扰底波, 在相同回波幅度 ( 例如 50% 或 80% 满刻度 ) 情况下, 使第一次底波 B1 前沿对准水平刻度线的 20mm 刻度, 第五次底波 B5 前沿对准水平刻度线的 100mm 刻度, 然后依次将 B2 B3 B4 调节到上述相同幅度下读取第二 三 四次底波前沿与水平刻度线上的 40mm 60mm 和 80mm 刻度的偏差, 填入表 2, 取最大偏差 max( 以 mm 计 ) 按下式计算水平线性误差 : =( max /0.8L) 100%, 式中 L 为水平刻度线全长, 通常为 100mm, 故 0.8L=80mm 表 2 底波次数 B1 B2 B3 B4 B5 水平刻度标定值 (mm)

15 实际读数 (mm) 偏差 (mm) 0 0 采用五次底波法仅能测定 0.8L 范围内的水平线性, 而对前面占 0.2L 的范围则不能测定, 因此现在已要求采用六次底波法, 即以相同幅度 (50% 或 80% 满刻度 ) 使 B1 前沿对准水平刻度线 0mm 处,B6 前沿对准水平刻度 100mm 处, 也在相同幅度下读取 B2 B3 B4 B5 各底波前沿与水平刻度线 20mm 40mm 60mm 80mm 的偏差 ( 见图 4), 填入表 3, 取最大偏差 max( 以 mm 计 ) 按下式计算水平线性误差 : =( max /L) 100%, 式中 L 为水平刻度线全长, 通常为 100mm 图 4 表 3 底波次数 B1 B2 B3 B4 B5 B6 水平刻度标定值 (mm) 实际读数 (mm) 偏差 (mm) 测定电噪声提示 : 仪器内部电子元件及电路上的固有噪声 ( 电子噪声 ) 的大小对超声检测时的信噪比有影响, 并且其大小与仪器的工作频率和脉冲重复频率有关 方法 : 将探伤仪的灵敏度调至最大 ( 增益 最大, 衰减 为零, 抑制 关闭, 发射强度 或 脉冲能量 最大 ), 且扫描范围最大, 在避免外界干扰的条件下 ( 卸掉探头, 仪器周围无高频或强磁场干扰等 ), 读取水平基线上电噪声平均幅度在垂直刻度上的百分数作为仪器的电噪声水平 4. 测定动态范围提示 : 动态范围即是探伤仪放大器的线性工作范围, 实用中是指在水平基线上能够识别最小反射波的界限, 为了能够尽可能地利用示波屏上的波高值判断缺陷大小, 就要求放大器的线性工作范围尽量大, 亦即动态范围应该尽量大为好 方法 : 测试步骤与垂直线性测量的方法基本相同, 即调节平底孔最大回波高度为 100% 满刻度后, 调节衰减器读取平底孔回波从 100% 满刻度下降到刚刚能够辨认的最小波高 ( 一般取 1% 或 1mm) 时衰减器的调节量 (db 值 ), 将此作为探伤仪在该探头给定工作频率下的动态范围 ( 不同参考反射体回波及不同工作频率下的动态范围是有差异的 ), 在测试时可与垂直线性测定同时进行 5. 衰减器精度的测定提示 : 衰减器是超声检测时进行定量评价的关键工具, 其示值的准确度直接影响定量评价的精确度 本实验中应用的方法适用于模拟式超声探伤仪, 对于数字式超声探伤仪一般采用电子方法测定 如图 1 所示, 将直探头平稳地耦合在平底孔试块探测面上, 找到平底孔最大回波后固定探头, 使衰减器读数为零分贝, 调节 增益 使平底孔回波高度为 100% 满刻度, 然后调节衰减器, 以 1dB( 或 2dB) 的步进增量增加到 21( 或 22dB), 记录每次衰减后的回波高度记入表 4(A) 栏, 再使衰减器读数为 10dB, 重新调节 增益 使平底孔回波高度为 100% 满刻度, 再同样调节衰减器以 1dB( 或 2dB) 步进增量增加到 31( 或 32dB), 记录每次衰减后的回波高度记入表 4(B) 栏 注 :A 对 B 波高相差 db 值按下式计算 : db=20lg(ha/h B ) 表 4 理论波高值 (% 满实测 A 值 (% 满刻实测 B 值 (% 满刻 A 对 B 波高相差 db 衰减 db 值刻度 ) 度 ) 度 ) 值 0(10)

16 1(11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) 7.9 衰减器精度的表示方法 : [1] 以 1dB 表示 将 0-21dB(10-31dB) 各次测定误差 db 的绝对值相加除以 22, 得到平均每 db 的误差值 (±) [2] 以 2dB 表示 将 0-22dB(10-32dB) 各双数 db 衰减测定的误差绝对值相加除以 12, 得到平均每 2dB 的误差值 (±) [3] 以 12dB 表示 将 12dB(22dB) 时的误差值作为每 12dB 的误差值 (±) 7. 超声波仪器与探头综合性能 - 直探头性能参数测定一. 目的 : 掌握现场测试直探头性能参数的方法, 包括 : 探伤灵敏度余量 相对灵敏度 分辨力 始波占宽 声轴线偏移 扩散角及距离 - 振幅特性 二. 实验设备超声波探伤仪直探头 (2.5P14 2.5P20 5P14 等均可 ) 平底孔距离 - 振幅试块或声场测试水槽 IIW1 试块 ( 或 CSK-IA 1 号试块 ) 钢制横孔距离 探头近场长度两倍的试块 Φ2-200mm 钢制平底孔试块石英标定探头 (2.5Q20B 或 5Q20B) 石英晶片固定试块三. 实验步骤 16

17 1. 测定探伤灵敏度余量提示 : 探伤仪的最大探测灵敏度, 或者说可探测到的最小缺陷, 以在一定距离和一定尺寸的人工反射体上的灵敏度余量表示, 称作探伤灵敏度余量 方法 (1): 只使用 Φ2-200mm 钢制平底孔试块, 如实验六中的图 1 所示放置探头, 找到埋藏深度 200mm 且直径 2mm 的平底孔最大回波, 调整仪器的 增益 和 发射强度 最大, 衰减 为零, 抑制 和 深度补偿 关闭 当仪器上的电噪声太高时, 调整衰减器使电噪声平均幅度下降到 10% 满刻度, 设此时衰减器读数为 S 0, 然后调节衰减器使该平底孔最大回波下降到 50% 满刻度, 设此时衰减器读数为 S 1, 则在该探头和该仪器以及该试块条件下的探伤灵敏度余量为 :S=S 1 -S 0 (db) 方法 (2): 使用石英标定探头或石英晶片固定试块表示的探伤灵敏度余量 连接石英标定探头耦合在 IIW1 试块厚度 100mm 的侧平面上, 找到 100mm 距离的底面最大回波, 按方法 (1) 调整仪器得到衰减器读数 S 0 后, 再调节衰减器使该最大回波下降到 50% 满刻度, 此时衰减器读数为 S 2, 则在此条件下仪器与石英标定探头组合的探伤灵敏度余量为 :S Q =S 2 -S 0 (db) 或者改接石英晶片固定试块 ( 石英晶片与厚度 100mm 的 45# 钢试块已粘结成整体 ), 同样按上述方法可测定在该条件下仪器与石英晶片固定试块组合的探伤灵敏度余量 2. 测定相对灵敏度提示 : 在相同条件下比较被测直探头与石英晶片固定试块的灵敏度差值 连接被测直探头耦合在 IIW1 试块厚度 100mm 的侧平面上, 找到 100mm 距离的底面最大回波, 仪器调整同探伤灵敏度余量方法 (1), 测出将第一次最大底面回波下降到 50% 满刻度所需的衰减 db 值 S 3, 换接上频率相同的石英晶片固定试块 ( 石英晶片与厚度 100mm 的 45# 钢试块已粘结成整体 ), 用同样方法测出将第一次最大底面回波下降到 50% 满刻度所需的衰减 db 值 S 4, 则在此条件下被测探头的相对灵敏度为 :Sr=S 3 -S 4 (db) 3. 测定分辨力提示 : 超声波在传递声路上对两个相邻缺陷反射能在示波屏上分辨出来的能力, 以分辨力指标衡量, 即以一定间隔的相邻反射体其回波分隔程度, 以 db 表示 图 1 把被测直探头如图 1 所示耦合在 IIW1 试块上, 适当调整 增益 和 衰减器 ( 衰减器上应至少预留 30dB 备用 ), 并左右适当移动探头, 使声程 85mm 和 91mm( 相隔 6mm) 的两个反射面回波高度相同并达到 30 或 40% 满刻度 ( 图中的 H), 以此为基准波高, 减小衰减器数值 ( 释放增益 ) 至这两个回波之间的波谷上升到波峰原在的基准高度 ( H ), 所需 db 值即为该直探头在此条件下测得的 X 分辨力 ( 一般简称为 分辨力 ) 它表征对深度方向上相距 6mm 两个反射体的分辨能力 也可以用同样方法以 db 表示对深度方向上相距 9mm(91mm 和 100mm 两个反射面 ) 时的分辨力 (Y 分辨力 ), 但一般只采用 X 分辨力 4. 测定始波占宽提示 : 始波占宽是指示波屏上时脉冲在水平刻度线上所占宽度, 其大小与仪器的发射强度 ( 发射脉冲持续时间 ) 有关, 对超声检测时的近表面分辨力 ( 探测距离探测面最近缺陷的能力 ) 有影响 17

18 图 2 图 3 将探伤仪 发射强度 置中等, 把直探头如图 2 所示耦合在 IIW1 试块厚度 100mm 的侧平面上, 调 节仪器 水平 和 深度细调 旋钮, 使第一次底波 BB1 前沿对准水平刻度 50mm, 第二次底波 B 2B 前沿对准 水平刻度 100mm( 即纵波 1:2 定标 ), 应注意调节 增益 或 衰减器 ( 衰减器上至少预留 12dB 备用 ), 使 BB2 高度为 50-80% 满刻度时对准 100mm 刻度, 这样定位的准确度较好, 然后将探头移到 Φ2-200mm 钢制 平底孔试块上, 如实验六中的图 1 放置, 找到最大平底孔回波, 调节衰减器或增益使该平底孔最大回波高 度达到 50% 满刻度, 固定好探头, 然后将衰减器数值减小 12dB( 释放增益 12dB), 读取从水平刻度零点 至始波后沿与垂直刻度 20% 线交点所对应的水平距离 W1, 换算成钢中纵波传播距离 ( 双声程 ), 以 mm 表示, 即为该直探头在此条件下的负载始波占宽 ( 见图 3) 测出负载始波占宽后, 拿起探头置于空气中, 抹净探头表面的耦合剂, 读取从水平刻度零点至始波后 沿与垂直刻度 20% 线交点所对应的水平距离 W2, 即为该直探头在此条件下以钢中纵波传播距离 ( 双声程, mm) 表示的空载始波占宽 注意 : 空载与负载始波占宽在数值上是不同的 5. 测定声轴线偏移 提示 : 直探头的名义声轴线是指通过晶片辐射面中心并与该辐射面垂直的轴线, 实际上由于装配工艺误差, 探头保护膜的厚度不均匀或使用中发生的磨损 磨偏, 都会造成声轴线偏移 将直探头如图 4 所示耦合在 IIW1 试块上, 事先应在探头外壳上做好方向标记 (X Y 方向 ), 将探头 的几何中心轴对准 Φ1.5mm 通孔的中心轴, 使探头的 Y 方向与孔轴线平行, 沿 X 方向左右移动探头找到孔的 最大回波, 此时探头几何中心偏离试块上 Φ1.5mm 孔中心 ( 距离边缘 15mm) 的偏移量记作 X(mm), 再使探头转动 90 ( 即用 X 方向代替原来的 Y 方向, 此时 X 方向与孔轴线平行 ), 按相同方法测出 Y(mm), 则声轴线偏移 θ 为 :θ X =arctg( X/35),θ Y =arctg( Y/35) 图 4 6. 测定声束扩散角提示 : 超声波从声源开始成一波束以某一角度扩散出去, 在声源 ( 探头 ) 中心轴线上声压 ( 或声强 ) 最大, 偏离中心轴线的位置上声压减小, 当边缘声压为零时偏离中心轴线的角度称为零扩散角, 在此范围内形成主声束, 扩散角的大小取决于超声波的波长 ( 和传声介质相关 ) 与探头晶片直径大小, 其关系为 : θ 0 =arcsin1.22(λ/d) 或 θ 0 =70(λ/D)( 圆形晶片直径 D, 波长 λ) 18

19 图 5 扩散角的大小在实际超声检测中影响很大, 一般情况下都希望扩散角要小, 以获得指向性好, 声能集中的狭窄声束, 可提高对缺陷的分辨能力和便于准确判定缺陷在探测面上的投影位置 在实际评定扩散角时, 一般多采用 6dB 法 (θ 6dB ) 和 20dB 法 (θ 20dB ) 选用 Φ1mm 或 Φ2mm 长横孔作反射体, 横孔到探测面的距离应大于等于两倍探头近场长度, 试块材料应与将要检测的材料相同或相近 将探头如图 5 所示耦合在试块上, 事先在探头外壳上做好参考方向标记 (X Y 方向 ), 先以 Y 方向与孔轴线平行, 沿 X 方向左右移动探头找到横孔的最大回波, 调整仪器 增益 或 衰减 ( 衰减器上应预留 20dB 备用 ), 使该横孔的最大回波高度为 50% 满刻度, 然后提高增益 6dB ( 或 20dB), 沿 X 方向移动探头至回波高度重新下降到 50% 满刻度, 此时探头中心到孔轴新的水平距离为 X 6dB ( 或 X 20dB ), 设孔中心到探测面距离为 L, 则扩散角分别为 : ( X 6dB /L)=tgθ 6dB ( X 20dB /L)=tgθ 20dBB 将探头转动 90 后 ( 即用 X 方向与孔轴线平行 ), 再用同样方法测出 Y 方向的扩散角 7. 测定距离 - 振幅特性提示 : 探头发射的超声波随距离增大其声压将发生变化, 在声场中有声压起伏变化大的近场区和声压随距离单调下降的远场区, 距离 - 振幅特性曲线能反映声场轴线上的声压分布变化规律, 从而有利于选择最佳工作区域 方法 (1): 接触法 图 6 利用一整套距离 - 振幅平底孔 ( 或横孔 ) 孔径相同的试块, 把直探头耦合在试块上, 如图 6 所示, 以最远距离的平底孔最大回波高度为 50% 满刻度时衰减器读数为 a 1, 依次在距离越来越小的试块上找到平底孔最大回波并用衰减器将其高度降到 50% 满刻度的基准波高, 依次读出衰减器上的读数为 a2 a3 a4,... 直到直探头已无法识别最近距离的平底孔为止, 然后以 db 值读数为纵坐标, 相应的平底孔距离为横坐标, 19

20 按实测值绘出距离 - 振幅特性曲线, 曲线上的最高点是近场距离的终点 方法 (2): 水浸法 ( 适用于水浸直探头 ) 图 7 如图 7 所示, 在声场测试水槽中调节被测探头, 使其沿中心轴线移动时始终对准声场测试水槽中的 Φ4mm 或 Φ2.5mm 钢制球靶, 由远及近地测出探头与球靶间不同距离的回波幅度, 同样用直角坐标图形表示, 即纵坐标为回波幅度 (db), 横坐标为对应的探头至球靶距离 (mm) 距离 - 振幅特性曲线上的最高点对应的距离在平直探头时即为探头在水中的近场长度, 对于水浸聚焦探头则是探头在水中的焦距 ( 实测值 ) 8. 超声波仪器与探头综合性能 - 斜探头性能参数测定一. 目的 : 掌握现场测试斜探头性能参数的基本方法, 包括 : 探头前沿 K 值 相对灵敏度 分辨力 始波占宽 声轴线偏斜 声束纵截面前后扩散角 声束横截面左右扩散角 双峰 距离 - 振幅特性 二. 实验设备超声波探伤仪斜探头 IIW1 或 CSK-IA 1 号试块 CSK-IIIA 试块石英晶片固定试块三. 实验步骤 1. 测定探头前沿提示 : 一束超声波从晶片定向发射, 通过斜楔到达试件表面, 在试件表面上开始进入试件的同时发生声束折射, 并有波型转换 入射点在斜楔上的准确位置必须预先测定才能进行下一步的 K 值测定和探伤时的缺陷定位, 并且由于斜楔在使用中会不断磨损, 因而入射点的位置也将变动, 需要经常校对 为使用方便起见, 以入射点距离探头 ( 斜楔 ) 前端面距离 -- 探头前沿表示 图 1 将斜探头如图 1 所示对准 IIW1 试块的 R100 曲面, 找到最大回波时固定探头, 用钢板尺量出试块边缘到探头前端面距离 X, 读数精确到 0.5mm, 则该探头前沿长度 L=100-X(mm) 2. 测定斜探头 K 值提示 : 斜探头上标志的 K 值表示在钢中横波折射角 β 的正切值, 即 K=tgβ, 在实际应用中利用 K 值确定缺陷位置较为方便, 但也由于斜楔在使用中会发生磨损而使折射角发生变化, 故亦需经常校验, 此外, 若斜探头用于其他材料 ( 例如铝合金 钛合金等 ) 时, 也应在相应材料的试块上测定其折射角正切值 在测定 20

21 K 值时, 探头入射点到反射体的距离应至少大于等于斜探头在钢 ( 或相应被测材料 ) 中近场距离的两倍以 保证测量的准确性 图 2 将斜探头如图 2 所示放置在 IIW1 试块上, 其中 : 探头上标称的 K 值 1.5 时, 探头放置 (A) 处进行测 定, 观察 Φ50mm 孔的回波, 按图示 K A 公式计算 K 值, 当标称 K 值 >2.5 时探头放置 (B) 处, 观察 Φ1.5mm 孔的回波, 按 K B 式计算, 当 1.5< 标称 K 值 2.5 时, 探头放置 (C) 处, 观察 Φ50mm 孔的回波, 按 K C 式计 算 在测定时应前后移动探头直到找到孔的最大回波时固定探头, 再分别测定试块边缘到探头前端面的距离 X A X B X C, 再各自按 K A K B KC 计算各 K 值, 式中 L 为探头前沿 3. 测定相对灵敏度连接斜探头置于 IIW1 试块上, 使声束方向与试块侧面保持平行并对准 R100 曲面 ( 如图 1), 前后移动探头至 R100 曲面回波最高, 调整衰减器使回波幅度为 50% 满刻度 ( 此时 增益 最大或某一固定值, 发射强度 也是同样设置, 抑制 与 深度补偿 关闭 ), 设此时衰减器读数为 S 0 换上频率与被测探头相同的石英晶片固定试块, 只调节衰减器使其第一次底波幅度为 50% 满刻度, 设此时的衰减器读数为 S 1 则该斜探头与石英晶片固定试块的相对灵敏度为 :S=S 0 -S 1 4. 测定分辨力在 CSK-IA 试块上, 将斜探头如图 3 所示放置, 通过调整 增益 和 衰减器 ( 应预先保留至少 30dB 衰减量 ) 并适当左右 前后移动探头, 使 Φ50mm 和 Φ44mm 两个有机玻璃圆柱面反射回波高度相等并达到 40% 满刻度, 然后减小衰减器读数, 即释放增益, 使两回波之间的波谷上升到 40% 满刻度, 即测出波峰对波谷的 db 值, 表示斜探头对声程差 3mm 的两个反射体的分辨力 同样也可以测定对 Φ44mm 和 Φ40mm 两个声程差 2mm 的反射体的分辨力 图 3 5. 测定始波占宽将 发射强度 置中等程度的位置, 将斜探头置 CSK-IA 试块上, 其声束对向 R50mm 和 R100mm 曲面, 找到最大回波, 调整 水平 和 深度 旋钮使 R50mm 回波前沿对准水平刻度的 50mm, 使 R100mm 回波前沿对准水平刻度的 100mm( 声程 1:1 定标 ), 调节 衰减器 使 R100mm 的最大回波高度为 50% 满刻度, 然后将 衰减器 减少 40dB( 增益提高 40dB), 这时把探头提起置于空气中, 抹净探头上的耦合剂, 读取从水平刻度零点至始波后沿与垂直刻度 20% 线交点对应的水平距离 W 0, 即为该斜探头的空载始波占宽, 用钢中横波传播距离 (mm) 表示 6. 测定声轴线偏斜提示 : 声束从晶片发射后本应按照探头的几何中心轴线方向传播, 但是由于制造装配上的误差以及使用过程中的斜楔磨损, 都会使声束偏离几何中心轴线, 从而影响缺陷定位的准确性 21

22 将斜探头置于 IIW1 试块厚度 25mm 的平面上, 如图 4 所示, 对向棱边, 其中 K 1 的探头测试时利用试块的上端棱边,K>1 的探头, 测试时利用试块的下端棱边 前后移动和左右摆动探头找到棱边回波最高, 然后用量角器测量斜探头侧面与试块端面法线的夹角 θ, 即为声束偏斜角, 读数应精确到 0.5, 或者也可以在斜探头侧面以入射点位置 ( 由探头前沿确定 ) 为端点, 用钢板尺测量该点到棱边的垂直距离 H 和沿探头侧面延伸到棱边的距离 S, 则声轴线偏斜角为 :θ=arccos(h/s) 7. 测量声束纵截面前后扩散角 图 4 图 5 提示 : 声束从晶片发射时, 倾斜晶片两端声线入射角不同, 造成折射声束纵截面的前后扩散角不同, 使折射声束有上抬倾向 将斜探头如图 5 所示放置对准 IIW1 试块上的 Φ50mm( 或 Φ1.5mm) 孔, 首先前后移动探头找到最大回波, 可按前面实验得到斜探头声轴线折射角 β 0 ( 或 K 值 ), 然后在此点向前移动探头至回波幅度下降 6dB 时, 按 K 值测定方法测出此时 6dB 扩散声束后缘折射角 β 1, 则该探头声束纵截面的后扩散角 (β 0 -β 1 ), 把探头后移, 用同样方法测出其前扩散角为 (β 2 -β 0 ) 8. 测量声束横截面左右扩散角提示 : 用以校验声束对称性 图 6 将斜探头置于 IIW1 试块厚度 25mm 的平面上, 对准 Φ1.5mm 横通孔 ( 此时呈竖孔 ), 如图 6 所示 首先在平面上移动探头找到竖孔的最大回波, 孔中心到探头入射点 ( 由探头前沿确定 ) 的距离 X 0 =25K( 直射法 ) 或 2 25K( 一次反射法 ), 然后左右平移探头至其最大回波幅度下降 6dB 时得到移动距离 W + 和 W -, 则该探头的声束横截面左右扩散角分别为 :θ + =arctg(w + /X 0 ),θ - =arctg(w - /X 0 ) 9. 测量斜探头发出的波束有无双峰存在 22

23 提示 : 斜探头声场中有时会出现较大的副瓣, 这与晶片电极的焊点以及阻尼块等制作工艺有关, 以至在形状上呈现两个声能相对较集中的声束, 称为 双峰 现象, 双峰现象的存在将影响缺陷的定位与定量评定, 因此, 对于存在双峰的探头一般均应予报废 图 7 将斜探头如图 5 所示放置, 首先找到反射体的最大反射回波, 然后仔细地前后移动探头, 观察回波是否单调下降, 若有双峰存在时, 则在主声束两侧的回波幅度会出现上升现象 图 7 示出几种双峰的形状, 如果使用频谱仪测量能更直观地观察到双峰的形状 10. 测量距离 - 振幅特性在 CSK-IIIA 或 CSK-IIA 试块上, 以埋藏深度为 mm 的一组短横孔或长横孔反射体, 首先以埋藏深度 70mm( 如果探伤仪灵敏度不够则从 50mm 起 ) 的最大反射回波高度为 40% 满刻度作为基准波高, 逐次测量各反射体回波高度相对于基准波高的 db 值, 然后以回波高度 db 值为纵坐标, 反射体埋藏深度为横坐标, 即可绘出该探头的距离 - 振幅特性曲线 ( 方法与直探头的距离 - 振幅特性曲线测绘方法基本相同 ) 9. 超声波仪器与探头综合性能 - 组合双晶直探头性能参数测定一. 目的 : 现场测试组合双晶直探头性能参数, 包括相对灵敏度和距离 - 振幅特性 二. 实验设备 : 超声波探伤仪组合双晶直探头石英晶片固定试块平底孔距离 - 振幅试块 ( 一组 ) 阶梯式平面试块三. 实验步骤 : [1] 测定距离 - 振幅特性 : 提示 : 组合双晶直探头是在一发一收并且声束以一个较小的角度倾斜入射的状态下工作, 其声场中的声压分布有其独自的规律 ( 如存在声束交会区 焦距等 ) 将探头稳定地耦合在平底孔距离 - 振幅试块上, 从埋藏深度最大的试块 ( 如 40mm) 开始, 以其平底孔回波最大幅度为 50% 满刻度, 然后顺序逐块测定其他各试块上平底孔回波与基准波高 (50% 满刻度 ) 相差的 db 值, 最后以纵坐标表示回波幅度 db 值, 横坐标为平底孔埋藏深度, 构成距离 - 振幅曲线 在该曲线图中波幅最高点对应的平底孔埋藏深度即是组合双晶直探头在该种材料中的焦距, 以此点起两边下降 6dB 对应的平底孔埋藏深度之间的区域即为声束有效交会或者称为声束覆盖的高灵敏度区域 ( 见图示 ) 或者把探头置于阶梯式平面试块上, 同样测定在不同厚度上的底面回波幅度 db 值, 从而绘出距离 - 振幅曲线 [2] 测定相对灵敏度 : 提示 : 这种测定相对灵敏度的方法只是为了挑选相对灵敏度较高的组合双晶直探头 选择焦点距离为阶梯式平面试块上的测试厚度, 使被测探头在试块上获得最大底面回波 ( 此时超声波仪器 增益 和 发射强度 置于某一定值即可 ), 调节 衰减器 使底波高度为 50% 满刻度, 此时 衰减器 读数为 S1 将超声波仪器工作状态换为 单探头 状态, 换上频率与被测探头相同的石英晶片固定试块, 只调节 衰减器, 使第一次底波高度为 50% 满刻度, 此时 衰减器 读数为 Se 则组合双晶直探头的相对灵敏度为 :S=S1-Se 23

24 10. 超声波仪器与探头综合性能 - 回波频率的测定一. 目的 : 测定超声回波频率的简便方法 二. 实验设备 : 超声探伤仪示波器直探头斜探头组合双晶直探头 IIW1 试块 ( 俗称 荷兰试块 ) 三. 实验步骤 : 探伤仪置 单探头 工作状态 ( 双晶探头时置 双探头 工作状态 ), 连接被测探头稳定地耦合在 IIW1 试块上 ( 如图所示 )-- 直探头置于厚度 100mm 的侧面上使第一次底波最高, 组合双晶探头置于厚度 25mm 的平面上使第一次底波最高, 斜探头置于试块侧面对向 R100 圆弧面并使 R100 圆弧面回波最大 用示波器连接探伤仪接收 ( 输入 ) 端观察底波的扩展波形 ( 如图所示 ), 在此波形中以峰值点 P 为基准, 在示波器上读出前一周期和后两周期, 共计三个周期的时间 T3, 根据 fe=3/t, 可计算出回波频率 fe 根据已计算出的回波频率 fe 和探头标称频率 fo, 可计算出探头的回波频率误差 : fe=[(fe-fo)/fo] 100% 注 : 必要时也可以只读取峰点前后各一周期, 共计两个周期的时间 T2, 根据 fe=2/t, 计算回波频率, 再按同样方法计算回波频率误差 提示 : 探头回波频率实测值或回波频率误差将影响探头标称工作频率下所设定的近场长度 扩散角 计算法缺陷定量等与波长有关的参数, 在实际应用中, 一般不希望探头回波频率误差最大超过 10% 11. 材质衰减系数的测定一. 目的 : 测量材料的综合衰减系数 ( 视在衰减系数 ), 用于实际检测中对缺陷的正确定量评定 24

25 二. 实验设备 : 超声波探伤仪直探头有平行表面的工件试样三. 实验步骤 : 提示 : 超声波在介质中传播时, 除了由于声束不断扩大的扩散损失外, 还有材料的组织结构对超声波的散射和内耗吸收, 使得超声能量随着传播距离的增加而减弱 ( 单位横截面积上通过的声能减少 ), 此即超声衰减 超声衰减系数的大小和具体数值不仅对缺陷定量评定时有意义, 而且对评定材料显微组织时也有很大意义 测试方法 : [1] 计算直探头的近场长度 :N=D 2 /4λ [2] 将直探头稳定地耦合在试样平面上, 使示波屏上至少出现两次底波, 调节超声波仪器 增益, 使第一次底波高度达到 80% 满刻度, 然后调节 衰减器, 减少衰减器数值, 使第二次底波高度也达到 80% 满刻度, 所需要的 db 值即是第一 二次底波高度相差的 db 值 :(B 1 -B 2 )db [3] 根据工件表面光洁度确定 往返损失 db 值 : 一般对冷轧钢板等黑皮光亮件的往返损失取 0.5dB/ 次, 对一般锻件或热轧件则取 1-2dB/ 次 [4] 按下述不同情况计算在该测试条件下的衰减系数 : (a) 当工件厚度 T 1.6N 时 :α=[(b 1 -B 2 )- 一次往返损失 ]/2T(dB/mm), 式中 T 为工件厚度 (mm) (b) 当工件厚度 T>1.6N 时 :α=[(b 1 -B 2 )-6- 一次往返损失 ]/2T(dB/mm), 式中分子项中的 6 为扩散损失修正项 6dB, 这是根据 20lg(m/n) 得出的 (m n 分别为采用的底波次数, 这里采用的是一次和二次底波, 因此可得出 6dB) 注 : 上面所示出的 α 为单声程衰减系数, 因为这是用 2T 表示超声波在工件中往返的路程, 它表示超声波在工件中实际传播 1 毫米时的声能损失 db 值 在实际检测中, 常常采用双声程衰减系数, 这时的计算式中分母项为 T, 表示工件实际厚度 1 毫米对声能损失的 db 值 12. 不同光洁度探测面透入声能损失值的测定 ( 表面损失补偿 ) 一. 目的 : 不同表面光洁度的工件探测面对透入声能有不同影响, 需要测定表面补偿以保证对工件的检测灵敏度 二. 实验设备 : 超声波探伤仪直探头 (2.5MHz 和 5MHz 各一只 ) 斜探头 ( 同型号的一对 ) CSK-IIIA 试块厚度 30mm 钢板对接焊缝试块厚度 45mm 钢板试块厚度 45mm 光面钢试块 ( 与钢板同材料 同热处理状态 ) 三. 实验步骤 : [1] 纵波直探头的测定 : 将 2.5MHz 直探头稳定地耦合在厚度 45mm 的光面钢试块上, 调整 增益 使第一次底波高度为 50% 满刻度, 然后移到厚度 45mm 的粗糙表面的钢板试块上, 减少 衰减器 db 数值, 使钢板的第一次底波高度也达到 50% 满刻度, 所减少的 db 数值即是该探头对光面钢试块与粗糙表面钢板试块之间表面声能损失应补偿的 db 值 换用 5MHz 直探头重复上述步骤, 可以发现在检测频率不同的情况下表面声能损失有不同 [2] 横波检测时的测定 : 25

26 把探伤仪置 双探头 工作状态, 将同一型号的一对斜探头如下图所示, 稳定地耦合在 CSK-IIIA 试块厚度 30mm 的平面上, 调整两探头相对位置, 使其相距一个跨距并处在同一直线上时的穿透波波幅最高, 调整仪器 增益 使穿透波的波幅为 50% 满刻度, 然后移到厚度 30mm 的粗糙表面的钢板对接焊缝试块上, 以同样的方式和条件找到最大穿透波, 减少 衰减器 db 值, 使最大穿透波的波幅也达到 50% 满刻度, 所需 db 值即是用横波检测该钢板时对应光面试块的表面声能损失应补偿的 db 值 注 : 在测定表面损失补偿时, 所用做对比的试块应与被检工件厚度相同并且声学特性也应基本相同 ( 声速 声衰减等 ) 提示 : 这种方法所测定的表面声能损失其实包含了上下底面共同造成的表面声能损失, 要仅仅测定上表面或下表面单独的表面损失, 则应考虑钢板试块的一个表面应与光面试块相同 这在使用一次底波之前检测缺陷的纵波法检测中, 底面的表面损失补偿就是多余的了, 特别在较粗糙表面的情况下表面损失补偿值较大, 有可能会造成检测灵敏度偏高, 影响缺陷定量的准确性 -- 特别是对于验收临界缺陷的情况下 13. 超声检测时的水平扫描线 ( 时基线 ) 调整 ( 定标 ) 一. 目的 : 纵波直探头 斜探头和组合双晶直探头在超声检测作业中校正水平扫描线 ( 时基线 )-- 俗称 定标 本实验适用于模拟式超声探伤仪, 对于数字式超声探伤仪通常通过测定实际声速来进行校正 二. 试验设备超声波探伤仪直探头斜探头组合双晶直探头 CSK-IA 试块平底孔平面试块 ( 平底孔埋藏深度 10~20mm, 孔深 15~20mm) 三. 试验步骤提示 : 探伤仪示波屏上的水平扫描线可通过调整达到与超声波在工件中的传播时间成正比例关系, 从而可以从水平刻度上直接读取超声波探测距离, 为了精确校准, 一般至少需要有两个回波信号进行标定, 以将晶片发出超声波通过保护膜 耦合层或斜楔的时间移出零刻度, 使水平扫描线刻度的零点真正代表从工件表面进入的起始时间, 而水平刻度上显示的回波信号将能根据水平刻度值读出其相应的探测距离 1. 纵波直探头检测时的定标方法水平线上的刻度表示超声纵波传播距离, 常采用 1:1 或 1:2 等整数比例 例如 : 将直探头平稳地耦合在 CSK-IA 试块厚度 25mm 的平面上, 探伤仪的 深度粗调 置 100mm 档, 调整 水平 旋钮使底波 B1 前沿对准水平刻度 25mm, 调整 深度细调 旋钮使底波 B2 前沿对准水平刻度 50mm( 注意 : 在调节 B2 时,B1 的位置也会变动, 因此需要反复调整到 B1 B2 分别对准 25mm 和 50mm), 此时即为 1:1 定标, 此时水平刻度线全刻度 (100mm) 代表工件厚度 100mm( 双声程 - 往返 ) 又如 : 仍如上述, 但使 B1 前沿对准水平刻度 50mm,B2 前沿对准 100mm, 则成 2:1 定标, 即水平刻度线全刻度 (100mm) 代表在工件中传播距离 50mm( 单声程 ) 再如 : 将直探头平稳地耦合在 CSK-IA 试块厚 100mm 的侧面上, 将 深度粗调 加大一档, 调节 水平 旋钮使 B1 前沿对准水平刻度 50mm, 调节 深度细调 旋钮使 B2 前沿对准水平刻度 100mm( 调节时注 26

27 意认准 B1 和 B2, 因为存在的侧壁效应影响会有迟到波出现 ), 这样就成为 1:2 定标, 此时水平刻度全长 (100mm) 代表工件厚度 200mm( 双声程 - 往返 ) 其余类推 注 : 定标时的关键是要注意所用试块材料应与被检工件的材料相同或相近, 实际上也并不一定要有专用试块, 可以直接在被检工件上进行, 其实这样能更精确定标, 因为超声波传播速度不会因材料差异而发生变化 另外, 在定标过程中不用顾及始波前沿是否对正水平刻度零点, 因为始波前沿代表的是从晶片开始发射超声波的时间, 还要经过保护膜及耦合层的时间才开始进入工件, 因此在探伤仪正常 定标正确时, 始波前沿应该落在水平刻度零点的左边 2. 横波斜探头检测时的定标方法根据水平刻度线读数代表工件中超声波实际传播声路的距离, 还是代表反射体距离探测面的埋藏深度, 或者是代表反射体在探测面上投影至斜探头入射点的水平距离, 可以分成 : 声程定标 深度定标和水平定标三种定标形式, 后两者其实是利用三角函数关系由声程转换过来的, 它们的几何关系如图 1 它们的几何关系式如下 : 图 1 (1) 声程定标将斜探头如图 2 所示放置在 CSK-IA 试块上, 调整探头位置, 找到 R50 和 R100 两个弧面的最大回波同时出现在示波屏上, 和上面纵波定标的调整方法相同, 即通过调节 水平 和 深度 旋钮使 B50 的前沿落在水平刻度 50mm 上,B100 的前沿落在水平刻度 100mm 上, 即成为 1:1 的声程定标 此时水平刻度线全长 (100mm) 代表横波直射距离 100mm( 双声程 - 往返 ), 水平刻度线零点代表超声波开始进入工件的时间 图 2 (2) 深度定标方法同声程定标, 但是首先要根据斜探头的 K 值 (K=tgβ,β 为超声波在被检工件中的折射角 ) 或折射角与声程的关系计算 R50 和 R100 分别相应的深度大小, 并在水平刻度线上显示其位置, 则成为深度 1:1 定标 27

28 例如是 K1.5 的斜探头, 此时相应的 R50 回波前沿应落在 27.7mm 和 R100 回波前沿落在 65.5mm 上, K2 的斜探头时, 则分别为 22.4mm 和 44.7mm,K2.5 的斜探头则分别相应为 18.6mm 和 37.1mm,... 以此类推 1:1 深度定标后, 水平刻度全长 (100mm) 表示在示波屏上显示的是反射体的埋藏深度 (3) 水平定标方法同声程定标和深度定标, 只是这时换算的是 R50 和 R100 相对应的反射点在探测面上的投影至斜探头入射点的水平距离, 即成为水平 1:1 定标 例如是 K1.5 的斜探头, 此时相应的 R50 回波前沿应落在 41.6mm 和 R100 回波前沿落在 83.2mm 上, K2 的斜探头时, 则分别为 44.7mm 和 89.4mm,K2.5 的斜探头则分别相应为 46.4mm 和 92.8mm,... 以此类推 1:1 水平定标后, 水平刻度全长 (100mm) 表示在示波屏上显示的是反射体在探测面上的投影至斜探头入射点的水平距离 除了使用 CSK-IA 试块定标以外, 也可以利用 IIW1 IIW2 以及 CSK-IIA CSK-IIIA 等其他试块, 如图 3 所示 图 3 3. 组合双晶直探头的定标方法探伤仪置 双探头 工作方式, 连接组合双晶直探头耦合在平底孔试块上, 事先应认明该平底孔试块的平底孔埋藏深度 ( 例如是 15mm) 和孔深 ( 例如是 20mm) 将探头耦合在平底孔试块上找到平底孔的最大回波与试块的底波, 调整 水平 和 深度 旋钮, 使平底孔回波前沿与试块底波前沿在水平刻度上正好相距 20mm( 孔深 ), 然后用 水平 旋钮将平底孔回波前沿平移到水平刻度 15mm( 埋藏深度 ), 即完成 1:1 定标, 此时水平刻度的零位正好是组合双晶直探头在试块表面的入射点位置 ( 组合双晶直探头的 直通波 前沿 ) 注意 : * 探伤仪水平扫描基线 ( 时基线 ) 的实质是反映超声波的传播时间, 因此在定标中一定要注意用于定标的试块或工件材料的超声波速度应与被检工件材料的超声波速度相同或相近, 否则会造成实际检测时的定位误差 * 如果所使用的探伤仪水平线性不好, 则有可能造成无法准确定标 14. 采用对比试块法的超声纵波检测操作 28

29 一. 目的 : 采用对比试块法的模拟式超声探伤仪超声纵波检测操作 二. 实验设备 : 超声波探伤仪直探头平面锻件 ( 探测面积 800cm 2 ) 平底孔距离 - 振幅试块 ( 一组 ) 三. 实验步骤 : 1. 调整仪器 (1) 在接通仪器电源前, 先检查各旋钮是否处于工作位置, 如频率选择 探头选择 显示选择 扫描选择 深度粗调 抑制 ( 一般情况下都应为关闭 ) 深度补偿( 一般情况下都应为关闭 ), 以及电源电压是否正确等 (2) 接通电源, 调节聚焦 辅助聚焦 辉度 水平 垂直 重复频率等使水平扫描线位于水平刻度线上并且波形显示状态适当 2. 定标连接探头, 按实验 13- 纵波直探头定标方法, 根据检测工件实际探测厚度选择适当比例进行纵波定标 3. 确定探伤起始灵敏度 (1) 按实验 12 的方法测定表面声能损失补偿 db 值 (2) 选取平底孔埋藏深度与被检工件探测厚度相同 ( 插入法 - 即平底孔埋藏深度只能是与工件探测厚度最接近并且必须是大于或等于的埋藏深度 ) 的平底孔试块, 平底孔的孔径按规定, 将直探头平稳地耦合到试块上, 找出平底孔的最大回波, 调整 增益, 使其回波为 50% 满刻度作为基准波高, 然后在 衰减器 上减少表面补偿 db 值 ( 相当于定量提高增益 ), 即完成探伤起始灵敏度的调整 4. 扫查作业在被检工件的探测面上均匀涂刷耦合剂 ( 例如机油 ), 把探头放上去并保障平稳耦合, 进行扫查作业, 扫查方式如图所示, 注意扫查间距不应大于探头直径的一半, 以防止漏检 在扫查过程中发现有高度超过基准波高 (50% 满刻度 ) 的缺陷回波时, 应立即在发现缺陷时的探头位置处做上标记, 然后继续扫查到整个探测面扫查完毕, 确认有几处缺陷, 再逐一进行缺陷评定 5. 缺陷评定 (1) 缺陷定位 : 在找到最大缺陷回波时, 缺陷回波前沿对应水平刻度上的位置即为缺陷的埋藏深度, 此时探头的几何中心位置对应于缺陷在探测面上的投影位置 (2) 缺陷定量 : a. 缺陷面积小于声束直径时, 选择平底孔埋藏深度与缺陷埋藏深度相同 ( 同样采用插入法 ) 的试块, 平底孔孔径按规定, 按起始灵敏度的调节方法调节好定量灵敏度 ( 注意包括表面补偿 ), 把探头移到被检工件探测面上发现缺陷最大回波处, 调节 衰减器 使缺陷的最大回波高度达到基准波高 (50% 满刻度 ), 所需要的 db 值表示缺陷比试块平底孔直径大 ( 或者小 -- 取决于分贝值的正负 ) 多少分贝, 在表达形式上为 : Φdmm± db(φdmm 为试块的平底孔直径 ) 这是同声程比较缺陷大小的 db 表示方式, 也是最常用的缺陷定量 ( 当量平底孔直径 ) 方式 b. 当缺陷面积或长度大于声束直径时, 采用 6dB 法 ( 也称为 半波高度法 ) 测定 : 将缺陷最大回波高度降低到基准波高 (50% 满刻度 ), 然后减小 衰减器 上的 6dB( 即增益提高 6dB), 以该最大回波位置为中心向外辐射形移动探头至缺陷回波重新达到基准波高 (50% 满刻度 ) 时, 探头几何中心在探测面上对应的位置即是缺陷边缘在探测面上的投影位置 连接各次测定的探头几何中心位置, 即可在探测面上勾画出缺陷在探测面上的平面投影形状大小, 进而可以直接量度其面积 29

30 B 当缺陷为长条形时, 只需以最大缺陷回波位置为中心, 沿缺陷延伸方向向两端移动探头到缺陷回波幅度下降一半 (6dB), 或者按上述测定缺陷面积的方法待缺陷回波高度重新达到基准波高 (50% 满刻度 ) 时, 两端探头几何中心位置之间的距离即为缺陷的指示长度 注 : 半波高度法的原理是利用缺陷相对声束的面积从最大降至一半时恰可认为是缺陷的边缘, 此时其回波高度亦下降一半 -- 即是 6dB 6. 记录探测结果 7. 结束探测作业 : 关闭电源 收拾现场 擦拭设备等 8. 填写检测报告 : 在实际的超声检测中, 不同的企业单位 不同的检测对象, 以及不同的检测标准和技术条件 检验工艺规范等, 要求的检测报告格式会有不同, 下面仅给出一个例子, 说明最基本要求填写的内容 超声探伤试验报告报告编号报告日期工件名称材料牌号状态包括表面状态与热处理状态规格数量检验单位技术条件包括验收标准试验条件包括使用设备, 耦合剂, 探测方法等试验结果包括缺陷定位与定量的评定结果, 必要时应以草图示意, 以及在工件上标记缺陷的方法等试验结论根据技术条件要求和试验结果, 对被检测工件做出合格与否的结论试验者包括注明无损检测人员技术资格类别与校对者包括注明无损检测人员技术资格类别与签名等级签名等级注 : 在检测报告中做出结论时, 应当注意正确使用结论的用词, 应该是做出 合格 ( 验收 ) 或 不合格 ( 拒收 ) 的结论, 而不应轻易使用 报废 字眼, 因为根据采用的技术条件和验收标准判定不合格的工件, 未必不能用于其他技术条件或验收标准, 或者可以经过翻修或特殊加工工艺而被挽救使用 15. 采用底波方式法的超声纵波检测操作一. 目的 : 在没有对比试块可用时, 对工件采用底波方式进行超声纵波检测 二. 实验设备 : 超声波探伤仪直探头 2.5P14 平面锻件 ( 厚度 40mm, 探测面积 800cm 2 ) 三. 实验步骤 : [1] 调整超声波探伤仪, 同实验 14( 三 )1. [2] 定标 : 同实验 14( 三 )2.( 直接用工件定标 ) [3] 确定探伤起始灵敏度 (a) 按实验 11 测定被检工件材质衰减系数 ( 双声程 ) (b) 按下式计算探伤起始灵敏度 : db=20lg(πφ 2 )/2λX B 式中 : Φ-- 技术条件验收标准规定的平底孔直径 ; λ-- 超声纵波在被检工件中的波长 ; X -- B 被检工件的最大厚度 假定 :Φ=2mm,X B =45mm,2.5P14 直探头在钢中的超声波长 λ=( )/( )=2.36mm, 近场长度 N= /(4 2.36)=21mm, 显然 X B >1.6N, 则 : db=20lg( π2 )/ =-25dB 将直探头耦合在被检工件探测面上无缺陷处 ( 先以较高灵敏度粗查确定 ), 在超声仪器的 衰减器 上储存 25dB, 调整 增益 使被检工件第一次底波高度为 50% 满刻度, 然后将 衰减器 上的 25dB 释 30

31 放 ( 即增益提高了 25dB), 这时即已完成探伤起始灵敏度的调整 此时表示探伤仪的灵敏度能保证在被 检工件最大探测厚度距离上 Φ2mm 平底孔当量大小的缺陷其回波幅度可达到 50% 满刻度 [4] 进行扫查作业 : 同实验 14( 三 )4. [5] 缺陷评定 : (a) 当缺陷面积小于声束直径时 : 找到缺陷最大回波, 调节 衰减器 使该回波幅度下降到 50% 满刻度 所需要的 db 值记为 fdb, 根据可读取的缺陷埋藏深度 X f 和前面测得的双声程衰减系数 α, 可按下式计算缺 陷的平底孔当量直径 Φ f :fdb-(x -X B f)αdb=40lg(φ f X BB)/(Φ 2 X f ) 式中 : Φ 2 -- 直径 2mm 的平底孔 ; (X -Xf)α-- B 衰减修正项 (b) 缺陷面积或长度大于声束直径时的缺陷定量方法同实验 14( 三 )5.(2)b [6] 记录探测结果 : 同实验 14( 三 )6. [7] 结束探伤作业 : 同实验 14( 三 )7. [8] 填写检测报告 : 同实验 14( 三 )8. 技巧提示 : 当工件厚度较小时, 可以选择近场长度较小的探头, 例如晶片直径更小的探头等来满足底波方式法要求工件厚度大于 1.6 倍近场长度的条件, 由于是直接在工件上调整探伤起始灵敏度, 因此可以不用考虑表面损失补偿的问题, 但是在确定探伤起始灵敏度时, 考虑到工件显微组织的不均匀性, 因此最好多选择几处调试, 以中等状况为准较合适 特别是在发现缺陷的时候, 最好在缺陷附近的组织完好并且表面状况一致处重新校核探伤起始灵敏度, 能更好保证缺陷定量的准确性 16. 钢板对接焊缝超声横波检测操作一. 目的 : 基本掌握焊缝超声横波探伤的方法 程序要求等基本操作技能 本实验适用于模拟式超声探伤仪 二. 实验设备 : 超声波探伤仪斜探头 (2.5PK2 或 5PK2) CSK-IIIA 试块 CSK-IIA 试块 CSK-IA 试块对接焊缝试板 ( 焊缝长度 300mm, 板厚 >15mm) 三. 实验步骤 1. 调整仪器, 同实验 14( 三 )1. 2. 在 CSK-IA 试块上测定斜探头的探头前沿和 K 值, 同实验 8 3. 按深度 1:1 定标, 同实验 测绘距离 - 波幅曲线可以利用 CSK-IIIA 上不同埋藏深度的 Φ1x6mm 短横孔或者 CSK-IIA 试块上不同埋藏深度的 Φ2x40mm 长横孔实测绘出距离 - 振幅特性曲线, 作为横波探伤用的距离 - 波幅曲线的实测线 ( 基础线 ) 下面以 CSK-IIIA 试块为例 : 首先在仪器衰减器上预留至少 22dB, 然后将斜探头置 CSK-IIIA 试块上, 如图 1 所示, 首先对准埋深 50mm 孔, 找到最大回波后, 调节 增益 使其高度为 40% 满刻度作为基准波高, 以此为基础, 在逐次对准埋深 30mm 10mm 20mm 40mm 的孔, 调节衰减器, 使各孔的最大回波高度都达到 40% 满刻度, 记下各次调整后的衰减器读数并记入表 1, 用坐标纸或方格纸以埋深 (mm) 为横坐标,dB 值为纵坐标, 绘出一条平滑曲线 ( 图 2), 此即为实测线 在图 2 中, 以 Φ1x6mm 短横孔实测线为基础, 下移 9dB 构成测长线, 下移 3dB 构成定量线, 上移 5dB 构成判废线 ( 根据 JB 标准 ), 从而完成距离 - 波幅曲线的绘制 若使用 CSK-IIA 试块时, 方法相同 ( 如图 3 ), 只是测长线为 Φ2x40mm-18dB, 定量线为 Φ2x40mm-12dB, 判废线为 Φ2x40mm-4dB 31

32 测长线与定量线之间称为 I 区, 定量线与判废线之间为 II 区, 判废线以上为 III 区 图 1 图 2 图 3 表 1 横孔埋深 10mm 20mm 30mm 40mm 50mm 实测线 Φ1x6mm Φ2x40mm 测长线 Φ1x6mm Φ2x40mm 定量线 Φ1x6mm Φ2x40mm 判废线 Φ1x6mm Φ2x40mm 5. 确定探伤起始灵敏度 (1) 确定表面补偿 db 值, 按实验 12 实测或按经验确定 (2) 以厚度 20mm 的钢板对接焊缝试样为例 : 按 JB 标准规定以测长线为起始灵敏度, 即 Φ1x6mm-9dB 或者 Φ2x40mm-18dB, 设表面补偿 3dB, 则查看距离 - 波幅曲线上两倍板厚即 40mm 处的测长线为 17dB( 按 Φ1x6mm-9dB), 加上表面补偿 -3dB, 则应为 14dB, 此时将衰减器读数置于 14dB( 从测定距离 - 波幅曲线的第一点即埋深 50mm 孔回波 达到 40% 基准波高后就不能再调动 增益 旋钮 ), 即已完成探伤起始灵敏度设定 32

33 6. 扫查作业 图 4 (1) 确定扫查范围 : 按 (2TK+50mm) 以焊缝中心向焊道两侧划出扫查范围, 如图 4 所示, 对于 20mm 板厚与 K2 斜探头而言, 应为 130mm (2) 扫查作业 : 在扫查范围内均匀涂布耦合剂后, 采用单面双侧探伤, 并应进行两次扫查, 即锯齿形扫查 ( 前后扫查 左右扫查和摆动扫查结合的扫查方式, 如图 4 下左所示 ), 用于检查沿焊缝纵向的缺陷, 另一种为斜平行扫查 ( 如图 4 下右所示 ), 用于检查焊缝的横向缺陷 在扫查过程中发现有缺陷回波信号出现时, 首先判别其是否缺陷回波, 确认后应在焊缝相应位置上做出简易标记, 继续完成整条焊缝的扫查, 确定有缺陷的区域数量及大致分布状况, 然后再逐一进行详细评定 7. 缺陷评定 (1) 缺陷定位 图 5 首先根据示波屏水平刻度读数确定缺陷距探头入射点的水平距离 ( 水平定标时可直接读取, 深度定标时应将读数乘以 K 值 ), 再用钢板尺测量从探头入射点至缺陷的水平距离, 判明缺陷是否落在焊缝内, 在焊道的哪一侧, 或者是母材缺陷等等, 必要时还要从焊缝的另一侧探测验证, 实际上即是确认其是否焊缝缺陷 缺陷实际埋深的确定 : 示波屏水平刻度按深度定标, 读数 y', 当 : y'< 板厚 T 时,y'= 缺陷距探测面实际埋藏深度 y T<y'<2T 时,y=2T-y' 2T<y'<3T 时,y=y'-2T 其几何原理如图 5 所示 (2) 缺陷反射当量大小的确定移动探头找到缺陷最大回波, 调节衰减器将该回波高度降到基准波高 (40% 满刻度 ), 读取此时衰减器读数, 然后根据 y' 数值在距离 - 波幅曲线上查找该 db 值应落在何区域, 若落在判废线或以上, 即为 III 区 - 判废缺陷, 若落在 II 区内, 则要按照其长度确定是否判废, 若落在 I 区内时, 除非有特殊要求, 一般可以不做考虑 (3) 缺陷长度的测定 33

34 当缺陷回波达到定量线和定量线以上时, 需要测量其指示长度, 缺陷测长的方法有两种 : 图 6 图 7 (a)6db 法 ( 俗称半波高度法 ): 当缺陷只有一个最大回波 ( 例如未焊透 未熔合等形状较规则的缺陷 ) 时, 可采用 6dB 法测长, 即在前面对缺陷定量时将最大缺陷回波高度降到 40% 满刻度的基础上, 提高 6dB 增益, 然后左右移动探头至缺陷回波高度重新下降到 40% 满刻度, 此时两端探头中心之间的距离即为缺陷指示长度, 如图 6 所示 (b) 端部峰值 6dB 法 : 当缺陷回波不只是一个最大回波, 而是有多个峰值时, 说明这是粗细不均匀的长条形缺陷 ( 例如条状夹渣或裂纹 ), 这需要采用端部峰值 6dB 法测长, 即沿缺陷延伸方向移动探头至出现最后一个回波峰值 ( 再往后就只有单调下降的回波 ) 的位置开始用 6dB 法测量此端的最远点, 再反向按同样方法测出另一端的最远点, 这两端最远点之间的距离即是缺陷指示长度, 如图 7 所示 8. 记录与标记缺陷评定后应将达到 III 区 需返修的有缺陷部位 ( 按探伤标准规定 ) 在焊缝上做出明显的且不容易被擦除的标记, 并将评定结果详细记录和按规定在探伤报告中反映出来 图 8 示出常见的一种示意图记录形式, 表 2 为对应图 8 的记录表格格式 图 8 表 2 缺陷序号 S1 缺陷位置 S2 缺陷中心 位置 S3 缺陷指示长度 S2-S1 缺陷在焊道上的位置 X 缺陷埋藏深度 y 缺陷最大反射当量 db 缺陷在距 - 波曲线上的区域 1 34

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