論超聲波探測的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用原理

【摘要】運(yùn)用超聲波探傷原理，測量超聲波聲束擴(kuò)散角，研究直探頭以及斜探頭探測缺陷深度；超聲波耦合劑的應(yīng)用特性；直探頭及斜探頭的不同作用效果以及兩種探頭的使用特點(diǎn)及局限性。

【關(guān)鍵詞】超聲波；直探頭；斜探頭；超聲波耦合劑

超聲波是頻率較高的聲波，具有穿透力強(qiáng)、方向性強(qiáng)、易于檢測和便于接收等特點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測深度大，而且在異質(zhì)界面上會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，不能通過氣體固體界面。所以，如果金屬中有氣孔、裂紋等缺陷，超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處時(shí)，就會全部或部分反射。反射回來的超聲波被探頭接收，通過儀器內(nèi)部的電路處理，在示波器的熒光屏上就會顯示特定的波形。利用超聲波的這種特性，對固體鋁塊內(nèi)的缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析超聲波檢測的影響因素。

一、直探頭及斜探頭

采用的是通過測量直、斜探頭的聲束擴(kuò)散角來比較不同探頭的指向性，對目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性。

在實(shí)驗(yàn)中，直探頭發(fā)射的是縱波，斜探頭發(fā)射的也是縱波，只不過斜探頭的波通過斜鍥波形轉(zhuǎn)換變成了橫波，顯示出直探頭和斜探頭的差別性。直探頭在檢測過程中主要依靠一次波和二次波就幾乎可以辨別出工件的缺陷，但是斜探頭卻更為復(fù)雜。斜探頭檢測工件的缺陷需要在耦合面，反射面透射更多的能量，而且在反射角與入射角是相同的情況下，波束擴(kuò)散增大，散射變多，造成靈敏度降低。

在具體實(shí)驗(yàn)中，這表現(xiàn)在斜探頭測得的數(shù)據(jù)誤差比直探頭測得的誤差稍大，正好驗(yàn)證了以上判斷。

二、耦合劑的研究

耦合劑是用來排除探頭和被測物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入工件達(dá)到檢測目的。如果選擇種類或使用方法不當(dāng)，將造成誤差或耦合標(biāo)志閃爍，無法完成測量。應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體情況選擇合適的耦合劑種類，比如在光滑材料表面使用時(shí)，應(yīng)該使用低粘度的耦合劑，在粗糙表面、垂直表面及頂表面使用時(shí)，則應(yīng)該用粘度高的耦合劑。

常用的耦合劑有水、機(jī)油和醫(yī)用耦合劑等。筆者在實(shí)驗(yàn)中將其分別置于鋁塊上，觀察直探頭探測C孔的反射波形。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，耦合劑的好壞與得到的圖像質(zhì)量密切相關(guān)（表2-1）。質(zhì)量不好的耦合劑可使超聲能量損失，分辨力降低，圖像模糊，導(dǎo)致圖像微弱，甚至損壞探頭。

若不使用耦合劑則幾乎看不到回波圖像。當(dāng)用機(jī)油作為耦合劑完全覆蓋試塊后發(fā)現(xiàn)圖像清晰起來；當(dāng)用水作為耦合劑完全覆蓋試塊后發(fā)現(xiàn)圖像清晰；當(dāng)用醫(yī)用耦合劑作為耦合劑完全覆蓋試塊后發(fā)現(xiàn)圖像很清晰。

因此得出結(jié)論：醫(yī)用超聲波與水是該實(shí)驗(yàn)較好的耦合劑。而且醫(yī)用耦合劑有粘性，適宜在本實(shí)驗(yàn)超聲檢測中選用。

在實(shí)驗(yàn)中，耦合劑的使用量也對實(shí)驗(yàn)結(jié)果又所影響，放的較少則很難出現(xiàn)圖像，多了又會影響實(shí)驗(yàn)環(huán)境，用適量的液體代替探頭接觸面的空氣才能使超聲波能量完好的傳遞下去，從而得到好的波形傳遞給示波器。

雖然由于條件的限制，不能對耦合劑的溫度等關(guān)聯(lián)因素精確控制，但仍然可以發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。

三、結(jié)論

運(yùn)用超聲波探傷原理，對鋁塊工件的缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：運(yùn)用直探頭與斜探頭檢測工件具有很大的差別；不同種類，不同用量的耦合劑的應(yīng)用效果不同。

在實(shí)驗(yàn)中我發(fā)現(xiàn)超聲波的應(yīng)用價(jià)值很高，對工業(yè)，醫(yī)學(xué)都有很高的價(jià)值，特別在金屬探傷方面有很大的應(yīng)用前景。在本次鋁塊的探測實(shí)驗(yàn)中，很方便地探測出了金屬內(nèi)部的缺陷，而且操作簡易，實(shí)用性強(qiáng)。關(guān)于超聲波探測時(shí)直探頭與斜探頭的選擇問題，直探頭測量時(shí)能量散逸少，圖像更加清晰可靠穩(wěn)定，而斜探頭會發(fā)生散射，靈敏度降低，圖像會模糊一些。但是斜探頭可以通過角度測量缺陷的橫向距離時(shí)比直探頭更加優(yōu)秀。分析耦合劑的作用，了解了超聲波的一些特性，現(xiàn)在來看醫(yī)用耦合劑是本實(shí)驗(yàn)的最好選擇。以后的工業(yè)應(yīng)用可以著重考慮在超聲波探傷時(shí)采用新型耦合劑的效率問題。并且可以通過尋找使用新的耦合劑的途徑來加強(qiáng)探測效果。

利用超聲波的特性，對固體鋁塊內(nèi)的缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的缺陷及注意事項(xiàng)：不能有效地做到控制好其他實(shí)驗(yàn)變量，僅僅讓一個實(shí)驗(yàn)變量起作用，特別是在探究不同種類的耦合劑的時(shí)候；進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)要做到細(xì)心謹(jǐn)慎，特別本實(shí)驗(yàn)中需要測量的量很多，小小的誤差也會導(dǎo)致結(jié)論錯誤，因此細(xì)心謹(jǐn)慎必不可少；需要很好的理解探頭的工作機(jī)理是如何把收集到的回波反饋到示波器上的，需要一定的理論功底；進(jìn)一步深入研究可以考慮探究耦合劑的厚度對聲像圖的影響。并且給出最優(yōu)的耦合劑使用指南，來取得最好的實(shí)驗(yàn)效果；測量時(shí)最好采用游標(biāo)卡尺來進(jìn)行某些測量，會比用正常尺子精確許多。

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作者簡介：石逸軒（1992—），男，研究方向：移動通信理論。