超聲檢測(cè)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用與進(jìn)展

魯貝斯

摘 要：隨著工業(yè)發(fā)展與人們生活水平的提高，產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的越來(lái)越重要。超聲檢測(cè)作為一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用與重要的前景。本文介紹了超聲檢測(cè)技術(shù)的原理及其在建筑土木、機(jī)車和焊接方面的應(yīng)用，還介紹一些新型超聲檢測(cè)技術(shù)，展望了其發(fā)展趨勢(shì)，最后對(duì)這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：超聲檢測(cè)；無(wú)損檢測(cè)；工業(yè)應(yīng)用；先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0060-03

1 引言

超聲檢測(cè)技術(shù)已有近百年的研究與應(yīng)用歷史，具備其他檢測(cè)技術(shù)所無(wú)法相比的優(yōu)勢(shì)：超聲波穿透能力強(qiáng)、檢測(cè)深度大，靈敏度高、對(duì)缺陷定位準(zhǔn)確，檢測(cè)成本低，使用也更為簡(jiǎn)捷；而且超聲檢測(cè)的輸出信號(hào)是波形的模式，可以方便地使用計(jì)算機(jī)信號(hào)處理技術(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析；此外，超聲不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不利影響。因而該技術(shù)適用的領(lǐng)域非常廣泛。然而，隨著工藝的復(fù)雜化與對(duì)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)要求的上升，傳統(tǒng)超聲檢測(cè)已經(jīng)難以滿足各種復(fù)雜的需求，因此不斷有新型超聲檢測(cè)技術(shù)被提出。下文將依次介紹超聲無(wú)損檢測(cè)的基本原理、工業(yè)應(yīng)用及其進(jìn)展。

2 超聲檢測(cè)基本原理

超聲檢測(cè)按原理不同可分為脈沖反射法、穿透法、衍射時(shí)差法和共振法下文介紹最常用的反射法和穿透法。

2.1 反射法原理

探頭內(nèi)的發(fā)射器將超聲波射入檢測(cè)的工件中，當(dāng)其遇到反射體時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)被同一探頭接收，通過(guò)信號(hào)處理可顯示出各個(gè)回波的波形及聲時(shí)。通過(guò)分析辨別來(lái)自缺陷的回波，從而確定缺陷的類型、位置和大小。

2.2 穿透法原理

穿透法需要一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭，二者相對(duì)且垂直于待檢測(cè)物件放置，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波進(jìn)入物件，超聲波在傳播過(guò)程中遇到缺陷會(huì)產(chǎn)生波形變化，通過(guò)接收探頭收到的信號(hào)分析波形變化、得到缺陷信息。

3 超聲檢測(cè)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 建筑和土木方面

建筑的質(zhì)量關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，因此能夠在不破壞建筑本身的前提下對(duì)建筑進(jìn)行檢測(cè)成為重要需求。超聲檢測(cè)可以探測(cè)建筑材料缺陷，還可以檢測(cè)材料的彈性、強(qiáng)度等特性，非常適合在建筑和土木領(lǐng)域中的應(yīng)用。

3.1.1 測(cè)定混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度的測(cè)定是根據(jù)混凝土的強(qiáng)度系數(shù)與超聲波在混凝土中聲速的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)測(cè)量超聲波橫波和縱波在混凝土中的聲速，便可以計(jì)算混凝土有關(guān)彈性系數(shù)（楊氏模量），進(jìn)而得到其強(qiáng)度情況。聲速與楊氏模量的關(guān)系如下（其中，cs為橫波聲速，cL為縱波聲速，ρ為密度，E為楊氏模量，σ為泊松比）：

設(shè)T=cL/cs，則：

3.1.2 測(cè)定混凝土厚度

混凝土厚度的測(cè)定利用的是超聲波的直線傳播與反射現(xiàn)象。超聲波從一種固體介質(zhì)入射到另一種固體介質(zhì)時(shí)，在分界面上會(huì)產(chǎn)生反射和折射。如圖1所示（只表示出反射）：

從接收波中識(shí)別出來(lái)自底面的反射波，測(cè)出其聲時(shí)，可由畢達(dá)哥拉斯定理計(jì)算得到混凝土厚度即圖中H。公式為（C為混凝土中聲速，T為所測(cè)定的聲時(shí)）：

3.2 鐵路機(jī)車方面

目前超聲檢測(cè)在鐵路機(jī)車方面的應(yīng)用主要為對(duì)車輪、輪輞和軌道的檢測(cè)。下文主要介紹對(duì)車輪和輪輞的檢測(cè)。

3.2.1 車輪缺陷檢測(cè)

輪對(duì)承載車廂、接觸鋼軌，控制機(jī)車的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向，是十分重要的部件，但也是最易損壞的部位之一，因此必須定期對(duì)輪對(duì)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。本文給出一種檢測(cè)輪對(duì)損傷情況的方法。

當(dāng)車輪運(yùn)行到探頭所在位置，就會(huì)觸發(fā)超聲換能器在輪內(nèi)激發(fā)超聲，并以表面波的形式沿車輪表面雙向高速傳播，如圖2所示。在其傳播過(guò)程中，若車輪存在裂紋、剝離等缺陷，超聲波就會(huì)被部分反射，沿表面回到探頭；其余超聲波繼續(xù)沿車輪表面?zhèn)鞑?，依次形成第一、二……周期回波，直到超聲能量衰減到探頭接受范圍外。這樣就會(huì)產(chǎn)生缺陷回波和正常周期回波，將二者加以辨別、分析，便可以得到車輪表面、近表面的缺陷情況。

3.2.2 輪輞缺陷檢測(cè)

輪輞是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部分，與輪輻共同組成車輪，因而也是軌道交通中重點(diǎn)檢測(cè)的部件。根據(jù)裂紋方向，可將輪輞缺陷分為三類：

周向缺陷：裂紋方向沿車輪踏面圓周，并與踏面圓周方向平行；

徑向缺陷：裂紋方向垂直于車輪踏面且與直徑平行；

軸向缺陷：裂紋位于輪輞內(nèi)部且平行于車軸。

由于輪輞結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，曲面較多，因此常采用相控陣超聲探頭以擴(kuò)大檢測(cè)范圍，這樣只需從車輪踏面和輪緣內(nèi)側(cè)兩處進(jìn)行探查，提高了檢測(cè)效率。同時(shí)相控陣超聲探頭帶有的聚焦功能，有利于獲取更詳細(xì)的缺陷信息。

3.3 焊接方面

焊接可連接金屬、合金和其他熱塑性材料，是工業(yè)中的基本工藝。但由于技術(shù)水平限制和作業(yè)環(huán)境的多變，產(chǎn)品中常常有各種缺陷，它們?cè)诔暀z測(cè)中的回波各有特點(diǎn)，生產(chǎn)檢測(cè)中可以據(jù)此加以區(qū)分，下面便一一介紹。

氣孔：氣孔是指在焊接過(guò)程中，焊接處吸收的過(guò)量氣體在冷卻凝固時(shí)來(lái)不及逸出而殘留在焊縫附近形成的空穴。在示波器上，單個(gè)氣孔的波形較為穩(wěn)定，但稍移動(dòng)探頭就會(huì)消失；密集氣孔的波形為一簇反射波，各個(gè)回波因氣孔大小不同而變化。

裂紋：裂紋是指焊縫或近焊接處出現(xiàn)的局部破裂。來(lái)自裂紋的回波波幅大而寬，波峰較多。

夾渣：焊接后殘留在焊縫內(nèi)的熔渣或多余夾雜物稱為夾渣。點(diǎn)狀?yuàn)A渣的回波與單個(gè)氣孔相似；條狀?yuàn)A渣的回波多呈鋸齒狀，由于形狀不規(guī)則，從各個(gè)方向探測(cè)，波形和波幅一般不同。

未熔合：未熔合是指填充物與母材或填充層之間沒(méi)有很好地熔合。其反射波的特征是：探頭平移時(shí)，波形較穩(wěn)定；分別從兩邊探測(cè)時(shí)得到的波形一般不同。

4 超聲檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展

為了適應(yīng)新型工藝場(chǎng)景在線檢測(cè)需求與檢測(cè)精度要求，需要不同的超聲產(chǎn)生方式與超聲傳導(dǎo)方式等。近年來(lái)不斷有新的超聲檢測(cè)技術(shù)被提出，下文將主要介紹三種新型超聲檢測(cè)技術(shù)。

4.1 激光超聲檢測(cè)技術(shù)

4.1.1 激光超聲檢測(cè)的原理

激光激勵(lì)超聲波的機(jī)理一般分為熱彈效應(yīng)和溶蝕機(jī)制兩種。

熱彈效應(yīng)：基本原理為用較低功率的激光照射待檢測(cè)物件，物件內(nèi)電子吸收能量從基態(tài)躍遷到較高能級(jí)，再通過(guò)輻射躍遷，此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生超聲波。

溶蝕機(jī)制：基本原理為用高功率激光照射物件，使其表面溫度快速到達(dá)熔點(diǎn)，物件表面就會(huì)有小部分材料高速噴出，這會(huì)給物件一個(gè)反作用力，相當(dāng)于向其內(nèi)部發(fā)射壓縮脈沖，從而產(chǎn)生超聲波。

激光超聲技術(shù)無(wú)需與待檢測(cè)物件接觸，因而能實(shí)現(xiàn)大面積快速檢測(cè)；激光的頻率極高，因而其波長(zhǎng)只有幾微米，加之激光超聲脈沖寬度可達(dá)納秒級(jí)，所以有很高的精度；還可以在一次激發(fā)中產(chǎn)生多種模式的超聲波，并方便聚焦，適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

4.1.2 激光超聲檢測(cè)的應(yīng)用

目前，激光超聲檢測(cè)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜工件和材料特性的實(shí)時(shí)檢測(cè)，還用于超聲掃描成像，如生物醫(yī)學(xué)中得到生物組織影像等?？湛汀⑦_(dá)索等公司已使用激光超聲對(duì)在役飛機(jī)進(jìn)行快速檢測(cè)。

4.2 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

4.2.1 相控陣超聲檢測(cè)的原理

相控陣超聲技術(shù)原理較為復(fù)雜。相控陣探頭由多個(gè)壓電陶瓷晶片組成，它們根據(jù)固定的相對(duì)位置排列。工作時(shí)，控制系統(tǒng)按特定的順序和時(shí)間間隔激勵(lì)各個(gè)晶片，晶片產(chǎn)生的超聲波相互干渉、疊加，形成一個(gè)“合波”。接收時(shí)，根據(jù)回波到達(dá)各個(gè)接收點(diǎn)的時(shí)差對(duì)各回波信號(hào)實(shí)行延時(shí)補(bǔ)償，再相互疊加，在示波器上得到準(zhǔn)確的回波。

相控陣超聲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)聲波的偏轉(zhuǎn)和聚焦。

偏轉(zhuǎn)：各壓電陶瓷晶片沿某一方向逐一被激勵(lì)，各個(gè)晶片產(chǎn)生的超聲就會(huì)有一定時(shí)差，從而改變合波方向，實(shí)現(xiàn)超聲波的偏轉(zhuǎn)。

聚焦：各壓電陶瓷晶片按從兩側(cè)到中間的順序被依次激勵(lì)，從而使各超聲波同時(shí)到達(dá)設(shè)定的焦點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)超聲波的聚焦。

相控陣超聲可以通過(guò)偏轉(zhuǎn)定點(diǎn)調(diào)節(jié)探傷角度，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，對(duì)形狀規(guī)則的物件也可以提高檢測(cè)效率；確定缺陷大致位置后，可通過(guò)聚焦提高探測(cè)的精準(zhǔn)度，以獲取缺陷詳細(xì)信息。

4.2.2 相控陣超聲檢測(cè)的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)相控陣超聲技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中復(fù)雜工件的檢測(cè)。國(guó)外的應(yīng)用較廣，GE，Ultran，QMI等公司研制的相控陣超聲檢測(cè)儀已被用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)。

4.3 空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)

4.3.1 超聲檢測(cè)空氣耦合超聲檢測(cè)的原理

空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的原理與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)相同，二者區(qū)別在于前者通過(guò)空氣耦合超聲換能器和前置放大器等裝置一定程度上克服了空氣與探頭間的聲阻抗差，從而實(shí)現(xiàn)了直接透過(guò)空氣發(fā)射超聲脈沖，因而有明顯的優(yōu)勢(shì)：無(wú)需專用耦合劑，減少對(duì)工件的污染；原理簡(jiǎn)單、實(shí)施方便，適合大型器件的在線檢測(cè)；適用于高溫等復(fù)雜環(huán)境。缺點(diǎn)是回波信號(hào)弱，信噪比低。

4.3.2 空氣耦合超聲的難點(diǎn)與解決

該技術(shù)的主要難點(diǎn)在于如何處理壓電陶瓷與空氣、空氣與待測(cè)物件之間巨大的聲阻抗差。由公式（Z代表聲阻抗）反射率：透射率：可得，兩種介質(zhì)的聲阻抗差越大，反射率越接近100%，透射率越接近0。因而超聲波在傳播中衰減嚴(yán)重（如表1），導(dǎo)致回波信號(hào)弱、信噪比低。

目前解決此問(wèn)題主要有三類方法，分別是采用空氣耦合超聲換能器，采用前置放大器，提高發(fā)射功率。其中，采用空氣耦合超聲換能器能在不提高功率的情況下，克服巨大聲阻抗差帶來(lái)的影響，下文將具體介紹。

為了減小探頭與空氣間聲阻抗差，空氣耦合超聲換能器相比傳統(tǒng)換能器增加了匹配層，壓電陶瓷也由壓電復(fù)合材料代替。匹配層常用的材料有環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠、聚二氟乙烯等，可以使超聲波的衰減降低30dB以上。壓電復(fù)合材料由壓電陶瓷與高分子填充材料（如環(huán)氧樹(shù)脂、尼龍等）混合而成，一般有如下幾種混合方式（PZT為壓電陶瓷），如圖3，圖4和圖5所示。

4.3.3 空氣耦合超聲的應(yīng)用

此技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)航空航天復(fù)合材料、陶瓷材料、鋰電池內(nèi)部缺陷、剎車墊和剎車盤使用情況等的檢測(cè)。空客公司已使用空氣耦合超聲技術(shù)檢測(cè)其蜂窩夾芯等部件。

5 超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

為適應(yīng)新型工業(yè)越來(lái)越復(fù)雜的要求，總結(jié)近幾年的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)超聲檢測(cè)技術(shù)呈現(xiàn)出以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

超聲檢測(cè)儀數(shù)字化。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以方便準(zhǔn)確地發(fā)射、接受信號(hào)；通過(guò)算法自動(dòng)濾噪和校正；運(yùn)用信號(hào)處理法分析回波信號(hào)、計(jì)算波形等。

超聲檢測(cè)自動(dòng)化。人工智能的發(fā)展使自動(dòng)探傷成為可能。全自動(dòng)化探傷裝置不僅可以長(zhǎng)期無(wú)疲勞地工作，更能提高檢測(cè)精度，已成為工業(yè)生產(chǎn)重點(diǎn)發(fā)展方向。

由簡(jiǎn)單地檢測(cè)向綜合評(píng)價(jià)發(fā)展。即：（1）對(duì)缺陷進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，包括形成原因、危害和如何修復(fù)等；（2）從對(duì)缺陷的檢測(cè)擴(kuò)展到對(duì)材料特性（彈性、導(dǎo)電性等）的綜合評(píng)定。

檢測(cè)裝置微型、便攜化。微機(jī)電系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路及新型材料的出現(xiàn)縮小了超聲檢測(cè)裝置體積，使其更加便攜、智能。

6 結(jié)語(yǔ)

超聲檢測(cè)作為重要的無(wú)損檢測(cè)方式，隨著其技術(shù)水平提升，必將在更多工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。未來(lái)超聲檢測(cè)技術(shù)將更多與新興技術(shù)（如人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等）融合，向高速、高精度、檢測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)合、智能化檢測(cè)的方向發(fā)展。

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