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作為一種常見(jiàn)的檢測(cè)技術(shù)，超聲波探傷在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。接下來(lái)的系列文章里，我們將分上下兩篇，就超聲波探傷進(jìn)行詳盡的解析。本期推文著重講述超聲波無(wú)損檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)、檢測(cè)原理以及超聲信號(hào)的顯示方式。而在下期的文章里，您將了解到超聲波探傷的實(shí)際應(yīng)用，如測(cè)定金屬材料的彈性模量和泊松比、金屬材料的硬度、厚度以及對(duì)殘余應(yīng)力的檢測(cè)，歡迎感興趣的讀者持續(xù)關(guān)注我們下期文章。

超聲無(wú)損檢測(cè)的定義

超聲檢測(cè)一般是指利用超聲波與工件相互作用，對(duì)反射、透射和散射的回波進(jìn)行分析，從而對(duì)工件進(jìn)行宏觀缺陷、幾何特性、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。

超聲波的基礎(chǔ)知識(shí)

超聲波是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，人們?nèi)粘Ｂ?tīng)到的聲音，是由于聲源的振動(dòng)通過(guò)空氣等彈性介質(zhì)傳播到耳膜引起的耳膜振動(dòng)，牽動(dòng)聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)，但并不是任何頻率的機(jī)械振動(dòng)都能引起聽(tīng)覺(jué)，只有頻率在一定的范圍內(nèi)的振動(dòng)才能引起聽(tīng)覺(jué)。人們把能引起聽(tīng)覺(jué)的機(jī)械波成為聲波，頻率在20~20000Hz之間。頻率低于20Hz的機(jī)械波成為次聲波，頻率高于20000Hz的機(jī)械波稱為超聲波。

對(duì)于宏觀缺陷檢測(cè)的超聲波，其常用頻率為0.5~25MHz，對(duì)鋼等金屬材料的檢測(cè)，常用頻率為0.5~10MHz。超聲波頻率很高，由此決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)：

1. 超聲波方向性好

2. 超聲波能量高

3. 能在界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形轉(zhuǎn)換

4. 超聲波穿透能力強(qiáng)

超聲檢測(cè)的原理

超聲檢測(cè)主要是基于超聲波在工件中的傳播特性，如聲波在通過(guò)材料時(shí)能量會(huì)損失，在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射等。

其工作原理是：

1. 聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入工件。

2. 超聲波在工件中傳播并與工件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征產(chǎn)生改變。

3. 改變后的超聲波通過(guò)檢測(cè)設(shè)備被接收，并可對(duì)其進(jìn)行處理和分析。

4. 根據(jù)接收的超聲波的特征，評(píng)估工件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超聲檢測(cè)按照原理分類(lèi)，可分為脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法和共振法，此處主要介紹脈沖反射法和衍射時(shí)差法。

（一）脈沖反射法

聲源產(chǎn)生的脈沖波進(jìn)入到工件中——超聲波在工件中以一定方向和速度向前傳播——遇到兩側(cè)聲阻抗有差異的界面時(shí)部分聲波被反射——檢測(cè)設(shè)備接收和現(xiàn)實(shí)——分析聲波幅度和位置等信息，評(píng)估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。兩側(cè)聲阻抗有差異的界面可能是材料中某種缺陷（不連續(xù)），如裂紋、氣孔、夾渣等、也可能是工件的外表面。聲波反射的程度取決于界面兩側(cè)聲阻抗差異的大小、入射角以及界面的面積等。通過(guò)測(cè)量入射聲波和接收聲波之間聲傳播的時(shí)間，可以得知反射點(diǎn)距入射點(diǎn)的距離。

通常用來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷和對(duì)其進(jìn)行評(píng)估的基本信息為：

1. 是否存在來(lái)自缺陷的超聲波信號(hào)及其幅度。

2. 入射聲波與接收聲波之間的傳播時(shí)間。

3. 超聲波通過(guò)材料以后能量的衰減。

超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢工件內(nèi)，通過(guò)觀察來(lái)自內(nèi)部缺陷或工件地面反射波的情況來(lái)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)的方法，稱為脈沖發(fā)射法。

脈沖反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。

1. 缺陷回波法
   根據(jù)儀器示波屏上顯示的缺陷波形進(jìn)行判斷的方法，成為缺陷回波法。該方法以回波傳播時(shí)間對(duì)缺陷定位，以回波幅度對(duì)缺陷定量，是脈沖反射法的基本方法。
   圖1所示為缺陷回波檢測(cè)法的基本原理，當(dāng)工件完好時(shí)，超聲波可順利傳播到達(dá)底部，檢測(cè)圖形中只有表示發(fā)射脈沖T及底面回波B兩個(gè)信號(hào)，如圖1-a所示。
   若工件中存在缺陷，則在檢測(cè)圖形中，底面回波前有表示缺陷的回波F，如圖1-b所示。
   

圖1 缺陷回波法

1. 底波高度法
   當(dāng)工件的材質(zhì)和厚度不變時(shí)，底面回波高度應(yīng)時(shí)基本不變的。如果工件內(nèi)存在缺陷，底面回波高度會(huì)下降甚至消失，如圖2所示。
   

圖2 底波高度法

這種依據(jù)底面回波的高度變化判斷工件缺陷情況的方法，稱為底波高度法。
底波高度法的特點(diǎn)在于同樣投影大小的缺陷可以得到同樣的指示，而且不出現(xiàn)盲區(qū)，但是要求被檢工件的檢測(cè)面與底面平行，耦合條件一致。該方法檢出缺陷定位定量不便，靈敏度較低，因此，實(shí)用中很少作為一種獨(dú)立的檢測(cè)方法，而是經(jīng)常作為一種輔助手段，配合缺陷回波法發(fā)現(xiàn)某些傾斜的、小而密集的缺陷，對(duì)于鍛件采用直探頭縱波檢測(cè)法時(shí)常使用，如由缺陷引起的底波降低量。

1. 多次底波法

當(dāng)透入工件的超聲波能量較大，而工件厚度較小時(shí)，超聲波可在檢測(cè)面與底面之間往復(fù)傳播多次，示波屏上出現(xiàn)多次底波、、、…。如果工件存在缺陷，則由于缺陷的反射以及散射而增加了聲能的損耗，底面回波次數(shù)減少，同時(shí)也打亂了各次底面回波高度依次衰減的規(guī)律，并顯示出缺陷回波，如圖3所示。這種依據(jù)多次底面回波的變化，判斷工件有無(wú)缺陷的方法，稱為多次底波法。

圖3 多次底波法 a)無(wú)缺陷 b）小缺陷 c）大缺陷

（二）衍射時(shí)差法

衍射時(shí)差法（Time of Flight Diffraction，簡(jiǎn)稱TOFD），是利用缺陷部位的衍射波信號(hào)來(lái)檢測(cè)和測(cè)定缺陷尺寸的一種超聲檢測(cè)方法，通常使用縱波斜探頭，采用一發(fā)一收模式。缺陷處的衍射現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 衍射現(xiàn)象

TOFD方法一般將探頭對(duì)稱分布于焊縫兩側(cè)。在工件無(wú)缺陷部位，發(fā)射超聲脈沖后，首先到達(dá)接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時(shí)，在直通波和底面反射波之間，接收探頭還會(huì)接收到缺陷處產(chǎn)生的衍射波。除上述波外，還有缺陷部位和底面因波形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的橫波，因?yàn)槁曀傩∮诳v波，因?yàn)橐话銜?huì)遲于底面反射波達(dá)到接收探頭。工件中超聲波傳播路徑如圖5所示，缺陷處A掃描信號(hào)如圖6所示。

圖5 不同曲面工件中超聲波傳播路徑 a)平板工件 b）凸面工件 c）凹面工件

圖6 缺陷處A掃描信號(hào)

TOFD檢測(cè)顯示包括A掃描信號(hào)和TOFD圖像，其中A掃描信號(hào)使用射頻波形式。而TOFD圖像則是將每個(gè)A掃描信號(hào)顯示成一維圖像線條，位置對(duì)應(yīng)聲程，以灰度表示信號(hào)幅度，將掃查過(guò)程中采集到的連續(xù)的A掃描信號(hào)形成的圖像線條沿探頭的運(yùn)動(dòng)方向拼接成二維視圖，一個(gè)軸代表探頭移動(dòng)距離，另一個(gè)軸代表掃查面至底面的深度，這樣就形成TOFD圖像。

圖7所示為含埋藏缺陷的平板對(duì)接焊接接頭的TOFD檢測(cè)顯示示意圖，圖中右下方為T(mén)OFD圖像，右上方為從TOFD圖像中缺陷部位提取的一個(gè)A掃描信號(hào)，其中包括直通波、上端點(diǎn)衍射波、下端點(diǎn)衍射波和底面反射波。

圖7 TOFD檢測(cè)顯示示意圖（含埋藏缺陷）

圖8所示為X形坡口根部連續(xù)夾渣的平板對(duì)接接頭的TOFD檢測(cè)顯示圖像。

圖8 TOFD檢測(cè)顯示圖像(X形坡口根部連續(xù)夾渣)

與脈沖反射法超聲檢測(cè)相比，TOFD的主要優(yōu)點(diǎn)在于：（1）缺陷的衍射信號(hào)與缺陷的方向無(wú)關(guān)，缺陷檢出率高；（2）超聲波聲束覆蓋區(qū)域大；（3）缺陷高度測(cè)量精確；（4）實(shí)時(shí)成像，快速分析；（5）缺陷的定量不依賴于缺陷的回波幅度；（6）快速、安全、方便。

但TOFD也存在其局限性，主要有：（1）由于TOFD的直通波和底面反射波均有一定的寬度，處于此范圍的缺陷波難以被發(fā)現(xiàn)，因此在掃查面和底面存在幾毫米的表面盲區(qū)；（2）TOFD信號(hào)較弱，易受噪音影響；（3）傾向于“過(guò)分夸大”中下部缺陷和部分良性缺陷，比如氣孔、夾層等。

超聲檢測(cè)的顯示

按照超聲信號(hào)的顯示方式，可將超聲檢測(cè)方法分為A型顯示和超聲成像方法。

4.1 A型顯示

A型顯示是一種波形顯示，是將超聲信號(hào)的幅度和傳播時(shí)間的關(guān)系以直角坐標(biāo)的形式顯示出來(lái)，橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)代表信號(hào)幅度，如圖1至圖7所示。

A型顯示是最基本的一種信號(hào)顯示方式，使用A型顯示的脈沖反射法是目前用的最多的一種超聲檢測(cè)方法。

4.2 超聲成像方法

超聲成像就是采用超聲波獲得物體可見(jiàn)圖像的方法，又稱為超聲掃描成像技術(shù)。由于聲波可以穿透很多不透光的物體，故利用聲波可以獲得這些物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的信息，超聲成像技術(shù)將這些信息變成人眼可見(jiàn)的圖像，即可以獲得不透光物體內(nèi)部聲學(xué)特性分布的圖像。

超聲相控陣檢測(cè)是一種典型運(yùn)用超聲成像方法的檢測(cè)技術(shù)，它的基本思想來(lái)自于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)。相控陣?yán)走_(dá)是由許多輻射單元排成陣列組成，通過(guò)控制陣列天線中各單元的幅度和相位，調(diào)整電磁波的輻射方向，在一定空間范圍內(nèi)合成靈活快速的聚焦掃描的雷達(dá)波束。

陣元發(fā)射出的聲束在工件中遇到缺陷會(huì)反射回來(lái)，而處于聚焦區(qū)域的缺陷會(huì)形成振幅較大的反射波波陣面。由于探頭陣元排列的空間位置不同，缺陷的反射回波到達(dá)各陣元的時(shí)間也會(huì)不同。延遲器按照接收聚焦法則計(jì)算各陣元的接收延遲，依次對(duì)每個(gè)陣元的回波信號(hào)進(jìn)行疊加，反饋至信號(hào)接收模塊。超聲相控陣的超聲脈沖發(fā)射和缺陷回波接收示意圖，如下圖 9所示。

圖9 超聲相控陣的超聲脈沖發(fā)射和缺陷回波接收示意圖

超聲相控陣進(jìn)行工作時(shí)主要有三種掃描方式，分別為：線性掃描、扇形掃描和動(dòng)態(tài)深度掃描。

線性掃描：線性掃描又稱電子掃查。掃描時(shí)先將探頭陣元分為數(shù)量相同的若干小組，由延遲器傳輸?shù)挠|發(fā)脈沖分別依次激發(fā)各小組陣元，檢測(cè)聲場(chǎng)在空間中以恒定角度對(duì)探頭長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查檢測(cè)。線性掃查檢測(cè)前須要設(shè)定好陣元數(shù)、聚焦深度。

扇形掃描：扇形掃描即S掃描，在設(shè)定深度上，相控陣探頭按聚焦法則分別計(jì)算每個(gè)偏轉(zhuǎn)角度得聚焦延遲，激發(fā)時(shí)以從左至右的順序分別激發(fā)，形成一定范圍內(nèi)的扇形掃查。掃查時(shí)須要設(shè)置扇掃范圍、角度間隔和聚焦深度。

動(dòng)態(tài)深度掃描：動(dòng)態(tài)深度掃描又稱動(dòng)態(tài)深度聚焦，超聲聲束沿陣元中軸線，對(duì)不同深度的焦點(diǎn)進(jìn)行掃描。分為發(fā)射動(dòng)態(tài)深度聚焦和接收動(dòng)態(tài)深度聚焦：發(fā)射動(dòng)態(tài)聚焦即在發(fā)射時(shí)以不同聚焦深度延遲對(duì)探頭進(jìn)行分別激發(fā)，聲束焦點(diǎn)在空間中深度方向延伸；接收動(dòng)態(tài)聚焦在發(fā)射時(shí)使用單個(gè)聚焦脈沖，通過(guò)接收時(shí)不同深度接收延遲對(duì)回波脈沖重新聚焦。

超聲相控陣最顯著的特點(diǎn)是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀，極大的提高了檢測(cè)效率。由于探頭中陣元由計(jì)算機(jī)控制，其聲束角度、焦柱位置、焦點(diǎn)尺寸及位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動(dòng)態(tài)可調(diào)；而且探頭內(nèi)可快速平移聲束。因此，與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣可以不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭可掃查厚大工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域，成為解決可達(dá)性差和空間限制問(wèn)題的有效手段。而且，相控陣探頭由多個(gè)晶片同時(shí)聚焦，聚焦區(qū)能量遠(yuǎn)大于普通單晶聚焦探頭，具有更高的檢測(cè)靈敏度和分辨力。超聲相控陣通常不需要復(fù)雜的掃查裝置，不需更換探頭就可實(shí)現(xiàn)整個(gè)體積或區(qū)域的多角度、多方向掃查。

超聲檢測(cè)的應(yīng)用和展望

超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(UT)作為五大常規(guī)檢測(cè)技術(shù)之一，具有被測(cè)對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對(duì)人體無(wú)害以及便于現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)，世界各國(guó)都對(duì)超聲無(wú)損檢測(cè)給予了高度的重視。

目前，國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已逐步從無(wú)損探傷和無(wú)損檢測(cè)向無(wú)損評(píng)價(jià)過(guò)渡。全球超聲檢測(cè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是自動(dòng)化和人工智能化。受工業(yè)4.0的滲透和影響，超聲檢測(cè)已逐步向人工智能化發(fā)展。如一些專(zhuān)用軟件或設(shè)備，已逐漸向自動(dòng)識(shí)別缺陷的方向發(fā)展，使用自適應(yīng)專(zhuān)家網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

中國(guó)工業(yè)超聲檢測(cè)近幾十年來(lái)發(fā)展迅速，幾乎涵蓋了所有的工業(yè)領(lǐng)域，如鋼鐵工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、鍋爐壓力容器、石油化工、鐵路運(yùn)輸、造船、航空航天、電力核電等。目前超聲檢測(cè)大量應(yīng)用于金屬材料和構(gòu)件，近年來(lái)對(duì)于新興的復(fù)合材料的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

理論研究方面，我國(guó)也在逐漸縮小與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的差距，很多超聲數(shù)字信號(hào)處理包括人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別、多種掃描成像等技術(shù)已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了保證。

設(shè)備研發(fā)方面，超聲檢測(cè)設(shè)備中，國(guó)內(nèi)幾家為首的公司已經(jīng)研發(fā)出最先進(jìn)的全聚焦技術(shù)，并正在與實(shí)際的工程應(yīng)用相結(jié)合，逐漸梳理出一套可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范出來(lái)，推進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用。

超聲檢測(cè)行業(yè)也漸漸有與大數(shù)據(jù)融合的趨勢(shì)。目前，一些重點(diǎn)的石油石化企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始構(gòu)建系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)管理，超聲檢測(cè)作為質(zhì)量檢測(cè)的重要一環(huán)，也被納入到大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，對(duì)管道及設(shè)備的監(jiān)管也趨于系統(tǒng)化、深入化。