《超声波检测原理与应用》课件

超声波检测原理与应用超声波检测技术是现代无损检测领域的核心技术之一，广泛应用于航空航天、石油化工、电力、机械制造等重要工业领域本课程将全面探讨超声波检测技术的基本原理与实际应用，为从事无损检测、特种设备检验、机械制造行业的专业人员提供系统性的技术指导超声波检测以其穿透能力强、检测精度高、应用范围广等显著优势，已成为材料内部缺陷检测的重要手段通过深入学习超声波的物理原理、检测设备操作和数据分析方法，能够有效提升检测人员的专业技能和实际应用能力目录1第一部分超声波检测基础知识涵盖超声波检测的基本概念、发展历史、技术优势与局限性，为后续深入学习奠定理论基础2第二部分超声波检测原理详细阐述超声波传播规律、声学特性、界面反射折射现象等核心物理原理3第三部分超声检测设备与器材介绍各类超声检测仪器、探头类型、校准方法及辅助设备的选择和使用4第四部分检测方法与技术讲解脉冲反射法、相控阵技术、自动化检测等先进检测方法和工艺要求第一部分超声波检测基础知识理论基础技术特点超声波检测建立在声学物理学基础之上，涉及波动力学、材料科作为无损检测的重要分支，超声波检测具有检测速度快、成本相学、信号处理等多个学科领域掌握这些基础知识对于理解检测对较低、对人体无害等特点，在工业生产中发挥着不可替代的作原理和提高检测水平至关重要用超声波检测概述物理原理检测能力应用范围利用超声波在物质中传能够有效检出金属、非广泛应用于航空航天、播、界面反射、折射和金属、复合材料内部的石油化工、核电、铁路衰减等物理性质，实现裂纹、气孔、夹杂、分交通等关键工业领域的对材料内部结构和缺陷层等各类缺陷质量控制和安全评估的无损检测超声波的定义频率特征物理本质频率高于20kHz的声波，超出人本质上是机械振动波，需要介质耳听觉范围在工业无损检测传播，不能在真空中传播具有中，常用频率范围为

0.5MHz至波长短、方向性好、易于控制等25MHz，其中2MHz至5MHz最特点为常见检测应用不同频率适用于不同检测需求低频穿透能力强，适合厚壁检测；高频分辨率高，适合精密检测超声波检测的发展历史11912年起源阶段泰坦尼克号沉船事故促使人们开始研究声波在水中的传播，为超声检测技术奠定了基础21929年技术萌芽首次将超声波技术应用于金属探伤，标志着超声波无损检测技术的正式诞生31940年代方法确立脉冲回波法的发展使超声检测技术趋于成熟，在工业生产中开始广泛应用41970年代数字化革命数字化技术的应用大幅提升了检测精度和数据处理能力，推动了检测标准化进程超声波检测的优势方向性好像光波一样具有良好的定向性，能够精确控制检测区域穿透能力强可达数米深度，适用于厚壁构件的内部检测灵敏度高能够检测出微小缺陷，最小可检测毫米级甚至更小缺陷定位准确能够准确判断缺陷在材料内部的深度位置和几何形状超声波检测的局限性表面要求严格几何形状限制需要良好的表面耦合条件，粗对复杂几何形状和某些材料存糙表面会严重影响检测效果在检测盲区技术要求高经验依赖性强操作人员需要经过专业培训和缺陷评估和信号解释需要丰富长期实践积累经验的实践经验支撑第二部分超声波检测原理理论基础实际应用超声波检测的物理基础涉及振动力学、波动学、材料力学等多个通过学习波的传播规律、反射折射现象、声场特性等核心概念，领域深入理解这些基本原理，是掌握超声检测技术的关键所能够更好地理解检测过程中的各种现象，提高检测水平在机械振动与机械波动振动产生物质质点在平衡位置附近的往复运动形成机械振动，为机械波的产生提供能量源波的传播机械振动通过介质逐个质点间的相互作用向外传播，形成机械波，传递能量而不传递物质波动方程描述波在介质中传播规律的数学表达式，包含频率、波长、传播速度等基本参数波的类型纵波（压缩波）质点振动方向与波的传播方向平行，传播速度最快，穿透能力强，是超声检测中最常用的波型横波（剪切波）质点振动方向与波的传播方向垂直，传播速度较慢，对裂纹等线性缺陷敏感度高表面波（瑞利波）沿物体表面传播的波，检测深度约为一个波长，适用于表面和近表面缺陷检测板波（兰姆波）在薄板材料中传播的导波，具有频散特性，适用于大面积薄壁结构检测波的叠加、干涉和衍射叠加原理多个波在同一点相遇时产生新的波形干涉现象相同频率波的叠加产生增强或减弱效应衍射效应波遇到障碍物或狭缝时的绕射传播这些波动现象在超声检测中具有重要影响叠加原理解释了多次反射回波的形成机制；干涉现象影响声场分布和检测精度；衍射效应则影响缺陷的检出能力和横向分辨率，特别是当缺陷尺寸接近波长时，衍射效应变得显著超声波的传播速度59003230纵波速度横波速度钢中纵波传播速度（米/秒）钢中横波传播速度（米/秒）2980表面波速度钢中表面波传播速度（米/秒）超声波在材料中的传播速度由材料的弹性模量和密度决定纵波速度公式为CL=√λ+2μ/ρ，横波速度公式为CT=√μ/ρ，其中λ和μ为拉梅常数，ρ为材料密度温度、应力状态、材质成分都会影响传播速度，这对精确测距和缺陷定位具有重要意义超声波传播规律声阻抗计算Z=ρC（密度×声速）决定界面反射特性反射系数R=Z₂-Z₁/Z₂+Z₁量化反射强度透射系数T=2Z₂/Z₂+Z₁确定透射能量比例声阻抗是材料的重要声学参数，反映了材料对声波传播的阻碍程度当超声波在不同声阻抗的界面传播时，会发生反射和透射现象声阻抗差异越大，反射系数越大，这正是超声检测能够发现材料内部缺陷的物理基础超声波垂直入射到界面时的反射垂直入射镜面反射声波垂直射向界面，入射角为零度遵循反射定律，入射角等于反射角缺陷检出相位变化利用反射回波检测材料内部缺陷从低阻抗向高阻抗界面反射时相位不变超声波斜入射现象折射定律临界角现象波型转换n₁sinθ₁=当入射角达到临界角时斜入射时会同时产生纵n₂sinθ₂，描述声波在发生全反射，是角度探波和横波的反射与折界面的折射规律折射伤技术的重要理论基射，波型转换使检测更角大小取决于两种介质础，用于产生纯横波检加复杂但也提供了更多中的声速比值和入射角测信息度超声场的特征值近场区特性远场区特性近场长度N=D²/4λ，其中D为探头直径，λ为波长在近场区内远场区声压随距离平稳衰减，声束发散角sinθ=

1.22λ/D远场声压分布不均匀，存在显著的波动现象，检测时需要特别注意区是进行缺陷检测和评价的理想区域•声压分布均匀•声压波动剧烈•检测灵敏度稳定•检测灵敏度不稳定•适合定量检测•避免在此区域进行缺陷评价超声波的衰减扩散衰减由于声束的自然发散导致的能量分散，与传播距离的平方成反比关系吸收衰减声能转化为热能的不可逆过程，与材料的粘滞性和热传导性相关散射衰减声波遇到材料微观结构如晶界、夹杂物时发生的散射现象检测深度衰减系数决定了超声检测的最大有效深度和灵敏度分布超声波探头声场特性声轴与声束主瓣与旁瓣聚焦特性声轴是声束的中心轴线，声束宽度影主瓣携带主要声能，旁瓣可能产生假聚焦探头在焦点处声能集中，分辨率响横向分辨率声束越窄，横向分辨信号理想探头应具有窄的主瓣和低最高焦点位置和焦点区域大小影响率越高，但检测覆盖面积相对较小的旁瓣水平，以提高检测精度检测效果和适用范围规则反射体的回波声压第三部分超声检测设备与器材设备发展技术特点从模拟式探伤仪到数字化设备，再到相控阵系统，超声检测设备新一代超声检测设备具有高精度、多功能、智能化等特点，能够经历了重大技术革新现代设备集成度高、功能强大、操作便满足各种复杂检测需求，大幅提升检测效率和可靠性捷超声检测仪器分类脉冲反射式超声探伤仪最常用的超声检测设备，通过发射脉冲信号并接收反射回波来检测缺陷，具有操作简单、成本较低等优点A、B、C型显示超声检测仪提供不同的显示模式A型显示回波幅度，B型显示截面图像，C型显示平面投影，满足不同检测需求相控阵超声检测仪采用多通道发射接收技术，可实现电子扫查和聚焦，提供丰富的成像信息和高检测效率时差法超声检测仪专门用于厚度测量和声速测定，具有高精度测量能力，广泛应用于腐蚀监测和材料表征型显示超声探伤仪A显示特点横轴表示声程或传播时间，纵轴表示回波幅度通过回波的位置判断缺陷深度，通过幅度大小评估缺陷当量主要参数包括增益、时基、闸门、频率等关键技术参数正确设置这些参数是获得可靠检测结果的前提应用优势操作简单、反应迅速、便于携带，是现场检测的首选设备，特别适合焊缝检测和厚度测量等应用型显示超声检测仪B成像原理显示声束扫查路径的纵截面图像，横轴表示扫查位置，纵轴表示深度，信号强度以灰度或颜色表示图像特征能够直观显示缺陷的连续性、取向和分布情况，特别适合观察裂纹等线性缺陷的延伸状况应用领域广泛应用于医学诊断、焊缝检测、复合材料检测等领域，为缺陷分析提供直观的图像信息型显示超声检测仪C平面投影二维坐标显示试件的平面投影图像横纵坐标对应扫查位置缺陷成像信号表示直观显示缺陷的形状和分布信号幅度以光点辉度显示超声波探头直探头产生垂直入射的纵波，主要用于检测与声束垂直的缺陷，如板材中的分层、夹杂等缺陷，是最基本的探头类型斜探头产生一定角度入射的横波或纵波，适用于检测焊缝中的裂纹、未熔合等缺陷，角度通常为35°、45°、60°、70°双晶探头包含发射和接收两个晶片，适用于近表面缺陷检测，能够消除探头盲区，提高近表面检测能力聚焦探头通过透镜或曲面晶片实现声束聚焦，在焦点处具有最高分辨率，适用于精密检测和小缺陷检出压电换能器原理压电效应某些晶体在机械应力作用下产生电荷，这种现象称为压电效应，是接收超声信号的物理基础逆压电效应在电场作用下晶体产生机械变形，这是发射超声波的基本原理，实现电信号到机械振动的转换常用材料天然石英具有稳定性好但压电系数小的特点，PZT陶瓷压电系数大但温度稳定性较差谐振特性压电晶片的谐振频率和带宽影响探头性能，阻尼材料的使用可以改善脉冲响应特性探头基本参数

2.5标称频率探头的中心工作频率（MHz）6晶片直径直探头晶片的直径尺寸（mm）

2.0K值斜探头的折射角正切值-6带宽探头的频率响应范围（dB）频率决定了穿透能力和分辨率的平衡；晶片尺寸影响声束特性和近场长度；K值确定了斜探头的检测角度；带宽影响脉冲分辨率这些参数的合理选择对检测效果至关重要试块与校准标准试块对比试块CSK-IA/IIA/IIIA等标准试块用于带有人工缺陷的试块，如横通探头性能验证、声速测定、距离孔、纵通孔、平底孔等，用于建校准等基本功能检查，是保证检立检测基准和评价缺陷当量大测准确性的重要工具小DAC曲线距离-波幅曲线通过不同深度的相同缺陷建立，用于补偿声波传播过程中的衰减，实现缺陷的定量评价耦合剂与扫查装置耦合剂类型扫查装置•水最常用，成本低，适合自动化检测手动扫查适用于形状复杂的工件，操作灵活但一致性较差自动扫查系统能够实现精确的位置控制和数据记录，特别适合大型平•机油粘度适中，附着性好，野外作业首选面构件的全覆盖检测C扫描系统可生成详细的缺陷分布图像•甘油粘度大，不易流失，垂直面检测理想•专用耦合剂针对特殊应用开发的高性能产品第四部分检测方法与技术方法多样技术创新超声检测技术发展出多种检测方法，包括传统的脉冲反射法、现随着电子技术和信号处理技术的发展，超声检测正朝着自动化、代的相控阵技术、时差法等，每种方法都有其特定的应用领域和智能化、数字化方向发展，检测精度和效率不断提升技术优势脉冲反射法脉冲发射波的传播探头向工件发射短脉冲超声波，脉冲宽超声波在材料中传播，遇到缺陷或底面度通常为几个微秒时发生反射信号分析回波接收通过分析回波的时间、幅度、波形特征反射回波被探头接收并转换为电信号，判断缺陷性质和位置在显示器上形成回波透射法透射原理发射探头和接收探头分别置于工件两侧，通过接收透射信号的强度变化来判断材料内部状况信号分析当材料内部存在缺陷时，透射信号会发生衰减、散射或中断，通过分析这些变化可以检出缺陷应用限制需要工件两侧都能接触，不能精确定位缺陷，主要用于材质均匀性检测和大致缺陷判断共振法驻波形成1连续超声波在材料中形成驻波图样共振频率当频率满足特定条件时发生共振现象厚度测量根据共振频率计算材料厚度共振法基于驻波和共振现象，通过扫频找到共振点来测量厚度此方法精度高但操作复杂，主要用于薄板材料的精密厚度测量，现已逐渐被脉冲回波法取代相控阵超声检测技术成像检测提供丰富的图像信息和三维重建能力电子聚焦通过相位控制实现动态聚焦和偏转多通道技术采用多个压电晶片独立控制发射接收相控阵技术代表了超声检测的发展方向，通过精确控制各个阵元的激励时序，可以实现声束的电子扫查、聚焦和偏转这种技术大大提高了检测效率，能够一次扫查获得相当于多个角度探头检测的信息量超声波检测自动化技术机械扫查精确的位置控制和重复性好的扫查路径数据采集高速数据采集和实时信号处理系统智能算法自动缺陷识别和评估算法工业

4.0与生产系统集成的智能检测解决方案时差法测厚技术基本原理测量超声波在材料中往返传播的时间，结合已知声速计算厚度公式为厚度=声速×时间/2精度因素测量精度取决于时间测量精度、声速的准确性、表面耦合质量等因素，现代设备可达到±

0.01mm精度工业应用广泛应用于管道腐蚀监测、储罐底板检测、锅炉管壁厚测量等工业维护检测领域检测工艺与标准检测前准备工作包括工件表面清理、耦合剂准备、设备校准、探头选择等步骤表面粗糙度应控制在合理范围内，温度条件需要记录，检测环境应避免强电磁干扰扫查方法与技巧采用规范的扫查路径和速度，保持探头与工件良好接触，重点区域需要多角度检测扫查重叠率不少于10%，确保检测覆盖率达到100%数据记录与分析详细记录检测参数、缺陷位置、回波特征等信息建立完整的检测档案，为后续分析和质量追溯提供依据国内外检测标准遵循GB/T

11345、ASME、AWS、ISO等相关标准，确保检测结果的可靠性和国际认可度缺陷评价方法缺陷定性缺陷定量根据回波特征判断缺陷类型裂纹、气孔、测量缺陷的长度、宽度、高度等几何尺寸参夹杂、分层等数缺陷评级缺陷定位根据相关标准对缺陷进行等级划分和验收判确定缺陷在工件中的三维坐标位置定数据处理与图像重建信号处理采用数字滤波、去噪、增强等算法提高信号质量，滤除干扰信号，突出缺陷特征常用方法包括小波变换、频域滤波等图像重建将一维信号转换为二维或三维图像，直观显示缺陷的形状、大小和空间分布SAFT、TFM等算法可显著提高成像质量特征提取自动识别和提取缺陷特征参数，包括几何特征、统计特征、纹理特征等，为智能化评价提供基础数据智能识别基于机器学习和深度学习的缺陷自动识别技术，能够实现缺陷的自动分类、定量和评级，提高检测效率和一致性第五部分应用领域与案例分析广泛应用技术发展超声波检测技术已渗透到国民经济的各个重要领域，从传统的金随着应用领域的扩展和技术要求的提高，超声检测技术不断创新属工业到新兴的复合材料，从基础建设到高端制造，都发挥着不发展，新方法、新设备层出不穷，为各行业的质量控制和安全保可替代的作用障提供强有力支撑金属材料检测应用铸件缺陷检测焊缝质量评价锻件内部检测压力容器检验检测铸件内部的缩孔、采用角度探头检测焊缝检测锻件的内部裂纹、对压力容器的筒体、封缩松、夹杂、冷隔等缺中的裂纹、未熔合、未白点、分层等缺陷锻头、焊缝进行全面检陷铸钢件检测频率通焊透、夹渣等缺陷多件组织致密，声波衰减测，确保设备安全运常选择2-5MHz，根据角度扫查确保全面覆小，检测深度大，需注行检测周期严格按照材质和厚度调整检测参盖，DAC/AVG方法评意近场区的影响规范要求执行数价缺陷当量复合材料检测应用层间剥离检测蜂窝结构损伤评估复合材料最常见的缺陷形式，表航空用蜂窝夹层结构的面板脱现为层间结合力不足导致的分粘、芯材压缩、积水等问题可通离超声检测能够有效识别分层过超声检测发现C扫描技术能的位置、范围和严重程度，为维够清晰显示损伤分布图像修决策提供依据碳纤维复合材料检测CFRP材料的纤维断裂、基体开裂、孔隙率超标等缺陷检测需要考虑材料的各向异性特点，选择合适的检测参数和方法混凝土结构检测灌注桩完整性检测检测桩身混凝土质量、桩长、缺陷位置等采用低频探头，通常为50-200kHz，能够穿透较厚的混凝土结构混凝土内部缺陷评估检测混凝土内部的空洞、蜂窝、裂缝等缺陷混凝土的非均质性对超声波传播有较大影响，需要采用专门的检测技术钢筋位置与分布检测确定钢筋的位置、直径、保护层厚度等参数钢筋的强反射特性使其易于识别，但可能对后面缺陷的检测产生遮挡裂缝深度测量测量表面裂缝的深度和走向采用表面波或穿透法，根据声时变化判断裂缝的几何特征和发展趋势工业管道检测

0.1测厚精度管道壁厚测量精度（毫米）95%检出率腐蚀缺陷检出成功率24/7在线监测全天候连续监测能力30检测范围单次检测覆盖管道长度（米）工业管道的超声检测主要用于腐蚀监测、裂纹检测和几何测量现代导波技术能够实现长距离管道的快速筛查，而相控阵技术则提供了高分辨率的局部详细检测能力在线监测系统能够实时跟踪管道状态变化高速铁路检测应用钢轨内部缺陷检测检测钢轨内部的横向裂纹、纵向裂纹、白点等缺陷焊缝完整性评价对铝热焊、闪光焊等焊缝质量进行评估自动化检测系统高速移动检测车实现大范围快速检测高速铁路对安全性要求极高，超声检测作为关键的无损检测技术，在钢轨维护中发挥重要作用现代检测车能够以较高速度进行检测，实时发现潜在安全隐患，为铁路运营安全提供技术保障特种设备检验。