超聲檢測技術在無損檢測中的應用與進展

魯貝斯

摘 要：隨著工業發展與人們生活水平的提高，產品質量檢測的越來越重要。超聲檢測作為一種重要的無損檢測技術，有著廣泛的應用與重要的前景。本文介紹了超聲檢測技術的原理及其在建筑土木、機車和焊接方面的應用，還介紹一些新型超聲檢測技術，展望了其發展趨勢，最后對這一技術領域進行總結。

關鍵詞：超聲檢測；無損檢測；工業應用；先進超聲檢測技術

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0060-03

1 引言

超聲檢測技術已有近百年的研究與應用歷史，具備其他檢測技術所無法相比的優勢：超聲波穿透能力強、檢測深度大，靈敏度高、對缺陷定位準確，檢測成本低，使用也更為簡捷；而且超聲檢測的輸出信號是波形的模式，可以方便地使用計算機信號處理技術對檢測結果進行分析；此外，超聲不會對人體產生不利影響。因而該技術適用的領域非常廣泛。然而，隨著工藝的復雜化與對產品無損檢測要求的上升，傳統超聲檢測已經難以滿足各種復雜的需求，因此不斷有新型超聲檢測技術被提出。下文將依次介紹超聲無損檢測的基本原理、工業應用及其進展。

2 超聲檢測基本原理

超聲檢測按原理不同可分為脈沖反射法、穿透法、衍射時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

探頭內的發射器將超聲波射入檢測的工件中，當其遇到反射體時會發生反射，反射信號被同一探頭接收，通過信號處理可顯示出各個回波的波形及聲時。通過分析辨別來自缺陷的回波，從而確定缺陷的類型、位置和大小。

2.2 穿透法原理

穿透法需要一個發射探頭和一個接收探頭，二者相對且垂直于待檢測物件放置，發射探頭發射超聲波進入物件，超聲波在傳播過程中遇到缺陷會產生波形變化，通過接收探頭收到的信號分析波形變化、得到缺陷信息。

3 超聲檢測技術在無損檢測中的應用

3.1 建筑和土木方面

建筑的質量關系到國計民生，因此能夠在不破壞建筑本身的前提下對建筑進行檢測成為重要需求。超聲檢測可以探測建筑材料缺陷，還可以檢測材料的彈性、強度等特性，非常適合在建筑和土木領域中的應用。

3.1.1 測定混凝土結構強度

混凝土強度的測定是根據混凝土的強度系數與超聲波在混凝土中聲速的關系來實現的。通過測量超聲波橫波和縱波在混凝土中的聲速，便可以計算混凝土有關彈性系數（楊氏模量），進而得到其強度情況。聲速與楊氏模量的關系如下（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T=cL/cs，則：

3.1.2 測定混凝土厚度

混凝土厚度的測定利用的是超聲波的直線傳播與反射現象。超聲波從一種固體介質入射到另一種固體介質時，在分界面上會產生反射和折射。如圖1所示（只表示出反射）：

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

3.2 鐵路機車方面

目前超聲檢測在鐵路機車方面的應用主要為對車輪、輪輞和軌道的檢測。下文主要介紹對車輪和輪輞的檢測。

3.2.1 車輪缺陷檢測

輪對承載車廂、接觸鋼軌，控制機車的前進、轉向，是十分重要的部件，但也是最易損壞的部位之一，因此必須定期對輪對進行無損檢測。本文給出一種檢測輪對損傷情況的方法。

當車輪運行到探頭所在位置，就會觸發超聲換能器在輪內激發超聲，并以表面波的形式沿車輪表面雙向高速傳播，如圖2所示。在其傳播過程中，若車輪存在裂紋、剝離等缺陷，超聲波就會被部分反射，沿表面回到探頭；其余超聲波繼續沿車輪表面傳播，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。這樣就會產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

輪輞是轉向架的關鍵部分，與輪輻共同組成車輪，因而也是軌道交通中重點檢測的部件。根據裂紋方向，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：裂紋位于輪輞內部且平行于車軸。

由于輪輞結構較為復雜，曲面較多，因此常采用相控陣超聲探頭以擴大檢測范圍，這樣只需從車輪踏面和輪緣內側兩處進行探查，提高了檢測效率。同時相控陣超聲探頭帶有的聚焦功能，有利于獲取更詳細的缺陷信息。

3.3 焊接方面

焊接可連接金屬、合金和其他熱塑性材料，是工業中的基本工藝。但由于技術水平限制和作業環境的多變，產品中常常有各種缺陷，它們在超聲檢測中的回波各有特點，生產檢測中可以據此加以區分，下面便一一介紹。

氣孔：氣孔是指在焊接過程中，焊接處吸收的過量氣體在冷卻凝固時來不及逸出而殘留在焊縫附近形成的空穴。在示波器上，單個氣孔的波形較為穩定，但稍移動探頭就會消失；密集氣孔的波形為一簇反射波，各個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的局部破裂。來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的熔渣或多余夾雜物稱為夾渣。點狀夾渣的回波與單個氣孔相似；條狀夾渣的回波多呈鋸齒狀，由于形狀不規則，從各個方向探測，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有很好地熔合。其反射波的特征是：探頭平移時，波形較穩定；分別從兩邊探測時得到的波形一般不同。

4 超聲檢測技術的進展

為了適應新型工藝場景在線檢測需求與檢測精度要求，需要不同的超聲產生方式與超聲傳導方式等。近年來不斷有新的超聲檢測技術被提出，下文將主要介紹三種新型超聲檢測技術。

4.1 激光超聲檢測技術

4.1.1 激光超聲檢測的原理

激光激勵超聲波的機理一般分為熱彈效應和溶蝕機制兩種。

熱彈效應：基本原理為用較低功率的激光照射待檢測物件，物件內電子吸收能量從基態躍遷到較高能級，再通過輻射躍遷，此過程中會產生超聲波。

溶蝕機制：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熔點，物件表面就會有小部分材料高速噴出，這會給物件一個反作用力，相當于向其內部發射壓縮脈沖，從而產生超聲波。

激光超聲技術無需與待檢測物件接觸，因而能實現大面積快速檢測；激光的頻率極高，因而其波長只有幾微米，加之激光超聲脈沖寬度可達納秒級，所以有很高的精度；還可以在一次激發中產生多種模式的超聲波，并方便聚焦，適用于大型復雜結構。

4.1.2 激光超聲檢測的應用

目前，激光超聲檢測被廣泛應用于復雜工件和材料特性的實時檢測，還用于超聲掃描成像，如生物醫學中得到生物組織影像等。空客、達索等公司已使用激光超聲對在役飛機進行快速檢測。

4.2 相控陣超聲檢測技術

4.2.1 相控陣超聲檢測的原理

相控陣超聲技術原理較為復雜。相控陣探頭由多個壓電陶瓷晶片組成，它們根據固定的相對位置排列。工作時，控制系統按特定的順序和時間間隔激勵各個晶片，晶片產生的超聲波相互干渉、疊加，形成一個“合波”。接收時，根據回波到達各個接收點的時差對各回波信號實行延時補償，再相互疊加，在示波器上得到準確的回波。

相控陣超聲技術可以實現聲波的偏轉和聚焦。

偏轉：各壓電陶瓷晶片沿某一方向逐一被激勵，各個晶片產生的超聲就會有一定時差，從而改變合波方向，實現超聲波的偏轉。

聚焦：各壓電陶瓷晶片按從兩側到中間的順序被依次激勵，從而使各超聲波同時到達設定的焦點，以實現超聲波的聚焦。

相控陣超聲可以通過偏轉定點調節探傷角度，在復雜結構的檢測中獨具優勢，對形狀規則的物件也可以提高檢測效率；確定缺陷大致位置后，可通過聚焦提高探測的精準度，以獲取缺陷詳細信息。

4.2.2 相控陣超聲檢測的應用

目前國內相控陣超聲技術主要應用于航空航天領域中復雜工件的檢測。國外的應用較廣，GE，Ultran，QMI等公司研制的相控陣超聲檢測儀已被用于工業各個領域的無損檢測。

4.3 空氣耦合超聲檢測技術

4.3.1 超聲檢測空氣耦合超聲檢測的原理

空氣耦合超聲檢測技術產生超聲波的原理與傳統超聲檢測相同，二者區別在于前者通過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，從而實現了直接透過空氣發射超聲脈沖，因而有明顯的優勢：無需專用耦合劑，減少對工件的污染；原理簡單、實施方便，適合大型器件的在線檢測；適用于高溫等復雜環境。缺點是回波信號弱，信噪比低。

4.3.2 空氣耦合超聲的難點與解決

該技術的主要難點在于如何處理壓電陶瓷與空氣、空氣與待測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重（如表1），導致回波信號弱、信噪比低。

目前解決此問題主要有三類方法，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換能器增加了匹配層，壓電陶瓷也由壓電復合材料代替。匹配層常用的材料有環氧樹脂、硅橡膠、聚二氟乙烯等，可以使超聲波的衰減降低30dB以上。壓電復合材料由壓電陶瓷與高分子填充材料（如環氧樹脂、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 空氣耦合超聲的應用

此技術主要應用于對航空航天復合材料、陶瓷材料、鋰電池內部缺陷、剎車墊和剎車盤使用情況等的檢測。空客公司已使用空氣耦合超聲技術檢測其蜂窩夾芯等部件。

5 超聲檢測技術的發展趨勢

為適應新型工業越來越復雜的要求，總結近幾年的發展，發現超聲檢測技術呈現出以下幾個發展趨勢：

超聲檢測儀數字化。計算機控制系統可以方便準確地發射、接受信號；通過算法自動濾噪和校正；運用信號處理法分析回波信號、計算波形等。

超聲檢測自動化。人工智能的發展使自動探傷成為可能。全自動化探傷裝置不僅可以長期無疲勞地工作，更能提高檢測精度，已成為工業生產重點發展方向。

由簡單地檢測向綜合評價發展。即：（1）對缺陷進行全面評價，包括形成原因、危害和如何修復等；（2）從對缺陷的檢測擴展到對材料特性（彈性、導電性等）的綜合評定。

檢測裝置微型、便攜化。微機電系統、大規模集成電路及新型材料的出現縮小了超聲檢測裝置體積，使其更加便攜、智能。

6 結語

超聲檢測作為重要的無損檢測方式，隨著其技術水平提升，必將在更多工業領域發揮作用。未來超聲檢測技術將更多與新興技術（如人工智能、虛擬現實等）融合，向高速、高精度、檢測與評價結合、智能化檢測的方向發展。

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