2.4　超聲探傷原理及結(jié)構(gòu)

2.4.1　超聲探傷的工作原理

將完好工件視為連續(xù)的、均勻的、各向同性的彈性傳聲介質(zhì)。當(dāng)超聲波在這種介質(zhì)中傳播時(shí)，遵循既定的聲學(xué)規(guī)律。

當(dāng)聲波在傳播中遇到不連續(xù)的部位時(shí)，由于其與工件本身在聲學(xué)特性上的差異，導(dǎo)致聲波的正常傳播受到干擾，或阻礙其正常傳播，或發(fā)生反射或折射。

工件或材料中超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不連續(xù)部位，就是缺陷或傷。采用相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)，將非電量的機(jī)械缺陷轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并找出二者的內(nèi)在關(guān)系，據(jù)以判斷和評(píng)價(jià)工件質(zhì)量，這就是超聲探傷的工作原理。超聲波探傷儀如圖2-7所示。

2.4.2　超聲波探頭

2.4.2.1　原理

在超聲波檢測(cè)技術(shù)中主要是利用它的反射、折射、衰減等物理性質(zhì)。不管哪一種超聲波儀器，都必須把超聲波發(fā)射出去，然后再把超聲波接收回來，變換成電信號(hào)。完成發(fā)射部分和接收部分工作的裝置均稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波探頭有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。在檢測(cè)技術(shù)中最常用的是壓電式。在壓電式超聲波換能器中，最常用的壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷。壓電晶體如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電陶瓷有改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛。

2.4.2.2　結(jié)構(gòu)

超聲波探頭是超聲波儀器的重要結(jié)構(gòu)，由以下四部分組成，如圖2-8所示。

2.4.2.3　超聲波探頭的作用

超聲波探頭用于實(shí)現(xiàn)聲能和電能的互相轉(zhuǎn)換。它是利用壓電晶體的正、逆壓電效應(yīng)進(jìn)行換能的。探頭是組成檢測(cè)系統(tǒng)的最重要的組件，其性能的好壞直接影響超聲檢測(cè)的效果。

超聲波探頭通過壓電效應(yīng)發(fā)射、接收超聲波。

640V的交變電壓加至壓電晶片銀層，使面積相同、間隔一定距離的兩塊金屬極板分別帶上等量異種電荷形成電場(chǎng)，有電場(chǎng)就存在電場(chǎng)力，壓電晶片處在電場(chǎng)中，在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生形變。在交變電場(chǎng)力的作用下發(fā)生變形的效應(yīng)，稱為逆壓電效應(yīng)，也是發(fā)射超聲波的過程。

超聲波是機(jī)械波，機(jī)械波是由振動(dòng)產(chǎn)生的，超聲波發(fā)現(xiàn)缺陷引起缺陷振動(dòng)，其中一部分沿原路返回。由于超聲波具有一定的能量，再作用到壓電晶體上，使壓電晶體在交變拉、壓力作用下產(chǎn)生交變電場(chǎng)，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)，是接收超聲波的過程。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。

2.4.2.4　常用超聲波探頭的類型

超聲波檢測(cè)中由于被探測(cè)工件的形狀和材質(zhì)、探測(cè)的目的、探測(cè)的條件不同，因而要使用各種不同形式的探頭。其中最常用的是接觸式縱波直探頭、接觸式橫波斜探頭、雙晶探頭、水浸探頭與聚焦探頭等。一般橫波斜探頭的晶片為方形，縱波直探頭的晶片為圓形，而聚焦聲源的圓形晶片為聲透鏡。所以聲場(chǎng)就有圓盤源聲場(chǎng)、聚焦聲源聲場(chǎng)和斜探頭發(fā)射的橫波聲場(chǎng)。圖2-9為一組探頭的圖片。

直探頭（超聲波傳感器）發(fā)射的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)，按距離遠(yuǎn)近分外近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)能量強(qiáng)，探頭中間部位能量比邊部能量集中，檢測(cè)效果較好。

2.4.3　試塊與耦合劑

與一般的測(cè)量過程一樣，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與重復(fù)性、可比性，必須用一個(gè)具有已知固定特性的試樣（試塊）對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。這種按一定的用途設(shè)計(jì)制作的、均具有簡(jiǎn)單形狀人工反射體的試件即稱為試塊。超聲檢測(cè)用試塊通常分為兩種類型，即標(biāo)準(zhǔn)試塊（校準(zhǔn)試塊）和對(duì)比試塊（參考試塊）。

當(dāng)探頭和試件之間有一層空氣時(shí)，超聲波的反射率幾乎為100%，即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入試件。因此，排除探頭和試件之間的空氣非常重要。耦合劑就是為了改善探頭和試件間聲能的傳遞而加在探頭和檢測(cè)面之間的液體薄層。耦合劑可以填充探頭與試件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入試件，這是使用耦合劑的主要目的。除此之外，耦合劑有潤(rùn)滑作用，可以減少探頭和試件之間的摩擦，防止試件表面磨損探頭，并使探頭便于移動(dòng)。在液浸法檢測(cè)中，通過液體實(shí)現(xiàn)耦合，此時(shí)液體也是耦合劑。常用的耦合劑有水、甘油、變壓器油、化學(xué)糨糊等。