先進(jìn)成形與智能技術(shù) 課件 7.3 超聲檢測技術(shù)

7.3超聲檢測技術(shù)基礎(chǔ)理論戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS7.3.1.超聲波的基本性質(zhì)7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法7.3.3.超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用案例人耳所能聽見的聲波頻率范圍一般被認(rèn)為是20Hz至20kHz，頻率在此范圍內(nèi)的聲波稱為可聞聲波。這些聲波包括大多數(shù)音樂和語音等聲音。而頻率高于20kHz的聲波則被定義為超聲波，常用于醫(yī)療和工業(yè)檢測等領(lǐng)域；而頻率低于20Hz的聲波被稱為次聲波，通常無法被人耳聽到，但在某些情況下具有重要的應(yīng)用價(jià)值，比如地震監(jiān)測和動(dòng)物交流。7.3.1.超聲波的基本性質(zhì)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1良好的方向性1234能量高界面反射、折射和波型轉(zhuǎn)換穿透能力強(qiáng)超聲波特性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2超聲波的應(yīng)用可用于加工硬度特別高的材料，如紅寶石、金剛石、陶瓷和石英玻璃等機(jī)械加工可應(yīng)用于焊接難以焊接的金屬，如鈦、釷等7.3.1

超聲波的基本性質(zhì)焊接清洗化學(xué)工業(yè)醫(yī)學(xué)可以清洗電子零件、光學(xué)器件、醫(yī)療器械等可作為催化劑，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行可利用超聲波進(jìn)行診斷、消毒等超聲波按振動(dòng)模式、波形和持續(xù)時(shí)間分類，適用于多種應(yīng)用場景。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造3超聲波的分類7.2.1計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)13根據(jù)波形分類可將超聲波分為：平面波、球面波和柱面波根據(jù)振源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類，根據(jù)波源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，可以把超聲波劃分為連續(xù)波和脈沖波根據(jù)振動(dòng)模式和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向之間的關(guān)系進(jìn)行分類，包括縱波、橫波、表面波、板波、爬波和導(dǎo)波等類型2戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造4超聲波的聲速、聲壓及聲強(qiáng)7.3.1.超聲波的基本性質(zhì)聲壓是指由于聲振動(dòng)使聲場中的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到的附加壓力的強(qiáng)度。它用某一時(shí)刻某一點(diǎn)的壓強(qiáng)與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差來表示，，即：

由波動(dòng)方程得到質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度為：

聲強(qiáng)是指聲波傳播的能流密度pu在一個(gè)周期T內(nèi)的平均值，即在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳播方向上單位面積的聲能，常用字母I表示。聲強(qiáng)的常用單位是或。用數(shù)學(xué)公式表示為：

式中pu——垂直通過單位面積的瞬時(shí)功率，即能流密度。超聲波的聲速是指超聲波在單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離，通常稱為傳播速度，用符號(hào)C表示。它是描述聲波現(xiàn)象或聲學(xué)研究的重要參數(shù)之一。超聲波的聲速與介質(zhì)的彈性模量、介質(zhì)的密度、超聲波的波形、溫度、壓力以及介質(zhì)的均勻性等有關(guān)超聲檢測（UltrasonicTesting，UT）是一種非破壞性檢測技術(shù)，利用超聲波與工件之間的相互作用來分析工件內(nèi)部的特性。通過對(duì)超聲波在物體內(nèi)部的反射、透射和散射現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，技術(shù)人員能夠檢測和評(píng)估工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面缺陷。超聲檢測不僅可以有效識(shí)別宏觀缺陷，如裂紋和氣孔，還能用于測量工件的幾何特性，分析材料的組織結(jié)構(gòu)，評(píng)估材料的力學(xué)性能變化戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造57.3.2.1超聲檢測的基本原理和應(yīng)用7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造67.3.2.1超聲檢測的基本原理和應(yīng)用7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法

該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、兵器制造、造船、特種設(shè)備、機(jī)械、電力、冶金、化工、礦業(yè)、建筑和交通等工業(yè)領(lǐng)域，以及科學(xué)研究和醫(yī)療領(lǐng)域。超聲檢測可以測量材料的聲速、聲衰減、厚度、應(yīng)力和硬度等參數(shù)，還可以檢測液體的濃度、密度、黏度、流速、流量和液位。此外，它還能用于地層斷裂、空洞測量、巖石空隙率和含水量的檢測等。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造77.3.2.2超聲檢測的優(yōu)點(diǎn)7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法成本低操作簡便技術(shù)靈活設(shè)備輕便

超聲檢測能夠檢測較大厚度的工件，對(duì)人和環(huán)境無害，并對(duì)內(nèi)部和表面缺陷高度敏感。特別是對(duì)于焊接中的裂紋和未熔合等危害性較大的面積型缺陷，超聲檢測具有較高的靈敏度。此外，超聲檢測能夠定量確定缺陷在工件中的深度，通常只需在工件的一側(cè)即可進(jìn)行檢測。它可以實(shí)時(shí)提供檢測結(jié)果，除了探傷外，還能進(jìn)行材料特性的測定，并且在役檢測也十分方便。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造87.3.2.2超聲檢測的局限性7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法缺陷判定不直觀難以確定缺陷的密度、大小及類型對(duì)檢測人員的技能和經(jīng)驗(yàn)要求很高

超聲檢測很難檢測粗晶材料、表面過于粗糙、形狀不規(guī)則、檢測對(duì)象過小或過薄以及非同質(zhì)材料。平行于聲束的線狀缺陷也難以檢測。設(shè)備和缺陷均需依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定。在工程實(shí)踐中，超聲檢測通常與射線檢測配合使用，以提高檢測效率和結(jié)果的可靠性。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造97.3.2.3

超聲波檢測方法7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法

應(yīng)用共振現(xiàn)象對(duì)試件進(jìn)行檢測的方法叫共振法。探頭把超聲波輻射到試件后，通過連續(xù)調(diào)整聲波的頻率以改變其波長，當(dāng)試件的厚度為聲波半波長的整數(shù)倍時(shí)，則在試件中產(chǎn)生駐波，且駐波的波腹正好落在試件的表面上。用共振法測厚時(shí)，在測得超聲波的頻率和共振次數(shù)后，可用下式計(jì)算試件的厚度：式中c為超聲波在試件中的傳播速度；為波長。

當(dāng)在試件中有較大缺陷或壁厚改變時(shí)，將使共振點(diǎn)偏移乃至共振現(xiàn)象消失，所以共振法常用于壁厚的測量，以及復(fù)合材料的膠合質(zhì)量、板材點(diǎn)焊質(zhì)量、均勻腐蝕和金屬板材內(nèi)部夾層等缺陷的超聲檢測。（1）共振法

透射法又叫穿透法，是最早采用的一種超聲檢測技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造107.3.2.3

超聲波檢測方法7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法（2）透射法（a）連續(xù)皺穿透法（b）脈沖波穿透法1-脈沖波高頻發(fā)生器；2-發(fā)射探頭；3-工件；4-缺陷；5-接收探頭；6-探頭器；7-顯示屏；8-耦合劑戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造117.3.2.3

超聲波檢測方法7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法

透射法是將發(fā)射探頭和接收探頭分別置于試件的兩個(gè)相對(duì)面上，根據(jù)超聲波穿透試件后的能量變化情況，來判斷試件內(nèi)部質(zhì)量的方法。如試件內(nèi)無缺陷，聲波穿透后衰減小，則接收信號(hào)較強(qiáng)；如試件內(nèi)有小缺陷，聲波在傳播過程中部分被缺陷遮擋，使之在缺陷后形成陰影，接受探頭只能收到較弱的信號(hào)；若試件中缺陷面積大于聲束截面時(shí)，全部聲束被缺陷遮擋，接收探頭則收不到發(fā)射信號(hào)

值得指出的是，超聲信號(hào)的減弱既與缺陷尺寸有關(guān)，還與探頭的超聲特性有關(guān)。此方法除超聲信號(hào)是衰減而不是增加外，與分貝降低法十分相似。透射法簡單易懂，便于實(shí)施，不需考慮反射脈沖幅度，而且裂紋的遮蔽作用不受缺陷粗糙度或缺陷方位等因素的影響。（2）透射法戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造127.3.2.3

超聲波檢測方法7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法

透射法優(yōu)點(diǎn)：透射法是根據(jù)缺陷遮擋聲束而導(dǎo)致聲能變化來判斷缺陷有無和大小的。當(dāng)缺陷尺寸大于探頭波束寬度時(shí)，該方法測得的裂紋尺寸的精度高于2mm。在試件中聲波只做單向傳播，適合檢測高衰減的材料。當(dāng)選擇好耦合劑后，特別適用于單一產(chǎn)品大批量加工制造過程中的機(jī)械化自動(dòng)檢測；在探頭與試件相對(duì)位置布置得當(dāng)后，即可進(jìn)行檢測，在試件中幾乎不存在盲區(qū)（2）透射法

透射法缺點(diǎn)：一對(duì)探頭單收單發(fā)的情況下，只能判斷缺陷的有無和大小，不能確定缺陷的方位；當(dāng)缺陷尺寸小于探頭波束寬度時(shí)，該方法的探測靈敏度低。若用探傷儀上透射波高低來評(píng)價(jià)缺陷的大小，則僅當(dāng)透射聲壓變化20%以上時(shí)，才能將超聲信號(hào)的變化進(jìn)行有效的區(qū)分。若用數(shù)據(jù)采集器采集超聲波信號(hào)，并借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，則可大大提高探測靈敏度和精度。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造137.3.2.3

超聲波檢測方法7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法（3）脈沖反射法直接接觸脈沖反射法

脈沖反射法是應(yīng)用最廣泛的一種超聲檢測方法。在實(shí)際檢測中直接接觸式脈沖反射法最為常用A-一次；B-多次1-操頭；2-缺陷；3-工件；4-顯示屏該法按照檢測時(shí)所使用的波的類型大致可分為：縱波法、橫波法、表面波法、板波法。在某些特殊情況下，有的是用兩個(gè)探頭來進(jìn)行的，有的則必須在液浸的情況下才能進(jìn)行檢測。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造147.3.2.3

超聲波檢測方法7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法

脈沖反射法是利用超聲波脈沖在試件內(nèi)傳播的過程中，遇有聲阻抗相差較大的兩種介質(zhì)的界面時(shí)，將發(fā)生反射的原理進(jìn)行檢測的方法。采用一個(gè)探頭兼做發(fā)射和接收器件，接收信號(hào)在探傷儀的熒光屏上顯示，并根據(jù)缺陷及底面反射波的有無、大小及其在時(shí)基軸上的位置來判斷缺陷的有無、大小及其方位。（3）脈沖反射法戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造167.3.2.3

超聲波檢測方法7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法

脈沖反射法的優(yōu)點(diǎn)包括檢測靈敏度高，能發(fā)現(xiàn)較小缺陷；經(jīng)過調(diào)整后可實(shí)現(xiàn)較高精度；適用范圍廣，易于操作和實(shí)施。其缺點(diǎn)則為單探頭檢測存在盲區(qū)，無法有效檢測薄壁試件和近表面缺陷，缺陷波大小與缺陷取向相關(guān)，且對(duì)高衰減材料不適用。直接接觸脈沖反射法依賴探頭與試件的接觸質(zhì)量，需使用耦合劑以優(yōu)化聲耦合效果。該法包括縱波、橫波、表面波和板波，其中縱波法應(yīng)用最廣。（3）脈沖反射法戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造177.3.2.3

超聲波檢測方法7.3.2.超聲檢測的特點(diǎn)和方法

液浸法是在探頭與試件之間填充一定厚度的液體介質(zhì)作耦合劑，使聲波首先經(jīng)過液體耦合劑，而后再人射到試件中去，探頭與試件并不直接接觸，從而克服了直接接觸法的上述缺點(diǎn)。液浸法中，探頭角度可任意調(diào)整，聲波的發(fā)射、接收也比較穩(wěn)定，便于實(shí)現(xiàn)檢測自動(dòng)化，大大提高了檢測速度。缺點(diǎn)是當(dāng)耦合層較厚時(shí)，聲能損失較大。另外，自動(dòng)化檢測還需要相應(yīng)的輔助設(shè)備，有時(shí)是復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備它們對(duì)單一產(chǎn)品（或幾種產(chǎn)品）往往具有很高的檢測能力，但缺乏靈活性。總之，其與直接接觸法相比，各有利弊，應(yīng)根據(jù)被檢對(duì)象的具體情況選用不同的方法。（4）液浸法第7章先進(jìn)成形智能檢測技術(shù)7.3.3.超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用案例

戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造18基于深度學(xué)習(xí)的航空機(jī)匣環(huán)件超聲全聚焦缺陷檢測技術(shù)基于超聲平面波全聚焦的管座角焊縫缺陷檢測技術(shù)2

基于激光超聲的波紋復(fù)合板界面缺陷在線檢測技術(shù)137.3.3.超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用案例1.基于深度學(xué)習(xí)的航空機(jī)匣環(huán)件超聲全聚焦缺陷檢測技術(shù)

戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造19

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣環(huán)件的制造過程中可能出現(xiàn)折疊、孔洞和裂紋等缺陷，這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響零件的安全與壽命。武漢理工大學(xué)華林團(tuán)隊(duì)提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的超聲全聚焦缺陷檢測技術(shù)，利用水浸超聲相控陣檢測系統(tǒng)，結(jié)合YOLOX-S深度學(xué)習(xí)模型，在檢測過程中實(shí)現(xiàn)孔洞、裂紋及密集型孔的高精度識(shí)別。該方法平均識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99.17%，顯著提升了檢測效率與準(zhǔn)確性。7.3.3.超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用案例2.

基于超聲平面波全聚焦的管座角焊縫缺陷檢測技術(shù)

戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造22管座角焊縫廣泛應(yīng)用于電站鍋爐及油氣管道，易產(chǎn)生缺陷，亟需超聲無損檢測。浙江大學(xué)金浩然團(tuán)隊(duì)提出了一種超聲平面波全聚焦成像方法，從接管端進(jìn)行多模態(tài)融合檢測。通過聲場解析模型獲得靈敏度圖像，發(fā)射特定角度的平面聲波并采集回波數(shù)據(jù)，處理生成高分辨率的融合成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法能清晰呈現(xiàn)氣孔、裂紋、未焊透等缺陷，定位誤差小于0.59mm，定位精準(zhǔn)，為接管焊縫檢測提供了新的技術(shù)方案。7