超声波进行材料的无损检测

超声波是一种机械振动，其范围大于人耳通过物理介质传播的振动范围，并借助为此目的而创建的设备以赫兹为单位进行定向，记录和测量。

声音范围：

次声= 1-16 Hz声或听= 16 Hz至20 KHz超声= 20 KHz起

对于金属材料的超声测试，频率为0.2至25 MHz。

无损超声检查

§ 原则

声阻抗是材料抵抗超声波通过的阻力，声波等于声波，粒子之间的能量传递促进了振荡，振荡次数取决于所讨论的波的类型。它们在所有物质（原子或能够振动的分子）中的所有弹性介质中传播，振动取决于颗粒的分离。

§应用

不连续性的检测和表征厚度，延伸和腐蚀程度的测量物理特性的确定材料之间结合的特性。

§优势

测试可以更快地获得即时结果，确定内部不连续位置的准确性更高。估计其尺寸，方向和性质高灵敏度以检测小的不连续点高穿透能力，可在材料的深处定位不连续点良好的分辨率，可区分两个彼此接近的不连续点需要检查它不需要特殊的安全条件。

§局限性

使用手动方法时检查速度低需要具有良好技术准备和丰富经验的人员难以检查具有复杂几何形状，非常薄的厚度或不规则构造的零件难以检测或评估表面上的近表面不连续性引入超声波，需要校准和参考标准，受材料结构的影响（粒度，材料类型）设备成本高需要偶联剂。

§物理原理

幅度（A）.-它是粒子从零位置开始的最大位移。频率（F） -定义为每单位时间重复事件（周期）发生的次数。它的联合赫兹。波长（l ）.-它是完整波所占的距离，等于该波在每个周期内移动的距离。传播速度或声速（V）.-它是声能通过介质传播的速度。声阻抗（Z）.-它是材料对超声波振动的抵抗力。它是最大振动速度和材料密度的乘积。

波浪类型

纵向波。-粒子的位移与超声波的传播平行。横向波。-粒子的位移与超声波束的方向垂直。表面波。-它们在材料表面上移动并穿透到一个波长的最大深度。

在超声系统中必须控制的主要参数是：

敏感度。这是换能器检测小的不连续性的能力。

解决方法。可以在时间或深度上分离两个附近的信号。

中心频率。换能器应在其指定的频率范围内使用，以实现最佳应用。

光束衰减。它是穿过材料时超声波能量的损失。主要原因是分散和吸收。

换能器

它是将电能转换为机械能（声波）或反之亦然的方法。它的工作是由于压电效应，即某些晶体在受力时会极化，并在相对的表面之间产生电压。这是可逆的，即当在晶体的表面上施加电压时，会发生晶体的变形。这种微观效应是由某些晶体的对称性引起的。

压电材料

石英。它是从天然晶体获得的。它具有出色的热，化学和电稳定性能。它非常坚硬，耐磨损和耐老化。不幸的是，它在转换模式下受到干扰，并且是声能发生器效率最低的。在低频下处理时需要高压。它必须在低于550°C的温度下使用，因为在此温度以上会失去压电性能。

硫酸锂。这种材料被认为是最有效的受体之一。它的主要优点是易于获得最佳的声学阻尼，从而提高了分辨能力，不会老化，并且几乎不受转换模式干扰的影响。它的缺点是非常脆弱，易溶于水，必须在低于75°C的温度下使用。

偏光陶瓷。它们是通过烧结获得的，并在制造过程中被极化。当在低激励电压下运行时，它们被认为是最高效的超声波发生器。它们实际上不受湿度的影响，有些可以在300°C的温度下使用。它们的主要局限性是：相对较低的机械阻力，在某些情况下转换模式存在干扰，它们趋于老化。它们还比石英具有更低的硬度和耐磨性。

探针中用作传感器的材料的特性

材料	发射机效率	接收效率	灵敏度	分辨力	机械特性
石英	坏	中位数	有限	最佳	好
硫酸锂	中位数	好	好	最佳	易溶于水
钛酸钡	好	中位数	最佳	中位数	脆弱
甲基苯甲酸钡	好	中位数	最佳	最佳	好
钛酸铅锆石	好	中位数	最佳	中位数	好

换能器的选择

水晶课。通过选择每种类型的晶体，可以改变传感器的分辨能力和灵敏度。晶体的直径越大，穿透的深度越大，近场中的长度越大，并且发散越小。通过选择较高的频率，获得更大的可能性来识别较小的不连续性，较大的近场长度，较大的分辨能力，较小的穿透深度和最小的发散角。

压电材料

材料	优点	缺点
石英	从天然晶体获得。具有优良的热，化学和电稳定性能。 *非常坚硬，耐磨损和耐老化。	遭受转换模式的干扰它是声发电机中效率最低的。在低频下处理时需要高压。它应在低于550°C的温度下使用，因为在此之上它会失去压电性能。
硫酸锂	更高效的接收器。易于获得最佳的声音阻尼。更好的分辨能力。不会变老。 *在转换模式下受干扰影响很小。	非常脆弱溶于水 *应在低于75°C的温度下使用。
偏光陶瓷	它们是通过烧结获得的，并在制造过程中被极化。在低激励电压下工作时，它们被认为是最高效的超声波发生器。它们实际上不受湿度的影响有些可以在300°C的温度下使用。	相对较低的机械阻力，在某些情况下，转换模式会产生干扰。它们有老化的趋势。它们的硬度和耐磨性也比石英低。
钛酸钡	*由于其高压电模量，它是一个良好的发射极。	耦合和阻尼问题。由于其低机械电阻和高声阻抗，其使用仅限于15 MHz以下的频率。介绍各种振动模式之间的相互作用。其居里点温度为115-150°C。
甲基苯甲酸钡	它提供了一种高压电模块，可以使其成为良好的发射器。与石英类似，它具有出色的热稳定性，可在高温下使用。 *内部阻尼系数高，因此被认为是产生短脉冲的最佳材料。	它具有较低的基频和较差的机械阻力，因此主要用于高频。它展示了各种振动模式之间的相互作用。
锆酸铅钛酸盐	由于其高压电模量，它被认为是最好的发射器。	但是，由于其高变形系数，因此最难阻尼。如果存在渗透问题，建议使用它。

探针类型

接触探针。通过施加压力和耦合介质将其直接放置在测试表面上。它是为直光束检查而制造的。为了保护换能器免于磨损，换能器上覆盖有硬质材料，例如氧化铝。

直梁测针。它发射的纵波频率为0.5到10 MHz。通常用于检查可以将测试单元直接放置在感兴趣区域上的零件，不连续点平行于接触表面。在检测不连续性和测量厚度时也很有用。

角入射探头。产生剪切波，表面波和板波。它是通过将直光束单元耦合到塑料靴的其中一个面（具有一定的折射角）而制成的。它用于脉冲回波设备，其应用几乎专门用于检测垂直于测试表面的不连续性。

角度探头的类型。根据鞋子的大小，频率，形状，类型和互换性。在鞋上标出了测试材料内声音的折射角，钢材的商业角为35、45、60、70、80、90度。

耦合

由于用于金属材料的频率不会在空气中传输，因此或多或少的粘性液体被用来允许波从换能器传递到被检查的工件。

耦合液特性：

（能够润湿表面和触控笔）足够的粘度，低衰减。（100％的声音传输）低成本无毒无腐蚀性足够的声阻抗

耦合剂的类型：

水油脂肪甘油凡士林

反射

撞击声界面时反射的超声波能量。

反射定律。反射波的角度等于相同物种的入射波的角度。

参考

这是在超声波束从一种介质传递到另一种介质时执行的，该介质的速度彼此不同，并且相对于入射方向改变了方向。

折射定律。接近两种介质的分离面法线的折射波方向的变化取决于第二种介质中声音的速度小于或大于第一种介质中的声音速度。

V ₁ =介质1的速度a =入射角

V ₂ =介质的速度2 q =折射角

示波器的特性

玻璃的纵向光束探头

直接接触检查方法

校准块

参考标准可以是一块或一组具有已知人为间断和/或厚度的块。用于校准超声设备和评估被检查样品中不连续的迹象

校准块必须具有与要检查的材料相同的物理，化学和结构特性。

通过校准块，您可以：

验证由传感器，同轴电缆和设备组成的系统是否正常工作，设置增益或灵敏度，以检测等于或大于指定尺寸的不连续性。

注释

超声波测试是在不适当的操作条件下进行的，这可能会改变我们的测量精度和准确性。有必要开展一些活动，以便在实践发展过程中纠正或修改缺陷。其中一些是：

有一个适当的实验室来进行测试，因为我们知道不同的材料会根据发现它们的环境改变其物理，化学或机械性能。

由于您没有执行测试所需的所有必要元素，因此请拥有必要的设备和材料。作为一种特殊情况，我们将提到偶合剂（油）直接从装有它的容器中取出并用手指涂抹，因为没有油罐。值得一提的是，这可能会污染将要进行超声测试的零件。

由于示波器的特性，无法充分观察学生的练习分布，因为由于示波器的特性，无法观察到实际操作以及示波器生成的图形。

结论

随着这种做法的发展，可以观察到以下几点：

通过发出高频声音来研究有关超声波无损检测的所有必要理论信息，这些声音通过示波器的屏幕指示出我们材料的缺陷。可以物理地观察到我们“试管”的超声波，这是进行测试的步骤。同样，我们的试管所出现的缺陷也得以确定，能够确定其所处的距离，并从物理上观察到执行超声测试所需的设备是：电源，示波器，探头，耦合器和还进行了相关计算以确定以下参数：波长，发散角，还观察到，如果频率增加，则分辨力会降低，背景回波的死区会减少，超声测试的材料必须是规则形状且无孔的材料。。另一方面，我们发现铁和非铁材料均可进行此测试。超声波测试使我们能够定位内部缺陷，例如：气孔，裂纹，磁阻，焊接缺陷等。一些优点该测试的特征是：它可用于任何类型的材料中，可获得纸质记录，可确定内部和地下缺陷。其缺点包括：它要求合格的人员，由于执行设备的类型需要较高的初始成本证据。

参考书目