徐海洋超声波检测技术学习笔记(五)

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徐海洋超声波检测技术学习笔记（五)

超声检测中薄层界面的反射与透射理论

• 薄层界面声学特性是超声检测的理论基础，耦合剂层厚度直接影响灵敏度与信噪比

💡 核心观点：

• 现有部分标准试块与检测方法存在缺陷，需依据理论进行优化与改进

• 声压往复透射率是评估材料可探性与检测灵敏度的重要指标

薄层界面声学特性

均匀介质薄层

• 薄层两侧介质  声阻抗相等，薄层厚度为半波长整数倍时超声波 全透射 ，几乎无反射此厚度称为 半波厚层。

非均匀介质薄层

• 薄层两侧介质  声阻抗不相等，薄层厚度为 1/4波长奇数倍时声压透射率  最低 ，反射率 最高。

耦合剂层厚度影响

• 耦合剂层越薄，检测灵敏度  越高，以机油为例，厚度 <0.18mm 时灵敏度高

实际检测案例分析

声压往复透射率

定义与公式

• 回波声压与入射声压之比，公式为 4*Z1*Z2/(Z1+Z2)²与耦合剂层无关，与界面两侧 阻抗 有关。

对检测的影响

• 直接影响超声  可探性  与检测灵敏度，界面两侧声阻抗相差越小 ，透射率越高，透射率高则底波反射次数多，灵敏度高。

应用案例

• 筒形锻件用不同频率探头检测，频率越低，底波出现次数可能越多底波次数少说明锻件声压往复透射率不合格。

• 薄层界面的反射率与透射率

• 声压反射率与透射率公式：声压反射率与透射率不仅与介质声阻抗有关，还与离子薄层厚度及其波长之比有关，给出了相应公式，且公式中的 m、k、λr 为已知数。

• 特殊情况分析

• 半波厚层：当耦合剂厚度等于耦合剂波长 1/2 的整数倍时，声压反射率约为 0，透射率约为 1，超声波全透射，此为半波厚层。

• 1/4 波长奇数倍：当耦合剂厚度等于耦合剂波长 1/4 的奇数倍时，声压透射率最低，反射率最高。

• 常见薄层界面：超声检测常遇到耦合剂和缺陷等薄层界面，如钢板锻件中的分层缺陷、耦合剂层等，超声波在这些薄层界面会发生反射和透射。

• 不同介质界面情况：超声波通过由不同声阻抗物质组成的界面，如纵波子弹头的刚玉保护膜（Z1）、耦合剂层（Z2）和被检工件（Z3），其反射和透射情况与单一平界面不同。

• 超声检测中的薄层界面

• 均匀介质中的离子包层

• 钢中气隙情况

• 声压透射率与反射率：对于钢中气隙，当缝隙厚度在 10⁻⁵ 到 10⁻⁴ 次方兆赫兹毫米时，超声波透射率接近 0，反射率为 100%，超声检测灵敏度高。

• 裂纹缺陷反射回波低原因：实际焊缝探伤中裂纹缺陷反射回波幅度低，原因一是横波检测时与裂纹难垂直，二是裂纹自身高度小，反射面小。

• 频率对检测的影响：随着缝隙厚度与频率乘积（DF）减小，声压反射率下降，透射率升高，可能造成漏检，因此应提高频率以提高微小缺陷检出能力。

• 耦合剂层对超声检测的影响

• 声强透射率公式：当 Z1≠Z2≠Z3 时，薄层声强透射率公式与 Z1、Z2、Z3、π 及 λ2 有关。

• 特殊情况分析

• 1/2 波长整数倍：当耦合介质层厚度等于 1/2 耦合介质波长的整数倍时，声强透射率 t 等于 4 倍的 Z1 乘以 Z3 比上（Z1 + Z3）²，相当于耦合剂包层不存在，超声波声强 100% 透射。

• 1/4 波长奇数倍：当耦合剂层厚度等于 1/4 耦合剂波长的奇数倍，且耦合剂层声阻抗等于根号下 Z1 乘以 Z3 时，声强透射率等于 1，超声波完全透射。

• 厚度小于波长：当耦合剂层厚度小于耦合剂波长时，声强透射率公式趋近于 4 倍的 Z1 乘以 Z3 比上（Z1 + Z3）²，与耦合剂层深度无关。

• 耦合剂的作用：超声探伤使用耦合剂是为排除探头与工件间的空气，保证声能传递效率，形成透声性能良好的耦合层。

• 不同介质界面情况

• 耦合剂层厚度与检测灵敏度

• 厚度与反射回波关系：耦合剂层厚度越厚，反射灵敏度越低；当耦合剂层厚度小于 1/4 耦合剂波长时，反射回波幅度逐渐增加。

• 实例分析：以机油做耦合剂，检测频率为 2 兆赫兹时，耦合剂波长为 0.717 毫米，1/4 波长为 0.18 毫米，耦合剂层厚度小于 0.18 毫米时，检测灵敏度提高。

• 超声检测案例分析

• 检测情况：检测锻件时，检测人员发现缺陷回波后，按领导要求用浸油白布覆盖检测面，缺陷波消失。

• 问题分析：白布的声学性能与机油等耦合剂不同，影响了超声检测，说明包层介质理论未得到正确应用。

• 标准试块问题：现有 GS 系列标准试块无法满足超声耦合要求，试块曲率半径与被检钢管曲率半径误差范围不符合规定，存在耦合误差。

• 改进方案：对 GS 试块进行改进，增加右侧校准面，根据被检钢管曲率半径选择合适的测试面进行扫描基线校准等操作，解决小径管超声检测耦合问题。

• 检测问题：使用纵波双晶斜探头检测奥氏体不锈钢对接接头，检测灵敏度与信噪比无法满足要求。

• 原因分析：探头与钢管表面间隔缝隙大于 0.18 毫米，且探头移动时无法保证两侧间隙恒定，导致耦合剂层厚度变化，影响检测效果。

• 奥氏体不锈钢环形焊接接头检测

• 小径管环形焊接接头检测

• 锻件检测案例

• 声压网图与声压往复透射率

• 声压往复透射率定义：探头发出的超声波透过耦合剂层进入工件，在固体和气体界面全反射后，探头接收到的回波声压 p 与入射声压 P0 之比，称作声压往复透射率。

• 影响因素：声压往复透射率与界面两侧介质的声阻抗有关，与耦合剂层无关，且与从何种介质入射到界面无关。界面两侧介质声阻抗相差越小，声压往复透射率越高。

• 对检测灵敏度的影响：声压往复透射率越高，超声波在被检工件内形成多次反射，检测灵敏度越高；反之则越低。因此，超声检测应使耦合剂声阻抗与被检零件声阻抗尽量相同或相近，以增加耦合透射率。

• 案例分析：检测饼形锻件时，不同频率探头检测结果不同，说明锻件声压往复透射率不合格，不具备可焊性。在锻件探伤中，反射回波次数越多，检测灵敏度越高。