2.4　超声探伤原理及结构

2.4.1　超声探伤的工作原理

将完好工件视为连续的、均匀的、各向同性的弹性传声介质。当超声波在这种介质中传播时，遵循既定的声学规律。

当声波在传播中遇到不连续的部位时，由于其与工件本身在声学特性上的差异，导致声波的正常传播受到干扰，或阻碍其正常传播，或发生反射或折射。

工件或材料中超过标准规定的不连续部位，就是缺陷或伤。采用相应的测量技术，将非电量的机械缺陷转换为电信号，并找出二者的内在关系，据以判断和评价工件质量，这就是超声探伤的工作原理。超声波探伤仪如图2-7所示。

2.4.2　超声波探头

2.4.2.1　原理

在超声波检测技术中主要是利用它的反射、折射、衰减等物理性质。不管哪一种超声波仪器，都必须把超声波发射出去，然后再把超声波接收回来，变换成电信号。完成发射部分和接收部分工作的装置均称为超声波换能器，或超声波探头。超声波探头有压电式、磁致伸缩式、电磁式等。在检测技术中最常用的是压电式。在压电式超声波换能器中，最常用的压电材料分为压电晶体和压电陶瓷。压电晶体如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。压电陶瓷有改性锆钛酸铅、偏铌酸铅。

2.4.2.2　结构

超声波探头是超声波仪器的重要结构，由以下四部分组成，如图2-8所示。

2.4.2.3　超声波探头的作用

超声波探头用于实现声能和电能的互相转换。它是利用压电晶体的正、逆压电效应进行换能的。探头是组成检测系统的最重要的组件，其性能的好坏直接影响超声检测的效果。

超声波探头通过压电效应发射、接收超声波。

640V的交变电压加至压电晶片银层，使面积相同、间隔一定距离的两块金属极板分别带上等量异种电荷形成电场，有电场就存在电场力，压电晶片处在电场中，在电场力的作用下发生形变。在交变电场力的作用下发生变形的效应，称为逆压电效应，也是发射超声波的过程。

超声波是机械波，机械波是由振动产生的，超声波发现缺陷引起缺陷振动，其中一部分沿原路返回。由于超声波具有一定的能量，再作用到压电晶体上，使压电晶体在交变拉、压力作用下产生交变电场，这种效应称为正压电效应，是接收超声波的过程。正、逆压电效应统称为压电效应。

2.4.2.4　常用超声波探头的类型

超声波检测中由于被探测工件的形状和材质、探测的目的、探测的条件不同，因而要使用各种不同形式的探头。其中最常用的是接触式纵波直探头、接触式横波斜探头、双晶探头、水浸探头与聚焦探头等。一般横波斜探头的晶片为方形，纵波直探头的晶片为圆形，而聚焦声源的圆形晶片为声透镜。所以声场就有圆盘源声场、聚焦声源声场和斜探头发射的横波声场。图2-9为一组探头的图片。

直探头（超声波传感器）发射的声场结构，按距离远近分外近场和远场。近场能量强，探头中间部位能量比边部能量集中，检测效果较好。

2.4.3　试块与耦合剂

与一般的测量过程一样，为了保证检测结果的准确性与重复性、可比性，必须用一个具有已知固定特性的试样（试块）对检测系统进行校准。这种按一定的用途设计制作的、均具有简单形状人工反射体的试件即称为试块。超声检测用试块通常分为两种类型，即标准试块（校准试块）和对比试块（参考试块）。

当探头和试件之间有一层空气时，超声波的反射率几乎为100%，即使很薄的一层空气也可以阻止超声波传入试件。因此，排除探头和试件之间的空气非常重要。耦合剂就是为了改善探头和试件间声能的传递而加在探头和检测面之间的液体薄层。耦合剂可以填充探头与试件间的空气间隙，使超声波能够传入试件，这是使用耦合剂的主要目的。除此之外，耦合剂有润滑作用，可以减少探头和试件之间的摩擦，防止试件表面磨损探头，并使探头便于移动。在液浸法检测中，通过液体实现耦合，此时液体也是耦合剂。常用的耦合剂有水、甘油、变压器油、化学糨糊等。