钢轨探伤1章理论 - 图文(3)

来源：网络收集时间：2026-02-04

导读：在介质表面传播时介质表表面波R 对称型（S兰姆波型）非对称型（A型）面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向薄板中心质点作纵向运动，上下表面质点作相位相反并对称于中心的

在介质表面传播时介质表表面波R 对称型（S兰姆波型）非对称型（A型）面质点作椭圆运动，椭圆长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向薄板中心质点作纵向运动，上下表面质点作相位相反并对称于中心的椭圆运动薄板中心质点作横向运动，上下表面作相位相同的椭圆运动固体（厚度与波长相当的薄板）固体（厚度与波长相当的薄板）薄板、薄壁钢管（??6mm）薄板、薄壁钢管（??6mm）固体钢板、锻件、钢管探伤等 2．按振动持续时间分

根据波源振动持续时间的长短，超声波可分为连续波和脉冲波两种，如图1－5所示。其中连续波是指波源持续不断地振动所辐射的波，常用于穿透法探伤和共振法测厚。而脉冲波则指波源振动持续时间很短（微秒级，1μｓ＝10－6ｓ）、间歇辐射的波，超声波探伤中广泛采用的就是脉冲波。

图1－5 连续波与脉冲波

3．按波的形状分

波形是根据波阵面的形状来区分的，所谓波阵面，是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联成的面，其中，某一时刻波动所到达的空间各点所联成的面称为波前（波前是最前面的波阵面），任一时刻，波前只有一个。一般把波的传播方向称为波线。根据波阵面形状的不同，波又可以分为三种：平面波、柱面波和球面波。如图1－6所示，它们的特性见表1－3。

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图1－6 超声波波形表1－3 不同波形分类及特性

波的形式特性 1．无限大平面（即波长与声源尺寸相比可忽略不计）作谐振动时，在各向同性的弹性介质中传播平面波的波 2．如不考虑介质吸收波的能量，声压不随与声源的距离而变化球面波 1．声源为点状球体，波阵面是以声源为中心的球面 2．声强与距声源距离的平方成反比 1．声源为一无限长的线状直柱，波阵面是同轴圆柱面 2．声强与距声源的距离成反比柱面波 4．按原理分类

（1）脉冲反射法超声波探头发射脉冲到工件内，根据反射波的情况来检测工件缺陷的方法。

（2）衍射时差法（TOFD）采用一发一收双探头方式，利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法。

（3）穿透法采用一发一收双探头分别放置在工件相对的两端面，依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来检测工件缺陷的方法。

（4）共振法依据工件的共振特性来判断缺陷情况和工件厚度变化情况的方法称为共振法，此方法常用于工件测厚。

5．按显示方式分类

根据接收信号的显示方式可分为A型显示和超声成像显示。

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6．按探头数目分类

（1）单探头法使用一个探头兼作发射和接收超声波的检测方法。（2）双探头法使用两个探头（一个发射，一个接收）进行检测的方法。（3）多探头法使用两个以上的探头组合在一起进行检测的方法，通常与多通道仪器和自动扫查装置配合。

7．按探头与工件的接触方式分类

（1）接触法探头与工件检测面之间涂有很薄的耦合剂层，因此可以看作为两者直接接触，故称为直接接触法。

（2）液浸法将探头和工件浸于液体中，以液体作耦合剂进行检测的方法。耦合剂可以是水，也可以是油，当水作耦合剂时，称为水浸法。

（3）电磁耦合法采用电磁探头激发和接收超声波的检测方法，也称为电磁超声检测方法。使用这种方法时，探头与工件之间不接触。

8．按人工干预的程度分类

（1）手工检测一般指由操作者手持探头进行的A型脉冲反射式超声检测。该方法简便实用，但检测可靠性受人为因素影响较大。

（2）自动检测使用自动化超声检测设备，在最少的人工干预下进行并完成检测的全部过程。一般指采用自动扫查装置，或在检测过程中可自动记录声束位置信息、自动采集和记录数据的检测方式。该方法所要求的检测设备较复杂，但检测可靠性受人为因素影响较小。

（三）超声波的基本参数

1．振幅（A）指振动质点偏离平衡位置的最大距离。

2．频率（ｆ）振动质点单位时间（通常指1秒，以下同）内围绕平衡位置完

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成全振动的次数称为振动频率，其数值与波动频率相等。波动频率是指波动过程中任一给定质点在单位时间内通过完整波的个数。单位为赫兹（Hz）。

在实际探伤中往往会遇到重复频率的概念，其含意是指每秒钟内由脉冲发生器激励探头晶片的脉冲次数，即发射超声波的探头每秒钟向试件发射超声波的次数。为了提高探伤速度，一般要求重复频率越高越好，但过高的重复频率会导致发射和接收间的干扰，产生幻象回波，因此，重复频率应根据被检工件的大小，一次声程所需要的时间，仪器接收和发射超声波的能力，以及探伤速度等多方面因素决定。

3．周期（T）指振动质点完成一次全振动所需要的时间。单位为秒（ｓ）。周期与频率的关系为：T?1 f4．波长（λ）同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离称为波长。波源或介质中任一质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。单位为毫米（mm）或米（m）。

5．声速（C）声波在弹性介质中，单位时间内所传播的距离。也可称为波速。单位为米/秒（m/s）或千米/秒（km/s）。由声速、波长和频率的定义可得：

C???f 或 ??C

f声速（C）与介质的弹性模量和介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同介质有不同的声速，介质的弹性模量愈大，密度愈小则声速愈大，对液体介质来说，当介质温度变化时，其容变弹性模量和密度会发生变化，因而声速也随着变化。另外，超声波波型不同时，介质弹性变形形式不同，声速也不一样。一般来说，在同一种固体材料中（由于液体和气体介质只能传播纵波，因而其声速不存在波型问题），纵波声速（CL）大于横波声速（CS），横波声速（CS）

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又大于表面波声速（CR）。表1－4 为一些常用材料的声速和波长。

表1－4 一些常用材料的声速和波长

材料钢有机玻璃尼龙1010 水油空气声速（km/s）纵波 5.9 2.73 2.4 1.48 1.4 0.34 横波 3.23 1.43 －－－－－－－－纵波波长（mm） 2MHZ 2.95 1.37 1.2 0.74 0.70 0.17 2.5MHZ 2.36 1.09 0.96 0.59 0.56 0.14 横波波长（mm） 2MHZ 1.615 0.715 －－－－－－－－ 2.5MHZ 1.292 0.572 －－－－－－－－（四）超声场及其特征值 1．超声场概述

通常把充满超声波的空间部分称为超声场。如图1－7所示为圆盘声源（指一种圆平面状的振子）辐射的纵波声场轴线上的声压分布规律。

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图1－7 圆盘声源声束轴线上的声压分布

由图可知，波源附近的轴线上声压上下起伏变化，存在若干个极大极小值。距波源的距离愈近，声压极大极小值的点就愈密。声学上把由子波的干涉在波源附近的轴线上产生一系列声压极大极小值的区域称为超声场的近场区。波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用Ｎ表示。近场区长度可以用下式来计算：

D2??2D2AN???

4?4???式中：D－－为圆形压电晶片的直径；

λ－－为超声波波长；

A－－方晶片（或矩形晶片）面积。

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