超声及超声楂测.pdf

l 3 8 煤 矿 机 械 2 0 0 4年第 7期 文章 编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 4 0 7 ． 0 1 3 8 ． 0 2 超声 及超声楂 测 赵 志 洲 黑龙江 科技学院 ，黑龙 江 哈尔滨 1 5 0 0 2 7 摘 要 首先介绍 了超声波及超声波的特点 ， 由于超声波具有波长短、 频率 高、 容 易反射 和接 收的这些特点， 超 声波可用于检测领域。超声检测的应用非常广 ， 已成功地应 用于医疗 、 化工等领 域 。介 绍 了超 声 的几 个 典型 的应 用及 应 用前 景 。 关键词 超声 ；检 测；探 伤；测温 中 图号 T P 3 9 文献 标识 码 A 1 引言 超声波是频率在 2 0 k H z以上 的机械波 ， 由于它 具有波长短 、 频率高 、 容易反射和接收等特点 ， 可用 于检测领域。超声检测具有检测可靠 、 测定迅速 、 操 作简便、 对人体无害等特 点 ， 已成功地用 于船舶 、 冶 金 、 机械 、 石油 、 化工 、 食品、 航天 、 电子 、 地址勘探和 医疗等领域 。 2超声 的 特 点 1 容易形成细声束声波发生衍射现象时 ， 波 长较 短 ， 发 散 角较 小 。超声 波 的波 长较 小 ， 所 以发 散 角小 ， 容易形成细声束 ， 便 于在 空间寻找 目标 ， 也便 于 聚焦 获 得 巨 大 的声 强 。 2 容易反射接收超声波与障碍物相遇 时， 衍 射作用小 ， 反射波 束扩 散也 小， 便 于接 收以探测 目 标 。 3 传播媒质不受 限制 超声 波能以各种各样 的传播模 横波、 纵波 、 表 面波 在气体 、 液体 、 固体或 他们 的混合物 中传播 ， 可在光不能通过 的金属中、 生 物体 中传播 ， 所以 ， 是探测物质 内部的有效手段。 4 超声波 的波长短 由于超声波与 电磁波相 比速度慢 ， 对于相同的频率波长短 ， 容易提高测量 的 分辨率 。 5 在 固体、 液体 中衰减很小超声波在空气 中 衰减较快 ， 而在固体和液体中衰减很小。因此 ， 在海 洋中常用超声波来侦察潜 艇、 海底 暗礁和寻找鱼群 等 。 3 超声检测 3 ． 1 超 声检测原理 超声检测原理 是利用某种待测物的非声量 如 浓 度 、 密 度 、 强 度 、 弹 性 、 硬 度 、 粘 度 、 温 度 、 流 量 、 液 面 、 厚度 、 缺陷等 与某些 描述媒质声 学特性 的超声 量 如声速 、 衰 减、 声 阻抗等 之 间的直 接或 间接关 系。在探索到这些关系的规律之后就可通过超声量 的测定来测 出待测的非声量 。而不同的应用原理有 所不 同， 下面介绍几种简单应用。 3 ． 2超 声检 测 的 应 用 1 超声波探伤 超声波探伤是无损检测的主要方法之一。它利 用材料 自身或 内部缺陷的声学性质对超声波传播的 影响， 非破坏性地探测材料性质 及内部 的和表 面缺 陷 如裂纹 、 气泡 、 夹渣等 的大小、 形成和分布情况。 超声波探伤具有灵敏度高、 穿透力强 、 检测速度快和 设备简单 、 成本低等一系列特点 。 超声波探伤具有反射和透射 2种方法 。其中反 射方法精 确度较 高。图 1是脉 冲 回波探 伤仪原 理 图。脉冲发射 器通过探 头将 超声波 短脉 冲送人 试 件 ， 当回波从试件的缺陷或边界返 回时 ， 通过信号处 理系统 ， 在示波器上加以显示 ， 并将其 幅度和传播时 间显示出来。如果 已知试 件中的声速 ， 则 根据示波 器上 的读数所获得 的脉冲间的传输时间即可获得缺 陷 的深 度 。 图 1 脉 冲 回 波 探 伤 仪 原 理 图 Fi g ． 1 Th e p r i n c i p l e fi g u r e p I l I s e wa v e f l a w d e t e c t o r 2 超声波测温 超声波测温是一种新 的测 温技术 ， 它可用于超 低温测量和高温高压气体的测量 。由于它是非接触 测量 ， 故可用于火箭排气、 汽缸燃烧气体 、 熔融液 、 核 反应 堆 石 墨芯 等处 的测温 。 超声波测温多是以气 、 液、 固三态媒质 中温度与 声速的关系为基础。其中气体的声速与绝对温度的 关系为 2 0． 0 6 7 即理想气体 的声速与 绝对温 度 的平 方根成 正 比。所 以， 通过测量气体在媒质 中的声速计算 出媒 质 的温度 ， 达到测温 目的。为了不 同的测温 目的 ， 需 采用各种声速测量方法的超声波测温计。最常用 的 声速测量方法是脉冲传播时间法、 同呜法 、 相位 比较 法和共振法等。图 2是脉冲传播时间法示意图 。主 维普资讯 2 0 0 4年第 7期 超声及超声检测 赵志洲 - l 3 9 控器每发一个脉 冲信号 ， 发射电路就使超声换能器 发射一次超声脉 冲， 在媒质 中传播一定时问后遇到 反射板被反射 回来又被换能器接收。经放大整形后 输到控制电路得到一个控制方 波， 方波前沿相应于 脉冲发射 ， 后沿 相应 于 回波到达 。时钟脉 冲发生器 所产生的时标脉冲在控制方波为正时可进入计数器 计数 已测时间 t ， 如果时标脉冲的周期为 0 ． 1 t z s ， 则 计数的分辨率为 0 ． 1 t z s 。根据超声波在媒质 中通过 的路程 2 f ， 就可算 出声速 2 f ， t 。 换能器 J L 图 2脉冲传播时 间法示意图 Fi g． 2 Th e d i a g r a m o f pu l s e s pr e ad i ng t i me me s s ur e 3 岩体 超声 检测 岩体超声无损检测是近年来发展的一项新的检 测技术 ， 它是以岩体的力学特性为基础 ， 研究超声波 在岩体内传播规律， 借 以了解岩 体的弹性力学状态 及其结构特征。超声 波在岩体 内传播时 ， 随着岩体 破碎程度增加 、 结构松软 、 应力 降低 、 超声波波速相 应地降低 、 振幅减 小、 波形变化、 频谱 中主频 向低频 端移动 。由于该技术能进行 大面积的无损检测， 因 而得到人们的重视而被广泛采用。 图 3是岩体超声波测试系统。向岩石试件发射 脉冲， 通过岩体后的超声波检测信号 ， 携带 了大量反 映岩体特性的各种信息 ， 而超声波频谱测试技 术是 利用全波形 ， 借助于快速傅立叶变换 F F v r ， 将 时域 波形变为频域谱， 在频域上研究被测岩体的特性 ， 即 频谱分析。如果 向岩石试件发射一窄脉冲， 由于它 在斌件 中传播的时间 比其他 反射 波时间要短 ， 因 此有利于提高纵 向分辨率及将直 达波与后 续波分 开 ， 避免界面反 射影响提高信噪 比。而且窄脉冲含 有丰富的频率成 分 ， 比由方波 调制的正弦波 优越 。 因此采用窄脉 冲发射、 宽频带接收。减少透射波失 真 。 图 3岩 体 超 声 语 测 试 系统 Fi g． 3 The t cst a g s y s t e m o f r o c k ul t r a s o n i c s 1 ． 脉 冲发生器2 ． 瞬态变换器3 ． 示波器4 ． 发射换能器5 ． 接 收换能器6 ． 试件7 ． 接 口8 ．微机9 ． 打印机1 O ． 绘图仪 通过大量岩石试样的频谱特性研究可知 ， 频谱 的形状反映了岩石节理、 裂隙等岩石的完整程度 ， 主 频 、 带宽的大小反映了岩石结构 、 矿物成分 、 风化程 度 等。初步结果是主频较高、 带宽较大 、 相位随频率 变化较大的岩体较坚硬、 致密。岩体在加 压破坏过 程中， 随着压力增加 ， 主频振 幅均变小 ， 频谱形 状也 发生变化 ， 这一变化与裂隙产生 、 形成直至破坏的岩 石变 化过 程相 对应 。 岩体超声频谱特性与岩体力学特性相关 ， 因此， 超声频谱测试技术为工程岩体特性检测、 岩石分类 、 解决工程岩体问题等提供了新的手段。 此外， 超声检测还可用来测物位 、 测厚 、 测距 、 测 流量和用来探测鱼群的位置等方面。 目前 ， 激光超声无损检测系统逐渐发展起来 ， 由 于其具有不需耦合剂、 非接触 以及能对 曲面 和复杂 形状的几何形体进行检测等优点 ， 在某些领域得 到 广泛的应用 ， 所 以随着激光和传感器技术的发展 ， 超 声在检测领域的应用前景会越来越广阔。 参考文献 【 1 ] 吴兴惠 ． 王采君 ． 传感器与信号处理[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ． 1 9 9 8． [ 2 ] 陈泽 民． 近代物理 与高新技 术基 础[ M] ． 北 京 ； 清 华大 学 出版社 ， 2 0 o1 ． [ 3 ] 史通 源， 李树 河． 物理学 与高新技术 [ M] ． 重庆 重庆大学 出版社 ， 1 9 9 5． [ 4 ] 金永君， 李 晓萍 ． 物 理与工 程 [ M] ． 徐州 中 国矿业 大 学 出版社 ， 20o】 作者简介 赵志洲 1 9 6 5一 ， 黑龙江大 庆人 ， 石 油大学 华东 博 士生 ， 现 为黑龙江科技学院数力系副教授 ， 从事岩石声场 的研究及大 学 物理 教学工作 ． 已发表论文近 3 O篇 ． 收稿 日期 2 0 0 4 ． 0 4 ． 1 2 Ul t r a s o n i c wa v e a n d u l t r a s o nic e x a mi n e ZHAo Zh i ． z h ou H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ． H a r b i n 1 5 0 0 2 7 C h i n a Ab s t r a c t Ab o v e a l l ， T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e u l t r a s o n i c a n d u l t r a s o n i c c h a r a c t e r i s t i c． B e c a u s e u l t r a s o n i c wa v e ha s t h e c h a r a c t e ri s t i c s t h a t t h e w a v e l e n g t h i s s h o r t ， f r e q u e n c y i s h i g h， e asy t o r e fl e c t a n d rec e i v e u l t r aso n i c w a v e C an b e u s e d i n t he me asu rin g fie l d． Th e a p p l i c a t i o n t h a t t he s u p e r s o u n d me asu r e s i s v e r y w i d e， h a v e alr e a d y a pp l i e d s u c c e s s f u l l y t o t h e fi e l d s ， s u c h as me d i c al t r e a t me n t ， c h e mi c a l i n d u s t ry 。 e t c． ． I n t he e n d rec o mme n d u l t r a s o n i c a f e w t y p i c a l a p p l i c a t i o n a n d t h e p ros p e c t o n l y fin all y i n t h i s t e x t ． Ke y wo r d s ul t r a s o n i c wa v ee x a mi n ed e t e c t fla ws ；me asu r e t e mp e r a t u r e 维普资讯