论超声波探测的实验应用原理

【摘要】运用超声波探伤原理，测量超声波声束扩散角，研究直探头以及斜探头探测缺陷深度；超声波耦合剂的应用特性；直探头及斜探头的不同作用效果以及两种探头的使用特点及局限性。

【关键词】超声波；直探头；斜探头；超声波耦合剂

超声波是频率较高的声波，具有穿透力强、方向性强、易于检测和便于接收等特点，因此得到了广泛应用。超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，而且在异质界面上会发生反射、折射等现象，不能通过气体固体界面。所以，如果金属中有气孔、裂纹等缺陷，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在示波器的荧光屏上就会显示特定的波形。利用超声波的这种特性，对固体铝块内的缺陷进行实验，通过实验结果分析超声波检测的影响因素。

一、直探头及斜探头

采用的是通过测量直、斜探头的声束扩散角来比较不同探头的指向性，对目标定位的准确性。

在实验中，直探头发射的是纵波，斜探头发射的也是纵波，只不过斜探头的波通过斜锲波形转换变成了横波，显示出直探头和斜探头的差别性。直探头在检测过程中主要依靠一次波和二次波就几乎可以辨别出工件的缺陷，但是斜探头却更为复杂。斜探头检测工件的缺陷需要在耦合面，反射面透射更多的能量，而且在反射角与入射角是相同的情况下，波束扩散增大，散射变多，造成灵敏度降低。

在具体实验中，这表现在斜探头测得的数据误差比直探头测得的误差稍大，正好验证了以上判断。

二、耦合剂的研究

耦合剂是用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声波能有效地穿入工件达到检测目的。如果选择种类或使用方法不当，将造成误差或耦合标志闪烁，无法完成测量。应该根据实验具体情况选择合适的耦合剂种类，比如在光滑材料表面使用时，应该使用低粘度的耦合剂，在粗糙表面、垂直表面及顶表面使用时，则应该用粘度高的耦合剂。

常用的耦合剂有水、机油和医用耦合剂等。笔者在实验中将其分别置于铝块上，观察直探头探测C孔的反射波形。

从实验结果可以看出，耦合剂的好坏与得到的图像质量密切相关（表2-1）。质量不好的耦合剂可使超声能量损失，分辨力降低，图像模糊，导致图像微弱，甚至损坏探头。

若不使用耦合剂则几乎看不到回波图像。当用机油作为耦合剂完全覆盖试块后发现图像清晰起来；当用水作为耦合剂完全覆盖试块后发现图像清晰；当用医用耦合剂作为耦合剂完全覆盖试块后发现图像很清晰。

因此得出结论：医用超声波与水是该实验较好的耦合剂。而且医用耦合剂有粘性，适宜在本实验超声检测中选用。

在实验中，耦合剂的使用量也对实验结果又所影响，放的较少则很难出现图像，多了又会影响实验环境，用适量的液体代替探头接触面的空气才能使超声波能量完好的传递下去，从而得到好的波形传递给示波器。

虽然由于条件的限制，不能对耦合剂的温度等关联因素精确控制，但仍然可以发现其中的规律。

三、结论

运用超声波探伤原理，对铝块工件的缺陷进行实验，发现：运用直探头与斜探头检测工件具有很大的差别；不同种类，不同用量的耦合剂的应用效果不同。

在实验中我发现超声波的应用价值很高，对工业，医学都有很高的价值，特别在金属探伤方面有很大的应用前景。在本次铝块的探测实验中，很方便地探测出了金属内部的缺陷，而且操作简易，实用性强。关于超声波探测时直探头与斜探头的选择问题，直探头测量时能量散逸少，图像更加清晰可靠稳定，而斜探头会发生散射，灵敏度降低，图像会模糊一些。但是斜探头可以通过角度测量缺陷的横向距离时比直探头更加优秀。分析耦合剂的作用，了解了超声波的一些特性，现在来看医用耦合剂是本实验的最好选择。以后的工业应用可以着重考虑在超声波探伤时采用新型耦合剂的效率问题。并且可以通过寻找使用新的耦合剂的途径来加强探測效果。

利用超声波的特性，对固体铝块内的缺陷进行实验的缺陷及注意事项：不能有效地做到控制好其他实验变量，仅仅让一个实验变量起作用，特别是在探究不同种类的耦合剂的时候；进行试验时要做到细心谨慎，特别本实验中需要测量的量很多，小小的误差也会导致结论错误，因此细心谨慎必不可少；需要很好的理解探头的工作机理是如何把收集到的回波反馈到示波器上的，需要一定的理论功底；进一步深入研究可以考虑探究耦合剂的厚度对声像图的影响。并且给出最优的耦合剂使用指南，来取得最好的实验效果；测量时最好采用游标卡尺来进行某些测量，会比用正常尺子精确许多。

参考文献

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作者简介：石逸轩（1992—），男，研究方向：移动通信理论。