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超声波检测
超声波检测
第一部分超声波检测简介
超声波检测是利用高频振动的声波导入材料内部,藉以检测材料表面或内部缺陷之非破坏检测方法。
此检测法除用于检测缺陷外,尚可用于量测试件厚度,进一步若利用声波在材料内部的穿透性差异或声速改变情形,可辅助用于分析材料物理性质、晶粒尺寸或显微组织等,对材料学研究贡献甚大。
此外,由于超声波检测系利用声波高频振动的原理,因此只要声波能量能完全穿透检测物厚度,不论是金属或非金属试件皆可检测,此特点使其在非破坏检测方法中应用更为广泛。
第二部分器材及设备
工业上用于非破坏检测者多以探伤用之脉波反射式超声波检测仪居多(A扫描讯号显示)。
脉波反射式超声波检测仪是以高频脉冲产生器产生电压脉动,经由同轴电缆线传输至换能器中,换能器将电的脉波震荡变成机械震荡之超声波而传送入检测物内,并接收来自表面、缺陷及底面等机械震荡的回波,再转换成脉动的电压讯号,经放大电路增幅并藉由扫描电路时序控制而将此回波讯号先后显示于示波器屏幕上。
一、校准规块
超声波检测为建立缺陷大小评估的比对根据,并了解仪器特性是否达到使用条件标准,必须视检测需要制作各种不同形状、大小及人工缺陷的校准规块。
校准规块依其检测目的区分为仪器校准用之标准规块(StandardTestBlock'及检测材料用之比较规块(ReferenceBlock)两种。
二、探头(Probe)
探头亦称换能器(Transducer),主要由压晶体管(PiezoelectricCrystal)构成,当通以交流电时,压晶体管会发生高频振动而产生超声波,藉以发射进人检测物内,当反射回波撞击探头时,压晶体管会使其转换成交流脉波讯号,因此探头兼备声波发射与接收之双重作用。
超声波探头依其使用场合不同,区分为接触式探头(ContactProbe)及浸液式探头(ImmersionPrObe)两种;若依使用目的不同,则区分为直束探头(StraightBeamProbe)、斜束探头(AngleBeamProbe)、可变角度探头(ChangeableAngleProbe)、双晶探头(TwinProbe)、迟延探头(DeIayProbe)、漆刷型探头(PaintBrushProbe)及聚焦探头(FocusingProbe)。
三、耦合剂
在检测时于探头与检测物表面间添加水、油或浆糊等物质,藉以赶走空气,避免声波能量损失而以较佳的传送效率进入检测物内部,此等接触媒质,称为耦合剂(CoupIant)。
网合剂于检测时应稳定滞留于检测面上,于完成检测后,必须容易清除,且不能对检测物或探头造成损害。
实用上耦合剂以罐装或瓶装居多,选用时应注意其化学特性,并注意适用温度。
第三部分超声波检测原理
一、超声波产生之原理
人耳可以听见的声波,频率约在6Hz至20KHz之间,若波动的频率高于此范围,则声波无法为人类所听见,称其为超声波(Ultrasonic在非破坏检测应用上,超声波频率约在0.5MHz至25MHz之间,而其中尤以IMHz至5MHz最为常用。
此等压电材料制成之晶体薄片,当外加一正负交变的电压讯号时,则晶体薄片会形成厚薄变化而产生压缩震荡的现象,于是便形成超声波。
当超声波传送进入检测物内部时,若碰触到界面而被反射回来,此时超声波脉波正负交变的波形会使得压晶体管薄片承受正负交变的压缩力。
压缩力愈大则晶体薄片两面所产生的电压愈大,此电压讯号经检测仪电路增幅放大后而呈现于显示器上。
1、声波的种类
当物质中的粒子受外力作用而产生机械性震荡时,即发生波动现象。
波动产生的声波若是连续不断的,即称为连续波(ContinuousWave);否则当声波呈现衰减的脉动波形时,则称为脉波(PulseWave),如图4-19所示。
超声波因声波波动特性不同,产生下列四种不同的波式:
1)纵波
物质粒子之振动方向与波传送方向平行者,称为纵波(LongitudinalWave),如图4-20所示。
此波以疏密相间方式传递,因此亦称疏密波;且由于波是藉由压缩力及弹性力造成,所以又称压缩波或弹性波。
由于固体、液体及气体可传送压缩力,因此纵波可存在于此三相内。
2)横波
物质粒子之振动方向与波传送方向垂直者,称为横波(Transvcrsi Wave,亦称剪力波(ShearWave),如图4-21所示。
由于气体及液体中物质粒子间距离较大,相互间作用力较弱,难以传送切向力,因此不能传递横波,使得横波仅能存在于固体中。
3)表面波
波以某一角度入射于物体表面时,因横波与纵波相互干涉的结果,使得波动仅沿物体表面传送,称为表面波(SurfaceWave),如图4-22所示。
表面波是沿着固体及气体接口传递,特别适合复杂轮廓物体表面缺陷之检测。
对于固体表面使用之偶合剂,必须是其薄的膜层,否则表面波将难以传送而无法检测表面缺陷。
4)蓝姆波
波以某些角度入射于极薄的复合材料或金属板表面时,在适当的材料密度、弹性系数、厚度及波动频率下,会产生蓝姆波(Lambwave)。
蓝姆波又称平板波(PlateWave;,可传送于物体的内部及上、下表面。
蓝姆波依物质粒子运动方向与受检物中心轴是否对称,可区分为下列两种:
扩张波(DilatationalWave):
为对称的蓝姆波,沿着受检物中心轴会产生压缩(纵向)的粒子位移;同时在受检物土、下表面产生沿着椭圆方向的位移,如图4-23(a)所示。
弯曲波(BendingWave):
为非对称的蓝姆波,沿着受检物中心轴会产生剪力方向(横向)的粒子位移;同时在受检物土、下表面亦产生沿着椭圆方向的位移,如图4-23(b)所示。
二、声波传送速率
超声波在物质中传送的快慢程度,称为声速(AcousticVelocity)。
同一物质中相同波式的声速接近定值,但不同波式时其声速会发生改变。
一般而言,在相同的均质物质中,纵波的声速约为横波的两倍钢中约1.8倍表面波声速路小于横波(在钢中约为横波之0.92倍)。
常见物质中不同波式的声速。
三、声压、能呈及声阻抗
声压是表示同相位粒子构成之平面上,单位面积所承受的压缩力。
声压愈大则波动粒子振动愈大,其声波强度愈大。
声波在物质中传送时所受的阻碍程度以声阻抗Z(AcousticImpedance)来表示;其大小等于材料密度(P)与声速(@))的乘积。
在不同物质中,声阻抗与其密度成正比,而在同一物质中,由于不同波式其声速不同,因此声阻抗并不相同。
声压用以表示讯号的大小,与声波能量(声功率强度)有关。
声波传送过程中,会发生反射、折射或衰减等现象,减少。
在密度较大物质中,因声阻抗增大,故声压变大,以致能量逐渐反之在密度较小材料中,声压变小。
当声波由介质1入射至另一种特性不同的介质2时,在声波到达二介质界面时,声波会发生反射(Reflection)、折射(Refraction)或波式转换的现象,如图4-24所示。
为进一步了解入射声波及折射声波特性,可利用折射定律(司乃耳定律)。
在图4-24(a)及(b)中,入射纵波进入介质Z时部介声波发生波式转换为横波,使得纵波及横波同时存在于介质2中,此结果若应用于实际检测讯号的判别,将发生混淆而无法正确判定缺陷是由纵波或横波所侦测到。
因此超声波检测实用上,斜束探头多利用塑料吃形块以决定入射纵波角度,藉以控制所要的折射波波式及折射角,且一般多以能在检测物内仅产生折射横波为目的。
由图4-24(c)可知,当声波入射角增大至α角度以上时,由介质1入射的纵波,在介质2中发生全反射(纵波折射角为91。
或更大)而完全消失,仅留存折射横波,此角度称为纵波临界角(第一临界角)。
同理,在图4-24(d)中,当声波入射角加大至α角度以上时,由介质1入射的纵波,在介质2中发生全反射而回至介质1,此时折射;横波亦消失(横波折射角为90。
或更大),称此角度为横波临界角(第二临界角)。
综合图4-24(c)及图4-24(d)得知,当声波入射角介于纵波及横波临界角之间时,则折射波仅为横波,此状况即适合超声波之检测。
超声波声束作用的的范围称为声场(AcousticField),由于超声波声束随着距压晶体管薄片距离改变,其声压并非一致性变化;因此以距离压晶体管薄片最远(最右)的一个最强声压点为分界点,由此点向左与压电薄片问的区域,称为近场(NearField),而由此点向有约区域,称为远场(FarField)。
四、近场及其强度
在近场中,超声波干涉现象最为明显,以平面波方式传送,由于声压变化复杂,因此不适于检测小缺陷。
当近场距离等于近场长度时,中心声压最大。
探头直径愈大,声波波长愈小,则声束较为集中,因此声压随距压电薄片增加而减少的现象较不明显。
超声波强度的减弱,主要来自发散及衰减两项因素。
发散(Divergence):
主要因超声波声束在远场中以发散角向外发散,致始声波强度随距离增加而逐渐减弱。
衰减(Attenuation):
均质物质对超声波强度(声压)不曾造成减弱,然一般材料或多或少都会使超声波强度造成衰减,其原因来自于吸收与散射两种现象。
吸收:
材料将声束能量转换为热能而散失,使得声束强度降低。
散射:
由于材料的非均质性,包括杂质、气孔、晶界…等阻碍声束传送而形成许多声束分量,致使超声波强度减弱。
五、超声波讯号显示与记录
1、讯号显示之表示方法
超声波讯号显示之表示方法常见有A扫描、B扫描及C扫描三种,示意如图4-26所示。
A扫描表示法
此种讯号显示之表示方法是超声波检测最普遍的方法,通常应用于脉波反射式超声波检测。
探头在检测物上一点,所记录的是此点下方一条线的讯息,如图4-26(a)所示。
显示屏幕上之水平轴表示讯号出现的时间或声波回波之路径长度,利用此长度及声束方向即可推算出回波反射体之位置。
垂直轴表示讯号高度(振幅),在没有人工缺陷规块的校准比对下,不能断然地以讯号高度判定缺陷大小。
B扫描表示法
如图4-26(b)所示,探头在检测物上沿直线移动,所记录的是此线下方一截面的讯息。
水平显示表示扫描移动方向的位置,而垂直显示表示检测物内之通过时间,即缺陷深度,因此B扫描可显示受测物某一截面上缺陷分布的大致情形。
C扫描表示法
如图4-26(c)所示,探头在检测物表面上来回扫描整个表面,所记录的是此面下方一个整体的讯,此方法之显示与射线照相结果相似,可看出缺陷的分布情形及形状,但无法得知其深度。
2、讯号记录之符号
为分辨检测物几何形状及缺陷造成之回波讯号显示,超声波讯号以符号加以记录,如表4-8所示;配合检测实例图形说明,如图4-27所示。
第四部分超声波检测方法
一、按探头偶合方法区分
1、接触检测法(ContactTesting)
检测时探头与检测物直接接触的检测法,一般在二者间须加入耦合剂以赶走空气而利于声波传送进入检测物内。
当检测面粗糙或为曲面时,宜采用较黏稠之织合剂,如浆糊、黄油等。
对于一般性检测,可用较稀的液体,如水、甘油及机油等。
接触检测法由于探头与检测面直接接触,其间之摩擦力阻碍探头的滑动,因此适合慢速或手动的检测。
2、浸液检测法(ImmersionTesting)
对于检测物因形状限制、表面过于粗糙或厚度薄等因素,以致不适合利用探头直接接触检测时,可采用浸液法检测。
此法检测时将检测物全部成局部浸没于液体中,或使用喷水或水性等方法。
浸液常用之液体为水,但其它能传送超声波之液体亦可。
浸液检测法由于探头与检测物不直接接触,因此适合应用于高速之自动检测上。
二、依讯号检出方式区分
超声波检测方法依讯号检出方式不同,可分为脉波反射法(Renectionmethod)、穿透传送法(ThroughTransmissionMethod)及共振法(ResonanceMethod)等三种,兹分述如下。
脉波反射法脉波反射法是超声波检测最常用的方法,检测讯号是以A扫描方式显示。
屏幕水平则表示讯号出现的时间或回波在检测物中所走的路径
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