浅谈超声检测未来的发展方向

朱学耕

【摘 要】超声检测作为五大常规超声检测中应用最为广泛的方法，目前已经成功的应用在铁轨、大型压力容器以及核装置的检测，随着科技的发展，超声检测需要缺陷检测的高效率、高精度与其相适应，笔者针对超声检测近年来在这些方面的发展情况进行了概述。

【关键词】超声检测；缺陷；自动化；相控阵；空气耦合

【Abstract】Ultrasonic testing as five conventional ultrasonic detection used the most widely used method， which has been successfully applied in detection of rails， large pressure vessel and a nuclear device， with the development of science and technology， ultrasonic detection to defect detection of high efficiency， high precision and adaptation， the author according to ultrasonic detection in recent years development in these areas are outlined.

【Key words】Ultrasonic detection；Defection；Automation；Phased array；Air coupling

0 引言

无损检测的发展水平在一定程度上反映了一个国家的生产技术水平和经济发展程度[1]，随着我国经济的高速发展以及生产技术水平的提高，在过去的一段时间内我国无损检测水平得到了很大的提高。目前应用较广的无损检测方法主要是渗透检测、磁粉检测、涡流检测、射线检测和超声检测[2]。这五中方法各有使用范围，其中渗透检测只能够检测工件的表面缺陷、磁粉检测和涡流检测能够检测工件的表面以及近表面缺陷，射线检测能够检测工件的内部缺陷，超声检测不但能够检测工件的表面缺陷还能够完成对内部缺陷的检测，除此之外由于超声检测具有穿透能力强、操作简单、检测成本低[3]等优点已成为应用最为广泛的一种无损检测方法。超声检测目前已广泛的应用在铁轨、大型压力容器、核设施安全控制等方面，主要是以分析波形的变化来判断工件质量的好坏，然而随着科技的进步，低效率的超声检测已不能适应工业的发展，以及简单的波形信号也很难分辨出缺陷是否存在，针对常规超声检测的这些缺陷，目前高效率、高分辨率的超声检测方法相继出现。

1 超声检测的基本原理

常规超声检测主要是利用超声换能器发射与吸收声波，根据波形的突变来判断是否有缺陷的存在[4]。如果工件内没有缺陷，超声波在传播的过程中相当于在同介质之间传播，这样声波不会发生突变，直到声波传播到达工件的底部才会有反射声波，这时候整个示波屏上显示有端面回波和底面回波；当工件内有缺陷的时候，相当于工件内的材料组织特性发生了明显的变化，这样声波在与异质材料发生相互作用的时候会产生另一个回波，这个回波就是缺陷回波，而没有缺陷的地方，声波还会继续传播直到与工件底部发生相互作用，因此在有缺陷的工件中不但有端面回波、底面回波还会有缺陷回波。

2 超声检测发展趋势

2.1 相控阵超声检测

常规的超声检测只能够以波形的方式显示缺陷的位置，但是当缺陷较小的时候缺陷波就很容易埋藏在噪声中，这样以来缺陷就很难发现，针对这些问题，相控阵超声检测[5]以缺陷成像的技术能够成功的发现较小的缺陷，并且此方法对缺陷的定位相当的精确，依据实验数据基本能够达到90%之上，目前相控阵超声检测已经能够成功的检测出汽轮机叶片缺陷、发动机曲轴、核装置等，而且近年来生产的便携检测设备的生产更是在一定程度上促进了相控阵超声检测的应用。

2.2 非接触空气耦合超声检测

相控阵超声检测技术是接触式检测，这种方法有很多的优点，但是检测过程中需要连接楔块在一定程度上限制了声束，空气耦合超声检测是非接触式超声检测[6]，它是以空气为介质进行检测，在一定程度上释放了对声束的约束，可以实现对工件的快速高效的检测。其检测原理与常规超声检测相同，具体也分反射法和透射法，虽然非接触空气耦合超声检测能够满足航空复合材料的检测，但是目前由于其声场特性没有及时的解决以及其声阻抗较大等问题在一定程度上限制了其广泛的应用。

2.3 非线性超声检测

常规的超声检测是利用声波的线性传播特性，来对材料的不连续性进行判断，但是线性超声在检测中理论上会存在绕射波，即当缺陷的大小仅为超声波长的二分之一时会产生绕射波，因此理论上线性超声检测不能够完成其波长二分之一以下的缺陷检测，非线性超声检测[7]利用有限振幅声波在材料中传播时介质或微小缺陷与其相互作用的非线性效应，实现材料性能评估和微小缺陷的检测。非线性超声检测能够完成材料内部晶格的变化，因此能够发现微小缺陷的检测，目前非线性超声检测已经能够利用材料的非线性系数对材料的弹性常数测定、复合材料粘接面粘接强度评估、材料力学性能退化评价以及连续体铸造钢非金属夹杂检测等，除此之外，常规检测只能对张开的裂纹进行检测对于处于闭合阶段的裂纹还无法检测，非线性超声检测能够根据非线性弹性系数对闭合裂纹进行评价，缺陷的定量检测一直是超声检测中的难点问题，非线性超声检测根据非线性系数的测定能够建立与缺陷大小之间的联系，虽然非线性超声检测有一系列的优点，但是也存在不足，常规超声检测对缺陷的定位相当的精确而非线性超声检测需要对对缺陷信号的频谱进行分析，因此对缺陷的定位比较的困难。目前利用非线性超声进行检测主要是得到的一些实验结果，对于其机理研究比较的少，这也是下一步的研究要点。

2.4 自动化超声检测

随着工业技术的发展以及人们对零件生产质量的要求，零件在生产时就需要进行质量监控，因此在生产阶段就需要对其进行质量检测，淘汰不合格产品，由于零件的生产量较大，如果人工检测不但检测效率低很容易存在漏检的可能，为了解决这个问题需要设计自动化超声检测系统[8]，利用机器完成对工件的全面检测，这不但解决了漏检的可能，一旦发现存在缺陷的工件系统就会进行报警，然后将不合格产品重行进行再生产。

3 展望

超声检测已经从传统的A扫描检测发展到现在的相控阵B扫描检测，实现对缺陷的成像；从接触式检测向非接触式的空气耦合检测发展，释放了对声束的约束；从发现宏观缺陷的常规线性检测向发现微观裂纹的非线性超声检测进步；此外快速的超声检测才能适应工业生产中的质量控制，因此自动化超声检测应用而生。这些新的方法的产生将成为未来一段时间超声检测的研究热门，其将带来巨大的经济效益。

【参考文献】

[1]李晓川.无损检测梦想更飞扬[J].中国船检，2013（8）：106-108.

[2]贺延涛.基于纹理特征的磁片表面刀纹缺陷检测[D].复旦大学，2012.

[3]李理.超生波检测水泥混凝土路面厚度的方法探讨[J].交通标准化，2012（11）：59-61.

[4]鲍晓宇.相控阵超声检测系统及其关键技术的研究[D].清华大学，2003.

[5]李衍.相控阵超声检测国际动态[J].无损探伤，2008，32（6）：56-60.

[6]周正干，魏东.空气耦合式超声波无损检测技术的发展[J].南昌航空大学学报：自然科学版，2008，44（6）：10-14.

[7]陈振华，史耀武，赵海燕，等.微小缺陷的非线性超声检测及其成像技术[J].声学学报：中文版，2010，35（1）：9-13.

[8]张旭辉，张维光.基于PC的自动超声检测系统精确定时方法研究[J].组合机床与自动化加工技术，2006（2）：40-42.

[责任编辑：曹明明]