超声无损检测中的导波技术分析

沈小勇王勇

摘要：超声波探伤作为无损检验的一种重要手段，在工业上已获得广泛的应用。目前，从仪器品种、探头种类、探伤方法、自动化水平等各方面都在不断的革新和发展中。它的优点是对平面型缺陷十分敏感，一经探伤便知结果，易于携带，多数超声探伤仪不必外接电源，穿透力强。局限性是藕合传感器要求被表面光滑，难于探出细小裂缝，要有参考标准，为解释信号要求检验人员素质高。

关键词：超声导波；检测；无损

近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多突破性进展。比如，用户友好界面操作系统软件；各种扫描成象技术；多坐标、多通道的自动超声检查系统；超声机器人检测系统等。无损检测的标准化和规范化，检测仪器的数字化、智能化、图象化、小型化和系列化工作也都取得了较大发展。我国已经制订了一系列国标、部标及行业标准，而且引进了ISO，ATSM等一百多个国外标准。无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。

1超声导波的特性

超声导波也是超声波的一种，是指频率超过20kHZ的声波，为了充分了解超声导波的探伤作用，首先要对超声导波的相关特性有充分的了解。

1.1声速特性

超声波与声波一样可以在固、液、气体中传播，只是受到介质温度和外界压力的影响传播的速度不同，在外界环境稳定的情况下，超声导波在固体中的传播速度是常数，这就为超声探伤奠定了基础。

1.2反射特性

由于不同介质的密度不同，超声导波在从一种介质进入到另一种介质时，在两种介质的分界面会产生部分的反射，因为介质的分界面改变了超声导波的传递方向。与光波不同，超声导波在充气体传播到固体或液体时，由于气体与固体或者气体与液体之间的密度相差悬殊，超声导波或者完全反射回来，这就是超声波物位计的工作原理。

1.3衰减特性

超声波从本质上来讲仍旧是一种能量，而只要是能量就衰减的过程。超声波在传播的过程中，受到介质以及介质中杂质的影响，超声波的能量会逐渐被介质所吸收，宏观上就表现为超声波强度的衰减。不论是超声波流量计还是超声波物位计都有最低接收强度的限制，因此衰减必须控制在可控范围内，不然就会影响测量结果的精度。

2超声导波检测技术简述

我们通常将有限界质内平行于它的边界线平面传播的超音速或者是音频的机械波称为超声导波，这一类的音频或者是超音速通常是通过管件、板件或者是棒等物体传播出来的。在一般的管壁当中，超声导波的主要模式有三种，其分别为轴对称纵向模式、轴对称扭转模式以及非轴对称模式。

超声导波检测技术是与过去的检测技术不同的，其拥有自己的特点，特点如下：

第一，当超声导波检测所使用的模式是轴对称扭转模式时，纵向模式波所受到管内液体的影响要比横式波大的，因此这一模式适用于含有液体介质的管道当中。

第二，超声导波在检测的过程当中所使用的频率要比常规的超声导波检测频率小，其使用的频率低于100kHz。除此以外，其在检测的过程当中能够在同一时间内激发多组不同频率的导波。

第三，超声导波所采用的形式是多探头形式，基本上其所有的换能器都被安装在传感器上。其传感器环的形式主要有固定式和充气式两种。

超声探伤技术在无损检测中的应用

2.1机车检测方面的应用

2.1.1在高速钢轨检测中的应用

我国铁路运营线路近七万公里，而且铁路正在向高速、重载的方向发展。超期服役的钢轨数量很大，线路上的钢轨在承担繁重的运输任务过程中，不免要产生各种肉眼能看见及看不见的损伤如侧磨、轨头压溃、剥离掉块、锈蚀、核伤、水平裂纹、垂直裂纹、周边裂纹等。

当被检钢轨内部有一个裂纹缺陷（或其他缺陷），将超声波探头放在被检钢轨的某一表面部位（该面称作探伤面、检测面），探头向被检钢轨发射超声波信号，超声波穿过界面进入被检钢轨内部，在遇到缺陷和两介质的界面时都会有反射，反射信号被探头接收后，通过探伤仪内部的电路转换，就可以把缺陷信号和底波信号形象地显示出来。根据超声波的声程推算，就可以轻易地将缺陷信号和底波信号区分开，然后通过超声波试块进行定标，就可以实现对钢轨缺陷的定位和定量。

2.1.2在车轮缺陷检测中的应用

轮对是车辆走行部中最重要的部件之一，对轨道车辆轮对的检测并准确地判断其缺陷位置一直是铁道运输部门非常重视的问题。该系统采用电磁超声探伤技术，实现轮对踏面的缺陷检测，包括：踏面剥离及剥离前期检测：踏面表面及近表面裂纹检测。

电磁超声探伤系统利用超声表面波的脉冲反射原理进行缺陷检测。当轮对沿钢轨运行到探头位置，轮对踏面接触探头的瞬间，EMAT（电磁超声探伤技术）在车轮踏面表面及近表面激发出电磁超声表面波脉冲，超声表面波将沿踏面表面及近表面圆周以很小的损耗传播。超声表面波在踏面双向传播（顺时针和逆时针），沿车轮表面及近表面传播1周后回到探头位置，EMAT探头检测到返回的超声表面波后形成第1次周期回波：未衰减的超声波继续沿踏面传播，依次形成第2次、第3次周期回波，，直到能量衰减到设备无法检测为止。

当车轮踏面表面及近表面有裂纹或剥离等缺陷存在时，超声波在缺陷端面处一部分能量被反射，沿原传播路径返回并被探头检测到，形成缺陷回波：另一部分能量绕过缺陷端面继续传播，形成周期性回波。通过正常的周期回波（RT）与缺陷回波（E）的对比分析，可以定性分析当前轮对的踏面缺陷状况。

2.2建筑和土木方面的应用

2.2.1超声在测定混凝土结构强度及厚度的应用

（1）强度检测技术

超声波检测是利用混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数（声速）之间的相关性来检测混凝土强度的。混凝土的弹性模量越大，强度越高，超声波的传播速度越快。经试验，这种相关关系可以用非线性数学模型来拟合，即通过实验建立混凝土强度和声速的关系曲线。现场检测混凝土强度时，应该选择浇筑混凝土的模板侧面为测试面。每一试件上相邻测区间距不大于2m。

测试面应清洁平整，干燥无缺陷和无饰面层。每个测区内应在相对测试面上对应的辐射和接收换能器应在同一轴线上，测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合，并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。按拟定的回归方程计算或查表取得对应测区的混凝土强度值。

（2）声波反射法测量厚度

超声波从一种固体介质入射到另一种固体介质时，在两种不同固体的分界面上会产生波的反射和折射。声阻抗率相差越大，则反射系数也越大，反射信号就越强。所以只要能从直达波和反射波混杂的接收波中识别出反射波的叠加起始点，并测出反射波到时，就可以计算混凝土的厚度。

2.2.2超声在桥梁混泥土裂缝检测中的应用

桥梁结构的使用性能及耐久年限，主要由设计、施工和所用材料的质量等诸多因素共同决定。由于设计、施工和材料可能存在某些缺陷，这些缺陷会使桥梁结构先天存在着某些薄弱之处：此外，桥梁在营运使用中又会受到不可避免的人为损伤及各种大自然侵蚀，带来后天病害。

3结语

近些年来无损检测领域研究的重点是超声导波技术，与常规的超声波检测方法相比，超声导波技术衰减小、传播距离远、检测速度快，能够很好地满足探伤的需求，保障铁路交通系统的正常工作，具有重要的应用价值。

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