超声缺陷探测方法

超声缺陷探测方法可以潜在地应用于任何标准工程材料的检测中，以找到材料中的隐藏裂纹、空隙、多孔性、内含物以及相似的不连续性。虽然大多数这类检测的对象是钢和其它结构金属，但是探伤仪也可以对塑料、复合材料、玻璃纤维及陶瓷等材料进行检测。一些常见应用如下：
焊缝检测：到目前为止超声缺陷探测重要的市场。
初级金属：梁柱、钢坯、棒材、铸块、锻件、管材。
基础设施：桥梁梁体、桥梁销钉、铁轨、金属结构。
石油化工：管道、箱罐、支撑结构。
在役检测：火车的车轮和轮轴、飞机的起落架和发动机架、起重机臂、驱动轴、箱罐和压力容器，以及螺栓的检测。
制造工业：点焊、钎焊接头、铸件以及粘接检测。
复合材料：航空航天部件、风力涡轮机、汽车的复合材料部件及船用玻璃纤维。
现代超声探伤仪都是一些基于微处理器的小巧便携式仪器，既可以在厂房车间内使用，也可以在野外的露天环境中使用。这些仪器可生成并显示超声波形，受过培训的操作人员对这些波形进行解读，（解读过程通常要借助于分析软件完成），以定位被测样件中的缺陷，并对缺陷进行分类。一般来说，检测操作需要一个超声脉冲发生器/接收器、用于信号采集和分析的硬件和软件、一个波形显示屏，以及一个数据记录模块。尽管还会生产一些基于模拟方式的探伤仪，大多数当代仪器都使用数字式信号处理方式，以获得稳定的信号和准确的数据。
脉冲发生器/接收器部分构成了探伤仪的超声前端。它提供用于驱动探头的激励脉冲，以及用于回波的放大功能和滤波功能。可以对脉冲波幅、形状和阻尼进行控制，以优化探头的性能，而且可以调整接收器的增益和带宽，以优化信噪比。
显示屏可以是液晶显示屏、场致发光显示屏，或较早型号的阴极射线管（CRT）显示屏。屏幕一般以深度或距离单位校准。 多色显示有助于对数据进行判读。
内置数据记录器可用于记录有关每次检测的全部波形和设置信息，如果在进行文档处理时有此需要；也可以只记录所选择的信息，如：回波波幅、深度或距离读数、或报警条件是否存在的信息。
基本检测方法：
1. 垂直声束检测（板材、棒材、锻件、铸件等）
垂直声束检测一般用于发现与被测样件的表面平行的裂纹或分层缺陷，以及被测材料中的孔隙和多孔性。这种检测可以使用接触式探头、延迟块探头、双晶探头或水浸探头，所有这些探头都将纵波沿着直线声程发送到被测工件中。常见应用包含对板材、棒材、锻件、铸件的检测，以及对螺栓和吊架销钉及可能会出现平行于接触表面的裂纹的类似工件的检测。垂直声束检测一般还用于玻璃纤维和复合材料的检测。
基本原理：在一种介质中传播的声能会一直传播，直到遇到另一种材料的介质时，如：围绕底面的空气或由裂纹或类似的不连续性形成的空隙，声能会从两种介质的边界上散播或反射回来。在这类检测中，操作人员将探头耦合到被检样件，并辨别从底面返回的回波，以及任何来自某些几何结构的固定反射信号，如：凹槽或凸缘。记下来自合格工件的回波的特征图形后，操作人员就可以寻找被测工件中出现在底面回波前的任何其它回波，对出现的晶粒散射噪波，可以不予考虑。出现在底面回波前面的具有重要声学意义的回波意味着可能存在层状裂纹或孔隙。通过进一步分析，可以确定产生反射信号的结构（反射体）的深度、大小和形状。

不存在缺陷	存在缺陷
声波在材料中传播，并从底面反射回来。	1） 一些声波可以在整个材料中传播，并从底面反射回来，而另一些声波会从材料内部的缺陷处反射回来。 2） 回波波幅与缺陷的大小相关

检测平板和平滑的棒材时，这种检测操作通常都很简单。
垂直声束检测还可用于检测钎焊接头和其他一些方向与表面平行的胶层。在这些检测中，即使合格的接头一般也会发射回波，因为钎焊金属或粘合材料与被连接的材料不同。不过，与合格情况相比，缺少粘接材料时反射的回波会更大，因此通过对比检测一般可以发现粘接方面的缺陷，因此胶层的回波波幅可用作粘接条件的指示器。
2. 角度声束检测

垂直声束技术在寻找分层缺陷时具有很高的效率，但是在检测很多普通类型的焊缝时不太有效，因为在这些焊缝中，不连续性的方向一般不会与工件表面平行。焊缝几何形状、缺陷方向，以及焊冠或焊道的存在这些因素综合在一起，要求使用以一定角度生成的声束，从焊缝的一侧，对焊缝进行检测。角度声束检测是到目前为止超声缺陷检测中常用的技术。 角度声束探头包含一个探头和一个楔块，探头和楔块可以是分开的部件，也可以被安装在同一个外壳中。它们使用折射原理，在两种介质的边界处发生的模式转换会在被测样件中生成折射横波或纵波，如右图所示。

大多数常用角度声束探头会在被测材料中生成45度、60度或70度标准角度的折射横波。生成想要折射角度所需的入射角度基于材料的声速，并根据斯涅尔法则，通过以下公式计算。
在将塑料或环氧树脂楔块耦合到钢材料的典型应用中，低入射角度会生成包含纵波和横波两种模式的声束，而且特定的纵波角度声束楔块确实存在。但是，在常用检测角度下，只会生成一个主横波，因为可以解方程的纵波角度会超出90度，而这种情况是不可能的。

在一般的检测中，声束会以生成的角度向下传播到被测样件的底面，然后再以相同的角度向上反射。前后移动探头会使声束扫查到焊缝的整个高度。这种扫查运动可以对整个焊缝体积进行检测，而且可以探测到焊缝的融合线处以及焊缝体积内的不连续性缺陷。
正如垂直声束检测，在角度声束检测中，操作人员要寻找对应于不连续性缺陷的反射信号。在进行初始设置时，操作人员须记下来自焊道或其他几何结构的任何回波。在代表焊缝的区域中出现的其他回波可能来自于未融合、裂纹、多孔性或其他不连续性缺陷，通过进一步分析，可以确定这些缺陷的类型、深度和大小。
在下面的示例中，声束通过合格焊缝，没有反射回来，因此屏幕上没有出现表示缺陷的指示信号。在另一幅图中，焊缝区域的不连续性引起了声束的较强反射，这个带有缺陷的区域由红色闸门标出。