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超聲無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 多浦樂    2023-08-21

超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)則可以追溯到 20 世紀(jì)初期。1929 年，前蘇聯(lián)科學(xué)家索科夫率先提出利用超聲波穿透物體去探測(cè)內(nèi)部缺陷和結(jié)構(gòu)，建立了早期的超聲波成像系統(tǒng)。20 世紀(jì) 60 年代，超聲檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為有效而可靠的無(wú)損檢測(cè)手段，并在工業(yè)探傷領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，超聲無(wú)損檢測(cè)儀器的數(shù)字化和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展催生了超聲檢測(cè)新技術(shù)的開發(fā)，超聲衍射聲時(shí)技術(shù)（TOFD）和相控陣技術(shù)（PA）等科技創(chuàng)新方法不斷涌現(xiàn)，使得超聲檢測(cè)結(jié)果可以進(jìn)行數(shù)據(jù)追溯。

從技術(shù)原理來(lái)看，人們能夠聽到聲音是因?yàn)槁暡▊鞯搅宋覀兊亩鷥?nèi)，聲波的頻率在 20HZ～20,000HZ，頻率低于或超過(guò)上述范圍時(shí)人們無(wú)法聽到聲音，頻率低于 20HZ 的聲波稱為次聲波，頻率超過(guò) 20,000HZ 的聲波稱為超聲波。聲波、次聲波、超聲波都是機(jī)械波，有聲速、頻率、波長(zhǎng)、聲壓、聲強(qiáng)等參數(shù)，在界面也會(huì)發(fā)生反射、折射。

機(jī)械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測(cè)物件的底面等）就會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。這種現(xiàn)象可被用來(lái)進(jìn)行超聲波探傷。

傳統(tǒng)超聲檢測(cè)采用脈沖法進(jìn)行檢測(cè)，高壓發(fā)生器發(fā)出的電壓施加在探頭上，由于壓電效應(yīng)的存在探頭發(fā)射出超聲波脈沖，通過(guò)聲耦合介質(zhì)（如機(jī)油或水等）進(jìn)入材料并在其中傳播；遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回超聲探頭，超聲探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在顯示端的熒光屏上。根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度（與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較），即可測(cè)定缺陷的位置和大致尺寸。

脈沖回波探傷法通常用于鍛件、焊縫等的檢測(cè)?？砂l(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部較小的裂紋、夾渣、縮孔、未焊透等缺欠。被檢測(cè)物要求形狀較簡(jiǎn)單，并有一定的表面光潔度。為了成批地快速檢查管材、棒材、鋼板等型材，可采用配備有機(jī)械傳送、自動(dòng)報(bào)警、標(biāo)記和分選裝置的超聲探傷系統(tǒng)。

近年來(lái)，超聲無(wú)損檢測(cè)儀器的數(shù)字化和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展催生了超聲檢測(cè)新技術(shù)的開發(fā)，超聲相控陣技術(shù)（PAUT）逐漸成為無(wú)損檢測(cè)行業(yè)主要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用范圍得到了不斷推廣，傳統(tǒng)的常規(guī)脈沖回波超聲技術(shù)正逐漸被超聲相控陣技術(shù)和全聚焦技術(shù)等替代。

超聲相控陣技術(shù)是借鑒相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的原理發(fā)展起來(lái)，起先應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，最初系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動(dòng)傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因使其在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用受限，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)逐漸用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)，尤其是在核工業(yè)與航空航天領(lǐng)域取得了很多技術(shù)上的突破，并越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于鍋爐、壓力容器、軌道交通、航空航天的無(wú)損檢測(cè)。

常規(guī)的超聲檢測(cè)通常采用一個(gè)壓電晶片來(lái)產(chǎn)生超聲波，一個(gè)壓電晶片只產(chǎn)生一個(gè)固定的聲束，其聲束傳播是預(yù)先設(shè)定的，在固定材料中不能變更；超聲相控陣技術(shù)則采用了多個(gè)壓電晶片，這種晶片排列稱為陣列，陣列中的每一個(gè)晶片稱為陣元，陣列晶片組輻射的總能量形成超聲束。通過(guò)控制陣列中各陣元的激勵(lì)（或接受）脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接受）聲波到達(dá)（或來(lái)自）物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方面的變化，達(dá)到檢測(cè)的目的。

依據(jù)相控陣技術(shù)，相控陣超聲檢測(cè)儀較常規(guī)工業(yè)超聲探傷儀相比具有如下顯著優(yōu)勢(shì)：

第一，可大幅提高檢測(cè)速度，可實(shí)現(xiàn)多角度掃查，通過(guò)獨(dú)有的 S 扇掃描，相當(dāng)于擁有多種角度的探頭同時(shí)工作，檢測(cè)效率以及缺陷檢出率更高，適用于批量生產(chǎn)和自動(dòng)化生產(chǎn)。相控陣超聲波信號(hào)可以形成多種顯示，包括 A 顯示、B 顯示、C 顯示、D 顯示和 S 顯示，通過(guò)平面投影圖形成頂視圖、側(cè)視圖和端視圖；

第二，超聲相控陣檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)直觀的圖像化檢測(cè)結(jié)果，一些高端的設(shè)備甚至可以 3D 的形式實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)狀態(tài)，直觀顯示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及缺陷分布，而常規(guī)工業(yè)超聲探傷儀只能通過(guò)波形來(lái)分辨產(chǎn)品缺陷，檢測(cè)結(jié)果不直觀且對(duì)分析人員的技術(shù)水平要求很高。

第三，相控陣超聲檢測(cè)儀對(duì)于形狀復(fù)雜的工件具有更大的優(yōu)勢(shì)，能夠解決很多常規(guī)工業(yè)探傷儀不能解決的難題，如檢測(cè)渦輪葉片的葉根，常規(guī)工業(yè)超聲探傷儀因?yàn)樘筋^聲束角度單一，存在很大的盲區(qū)，容易造成漏檢。

第四，常規(guī)工業(yè)超聲探傷儀精度相對(duì)較低、遠(yuǎn)距離傳輸和大規(guī)模存儲(chǔ)困難，大部分難以實(shí)現(xiàn)位置編碼記錄，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的全紀(jì)錄以及復(fù)雜的分析處理；超聲相控陣技術(shù)是基于相位控制的聲束合成技術(shù)，精度高，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)區(qū)域的聲能集中檢測(cè)，并具有多樣的可視化顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存，形成工業(yè)檢測(cè)“數(shù)字底片”，取用、再分析及通訊傳輸方便，更符合工業(yè)自動(dòng)化、智能化的需求。