概述

超聲波的主要應(yīng)用領(lǐng)域是無(wú)損檢測(cè)（NDT）。超聲測(cè)試已成為分析諸如金屬，塑料或復(fù)合材料等多種材料中的裂紋，空腔，氣泡和不均勻性等材料缺陷的標(biāo)準(zhǔn)方法。人們也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種方法用于執(zhí)行各種測(cè)試任務(wù)。

有了這套實(shí)驗(yàn)裝置，老師可以進(jìn)行一些見(jiàn)的超聲波測(cè)試方法，例如B脈沖回波法和超聲處理方法，角波束測(cè)試和超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)，并將其應(yīng)用于不同的材料樣品?；趯?duì)超聲波物理特性（例如聲速，聲衰減，反射，衍射，散射）的了解，在特殊的測(cè)試塊上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以調(diào)整超聲測(cè)試設(shè)備，例如DGS圖的生成（距離增益大小圖）或角波束探頭的校準(zhǔn)。此外，針對(duì)不同類型的故障對(duì)不同測(cè)試方法的性能進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行定量測(cè)量，例如，測(cè)量鋁樣品中的裂紋深度。

通過(guò)使用范圍內(nèi)的其他材料樣品和附件擴(kuò)展套件，可以將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到使用剪切和表面聲波或?qū)Рǎㄌm姆波）的更特殊的測(cè)試方法。該套件的測(cè)試和測(cè)量提供了生動(dòng)介紹超聲測(cè)試問(wèn)題的可能性，因此對(duì)于相關(guān)工程學(xué)科的培訓(xùn)變得相對(duì)有趣些。

實(shí)驗(yàn)課程覆蓋

1. 脈沖回波方法（A-Scan）的基礎(chǔ)

2. 分辨率功率的頻率依賴性

3. 無(wú)損檢測(cè)（NDT）

4. 液位測(cè)量

5. 角鋼測(cè)試

6. 裂紋深度確定（TOFD）

7. 液體中的聲衰減

8. 邊界處的反射和傳輸

9. 檢測(cè)不連續(xù)性

方案包含以下設(shè)備  

10400   超聲波回波鏡GS200   1套   

10152   2個(gè)超聲波探頭2 MHz   1套   

10154   超聲波探頭4 MHz   1套   

10201   測(cè)試塊（透明）   1套   

10208   聲阻抗樣本   1套   

10218   剪切波套件   1套   

10233   角鋼楔形17°   1套   

10234   角梁楔38°   1套   

10237   收發(fā)器延遲線（TOFD）   1套   

10240   角鋼探頭測(cè)試塊   1套   

10241   裂紋深度測(cè)試塊   1套   

10242   間斷測(cè)試塊   1套   

70200   超聲波凝膠   1瓶   

實(shí)驗(yàn)1　脈沖回波方法（A-Scan）

實(shí)驗(yàn)主題

通過(guò)脈沖回波方法檢查內(nèi)置有瑕疵的樣品。 從樣品的不同側(cè)面進(jìn)行幅度掃描。 檢查并分析記錄在A掃描圖像中的回波信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐方面

脈沖回波方法構(gòu)成了用于非侵入性醫(yī)學(xué)診斷和非破壞性測(cè)試中許多成像方法的基礎(chǔ)。 在這種方法中，電脈沖通過(guò)超聲波探頭轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。 它們耦合到被檢查的樣本中，并作為聲波通過(guò)。 干擾反射的波返回到探頭，并轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。 該信號(hào)幅度的時(shí)間記錄（振幅掃描）以圖形方式成像為所謂的超聲A掃描圖像。 根據(jù)A掃描圖像中的反射回波，可以確定聲波的飛行時(shí)間，計(jì)算出材料中的聲速以及檢測(cè)到的樣品中的不連續(xù)性或瑕疵的位置。

實(shí)驗(yàn)2   分辨率功率的頻率依賴性

實(shí)驗(yàn)主題

基于兩個(gè)較小且間隔很近的不連續(xù)點(diǎn)，研究了兩個(gè)不同頻率的超聲波探頭的軸向分辨率。 通過(guò)分析記錄的A掃描圖像，證明了波長(zhǎng)，頻率，脈沖長(zhǎng)度和分辨率功率之間的聯(lián)系。

實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐方面

超聲系統(tǒng)的調(diào)查方法是基于將測(cè)試區(qū)域中某個(gè)點(diǎn)上的信息準(zhǔn)確分配給已記錄的超聲回波。 因此，超聲探頭的分辨能力極為重要。 分辨率能力可以描述為兩點(diǎn)之間的最小可能距離，其回聲仍然可以單獨(dú)檢測(cè)到。 在實(shí)驗(yàn)中，將使用1 MHz探頭和4 MHz探頭研究測(cè)試塊中的兩個(gè)相鄰不連續(xù)點(diǎn)。 選擇不連續(xù)性的大小，位置和間距，以便僅使用兩個(gè)測(cè)試探針之一才能進(jìn)行區(qū)分。 這樣，可以清楚地顯示出頻率對(duì)超聲波探頭的軸向分辨率功率的影響。

實(shí)驗(yàn)3   無(wú)損檢測(cè)（NDT）

實(shí)驗(yàn)主題

為了根據(jù)脈沖回波方法定位并確定不連續(xù)的大小，針對(duì)常規(guī)超聲探頭對(duì)超聲設(shè)備進(jìn)行了校準(zhǔn)。 為此，使用時(shí)間增益控制（TGC）編譯DGS圖（距離增益大?。⒃贒GS圖中為一系列不同深度的相同大小的替換反射器設(shè)置水平評(píng)估線。

實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐方面

對(duì)于根據(jù)垂直回聲耦合的脈沖回波方法進(jìn)行的超聲測(cè)試，使用標(biāo)準(zhǔn)的普通探頭。 不連續(xù)性的定位在此通過(guò)聲波的反射來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中飛行時(shí)間充當(dāng)對(duì)不連續(xù)性深度的度量。 相反，由于材料衰減和聲場(chǎng)特性，尺寸的精確確定通常是有問(wèn)題的。 大空間擴(kuò)展的不連續(xù)性的大小可以通過(guò)掃描來(lái)確定。 通過(guò)從距離增益尺寸圖中與理想的替換反射器進(jìn)行比較，可以確定小的不連續(xù)點(diǎn)的大小。 在實(shí)驗(yàn)中，將使用帶有定義的替換反射器（不同大小和深度的鉆孔）的測(cè)試塊制作此類DGS圖。

實(shí)驗(yàn)4   液位測(cè)量

實(shí)驗(yàn)主題

在實(shí)驗(yàn)中，為任何形狀的兩相液體罐建立超聲波液位測(cè)量。 記錄填充量的校準(zhǔn)曲線，并根據(jù)定義的填充量進(jìn)行檢查。 超聲波限位開(kāi)關(guān)已經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以地填充儲(chǔ)罐。

實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐方面

對(duì)于大量的工業(yè)過(guò)程，特別是工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化，液位計(jì)例如在油庫(kù)中，反應(yīng)堆，收集罐等。以及不同的機(jī)械，電容，光學(xué)和電磁傳感器，在許多領(lǐng)域，超聲波傳感器也用于液位測(cè)量。它們幾乎可以在任何介質(zhì)中使用，包括多種材料彼此疊置，形成泡沫甚至在腐蝕性的液體中使用，因?yàn)樗梢詮耐獠客ㄟ^(guò)容器壁進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)中，液位測(cè)量裝置配置為連續(xù)測(cè)量。對(duì)于兩種不同的液體（水和油），確定了可檢測(cè)的最小填充量，并對(duì)每種液體進(jìn)行了體積校準(zhǔn)。借助于校準(zhǔn)，在兩種液體的兩層系統(tǒng)上進(jìn)行液位測(cè)量。此外，記錄并分析用于限位開(kāi)關(guān)的合適超聲波信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)5   角鋼測(cè)試

實(shí)驗(yàn)主題

實(shí)驗(yàn)演示了使用超聲角波束探頭定位不連續(xù)性。 使用具有不同入射角的延遲線進(jìn)行測(cè)量，并設(shè)置一條延遲線以定位鋁中的不連續(xù)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐方面

不連續(xù)性通常不平行于測(cè)試對(duì)象的表面，因此以特定的角度穿過(guò)聲波是實(shí)際的甚至是必要的，即用角射束探頭進(jìn)行調(diào)查。 雖然用于深度測(cè)量的普通探頭的校準(zhǔn)僅需要飛行時(shí)間和聲速，但對(duì)于角波束探頭，則需要考慮其他幾何因素，例如入射角，延遲線的長(zhǎng)度，聲音出射點(diǎn)以及其他 剪切波的激勵(lì)-由于傾斜的聲音耦合，必須考慮在內(nèi)。 與實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)塊進(jìn)行校準(zhǔn)不同，在實(shí)驗(yàn)中，使用了簡(jiǎn)化的鋁質(zhì)測(cè)試塊。 由于結(jié)合了正常探頭使用了不同角度的光束楔形，可以研究不同入射角的超聲回波。

實(shí)驗(yàn)6   裂紋深度確定（TOFD）

實(shí)驗(yàn)主題

裂紋深度的確定是在具有規(guī)定裂紋的鋁制試塊上進(jìn)行的。有兩種方法，即回波幅度方法和TOFD方法（飛行時(shí)間衍射），就其性能和檢測(cè)限進(jìn)行比較評(píng)估。

實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐方面

在有關(guān)二維分離（裂紋）的部件的斷裂力學(xué)評(píng)估中，需要有關(guān)缺陷幾何形狀的準(zhǔn)確信息，例如裂紋深度，裂紋長(zhǎng)度和裂紋深度位置。斜角探頭可以非常靈敏地檢測(cè)出表面裂紋。在此過(guò)程中，搜索在裂紋和表面之間的角度中出現(xiàn)的回波。根據(jù)裂紋的大小和深度，使用兩種不同的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和評(píng)估。在測(cè)試塊上，a）根據(jù)回波幅度方法確定用于確定裂紋深度的凹槽特征線，b）使用TOFD方法（飛行時(shí)間衍射）確定裂紋深度。根據(jù)結(jié)果，可以評(píng)估兩種方法在裂縫幾何形狀方面的適用性和敏感性。另外，可以通過(guò)使用TOFD探頭記錄TOFD B掃描圖像來(lái)進(jìn)行另一裂紋深度估計(jì)并進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)7   液體中的聲衰減

實(shí)驗(yàn)主題

在實(shí)驗(yàn)中，研究聲波在不同液體中的衰減隨聲程的變化。對(duì)于每種液體，聲衰減系數(shù)通過(guò)線性回歸來(lái)確定。

實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐方面

在氣體和液體中，聲音傳播以縱波的形式發(fā)生。在此，聲波在液體中，吸收，反射或散射的過(guò)程中會(huì)損失能量。 除此之外，聲場(chǎng)的幾何形狀還會(huì)影響聲的衰減。 在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了一個(gè)由鋁制成的簡(jiǎn)單可移動(dòng)聲反射器的反射回波的幅度。 由于在要研究的液體中移動(dòng)，可以使用脈沖回波方法快速確定大量不同聲音路徑的振幅值。 信號(hào)幅度A的衰減在這里可以通過(guò)衰減A = A0 · e-αx的一般規(guī)律來(lái)描述。 對(duì)于兩個(gè)不同的聲音路徑x1和x2，將得到以下線性化形式：2 · Ln(A2/A1) = α · (x1 - x2). 。 相應(yīng)的液體的衰減系數(shù)α因此可以通過(guò)衰減聲程圖中的測(cè)量點(diǎn)通過(guò)線性回歸來(lái)確定。

實(shí)驗(yàn)8   邊界處的反射和傳輸

實(shí)驗(yàn)主題

在實(shí)驗(yàn)中，研究邊界處超聲波的反射和透射的影響。反射系數(shù)是針對(duì)丙烯酸，PVC和黃銅材料的不同組合確定的。

實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐方面

如果超聲波擊中具有不同特征聲阻抗的兩種材料的邊界，則會(huì)部分或幾乎*反射。 反射聲能的部分取決于相應(yīng)材料的特征聲阻抗之間的差異大小，并由反射系數(shù)來(lái)描述。 由于空氣的低密度和聲速，固體-空氣邊界處的反射系數(shù)幾乎為1。因此，在實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)比較確定丙烯酸，PVC和黃銅材料的不同組合的反射系數(shù) 測(cè)量與空氣的反射系數(shù)。 此外，可以通過(guò)比較所研究的反射回波來(lái)定性描述材料的衰減特性。

實(shí)驗(yàn)9   檢測(cè)不連續(xù)性

實(shí)驗(yàn)主題

使用具有不同類型的不連續(xù)性（缺陷）的測(cè)試塊，分析超聲無(wú)損檢測(cè)不同不連續(xù)性定位技術(shù)的適用性和性能，并討論了針對(duì)特定測(cè)試任務(wù)的正確定位技術(shù)的選擇。

實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐方面

根據(jù)不連續(xù)的類型，有必要采用不同的定位方法和尺寸確定方法。 在實(shí)驗(yàn)中，使用普通探針，角波束探針和發(fā)射器-接收器探針（TR或雙元素探針）研究了具有理想間斷的測(cè)試塊。 每個(gè)探針記錄測(cè)試塊的B掃描圖像并進(jìn)行分析。 在第二系列測(cè)試中，使用每個(gè)探針確定發(fā)現(xiàn)的不連續(xù)性的信噪比。 基于這些結(jié)果，評(píng)估不連續(xù)類型的單獨(dú)定位方法的可檢測(cè)性，并針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的特殊測(cè)試任務(wù)討論了它們的選擇。

各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備表格