7.1.2.1 超声波产生、性质
1.超声波产生与接收 产生超声波的方法有机械法、热学法、电动力法、磁滞伸缩法和压电法等。其中压电法最为简单，且用较小功率就能产生很高频率的超声波。另外，利用压电原理制造的探测仪结构灵巧，使用方便，工作频率范围可满足各种检测要求。因而检测中普遍采用压电法产生超声波。
压电法利用压电晶体来产生超声波。压电晶体具有压电效应。由压电晶体切割成的晶片在受到拉应力或压应力作用而发生体积上变化的同时，会在晶片两表面产生不同极性的电荷，如图7-23a所示；晶片受电信号激励，会在厚度方向产生伸缩变形的机械振动，如图7-23b所示。前者称为正压电效应，后者称为逆压电效应。
图7-22 各种射线检测设备使用范围
□—灵敏度1% □—灵敏度1%以下
超声波的产生和接收是利用超声波探头（也称为换能器）中的压电晶片的压电效应来实现的。由超声波检测仪产生的电振荡以高频电压的形式加在探头中压电晶片两面电极上，由于逆压电效应晶片在厚度方向产生伸缩变形的机械振动，若压电晶片与被检测物表面有良好耦合，机械振动就以超声波形式传播进入被检工件，这就是超声波的产生。反之，当探头中晶片受超声波（遇到异质界面反射回来的超声波）的作用而发生伸缩变形时，正压电效应又会使晶片两表面产生不同极性电荷，形成超声频率的高频电压，这就是超声波的接收（高频电压以回波电信号形式经超声波检测仪的示波屏显示）。
图7-23 压电效应
a）正压电效应 b）逆压电效应
2.超声波性质
（1）良好的指向性。有以下两个含义：
1）直线性。超声波的波长很短（毫米数量级），它在弹性介质中能像光波一样沿直线传播，并符合几何光学规律。由于声速对固定介质来说是个常数，因此根据传播时间就能求得传播距离，此点为超声波检测缺陷定位提供了依据。
2）束射性。声源（压电晶片）产生的超声波声能集中在一定区域（超声场）定向辐射。以圆形压电晶片在液体介质中以脉冲波形式发射的纵波超声场为例，如图7-24所示。
分析表明：
①超声波能量主要集中在2θ以内的锥形区域内，如图7-24a所示。θ（称为半扩散角）愈小，波束指向性愈好。超声波能量愈集中，检测灵敏度愈高，分辨力愈高，定位也愈精确。
θ=arcsin1.22（λ/D）
式中 λ——超声波波长（mm）；
图7-24 圆盘源超声场
a）声束未扩散区与扩散区（N—近场长度）
b）轴线上声压分布 c）纵截面声压分布
在超声波检测中，压电晶片尺寸一般都数倍于波长，因此产生的超声波具有束射性。波长愈短（或超声频率愈高）、压电晶片尺寸愈大，则声束指向性愈好。
②从图7-24b可看出：在距压电晶片表面距离1N内，声源轴线上的声压具有多个极大值，这个区域在声学上被称为声源的近场区。最后一个声压极大值至声源的距离N被称为近场长度（mm），其值可由下式求得
式中 D——压电晶片直径（mm）；
λ——超声波波长（mm）。
在大于近场区长度以外的区域称为远场区，声压随距离增加而单调减小。
若使用近场区检测，可能会发生即使是小缺陷若正好处于某个声压的极大值下，也会得到较高的反射回波；而大缺陷若正好处于某个声压的极小值下，也只能得到较小的反射回波，甚至会没有回波，这样一来很容易造成缺陷的漏检、误判，所以在超声波检测中，近场区不能被用于检测。
③在近场区内，声压不仅沿轴线有极小到极大值的交替变化，从图7-24c可以看出：声压在声场横截面上的变化也很复杂。在轴线声压为零（如x=0.5N处，其中x是距压电晶片表面的距离）的横截面上，偏离轴线的各点声压并非都为零，而有一定的起伏变化。在远场区，声压变化比较单纯，各横截面中心声压最高，偏离中心轴线的声压逐渐降低。
④未扩散区（图7-24a中b≈1.64N）内，波阵面近似平面，声场可以看成平面波声场，平均声压基本不变。扩散区的主波束可以被看成直径为D的截头圆锥体。当x≥3N时，波束按球面波规律扩散。
（2）能在弹性介质中传播，不能在真空中传播。超声波通过介质时，按照介质质点振动方向与波的传播方向间相互关系，可分为纵波、横波、表面波和板波等。各类型波的特点及常见材料的声学特性见表7-16和表7-17。
应该注意，由于金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型，因此对金属进行检测时必须选择所需超声波类型，否则会使回波信号发生混乱而得不到正确的检测结果。
表7-16 各种类型超声波主要特点
①SH波也是板波一种，因应用较少，未列入表中。
表7-17 常见材料声学特性及有关物理参数
（续）
超声波检测中常把空气当做真空处理，也就是说我们认为超声波是不能通过空气传播的。
（3）界面的透射、反射、折射和波型转换。超声波从一种介质入射到另一种介质时，经过异质界面时将会产生以下几种情况：
1）垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射。如图7-25所示，当超声波从第一种介质垂直入射到第二种介质上时，其能量的一部分被反射而形成与入射波方向相反的反射波，其余能量则透过界面产生与入射波方向一致的透射波。超声波反射能量W反与入射能量W入之比称为超声波能量反射系数，即K=W反/W入。几种界面的K值见表7-18。
表7-18 异质界面反射系数K（%）
从表7-18中可以看出：固—气界面K≈100%，因而良好的耦合是超声波检测时的一个必要条件。反射系数K的大小仅决定构成异质界面的两种介质声阻抗Z之差。差值愈大，K值愈大，而与哪种介质为第一介质无关。
图7-25 超声波垂直入射异质界
当界面尺寸df很小时，超声波将能绕过它继续前进，即产生所谓的绕射，如图7-26所示。由于绕射使反射回波减弱，超声波检测中能探测到的最小缺陷尺寸为dr=λ/2。显然要探测更小缺陷，就必须提高超声波频率。
图7-26 超声波绕射
2）倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换。超声波由第一种介质倾斜入射到第二种介质时，在异质界面上将会产生波的反射、折射和波形的转换。图7-27所示为超声波纵波倾斜入射的反射、折射。不同波型入射角、反射角、折射角的关系遵循几何学原理：
式中 CL、CL1——介质Ⅰ的纵波声速（m/s）；
CS1——介质Ⅰ的横波声速（m/s）；
CL2——介质Ⅱ的纵波声速（m/s）；
CS2——介质Ⅱ的横波声速（m/s）；
α——纵波入射角（°）；
αS——横波反射角（°）；
αL——纵波反射角（°）；
γL——纵波折射角（°）；
γS——横波折射角（°）。
从上式可以看出：随纵波入射角α增大，反射角αL、αS和折射角γL、γS都增大。在同一种介质中，CL＞CS，所以αL＞αS。从图7-27可看出：随α进一步增加到某一角度时，γL可达到90°，即在第二种介质内只有折射的横波存在。这时的纵波入射角称内第一临界角，记作α1m。若继续增大α，则可使γS达到90°，这时的纵波入射角称内第二临界角，记作α2m。此时，在第一介质和第二介质的界面上产生表面波的传播。
图7-27 超声波纵波倾斜入射的反射与折射（Z1＜Z2）
由第一临界角和第二临界角物理意义可知：
①当α＜α1m时，第二种介质中同时存在折射纵波和折射横波，这在超声检测中不采用。
②当α1m≤α＜α2m时，第二种介质中仅存在有折射横波，这是常用超声波检测斜探头设计的原理和依据。
③当α≥α2m时，第二种介质中既无折射纵波也无折射横波，但在第二介质表面存在表面波，这是表面波探头设计的原理和依据。
（4）具有穿透物质和在物质中衰减的特性。超声波的声能（声强）与频率的平方成正比，一般检测用的超声波所用频率常大于1MHz，所以超声波具有比射线更强的穿透能力，尤其是在钢等金属材料中，传输损失少，传播距离大（一般可达数米远），这是其他检测方法不能比拟的。
3.超声波的衰减 超声波在介质中传播衰减的原因有三点：
（1）散射引起的衰减。超声波在介质中遇到声阻抗不同的界面（例如不均匀和各向异性的金属晶粒界面），会在界面上产生散乱反射、折射和波型转换，从而损耗声波的能量，这种衰减称为散射衰减。在金属中散射程度取决于晶粒大小与超声波波长之比。晶粒尺寸愈大，频率愈高，散射引起的衰减愈厉害。当波长λ与晶粒平均尺寸d比值约为3时，其衰减量最大。
（2）吸收引起的衰减。超声波传播时，介质质点间产生相对运动，相互摩擦使部分声能转化为热能引起衰减。在液体介质中吸收衰减是主要的，但对于金属材料来说吸收衰减几乎可以略去不计。
（3）声束扩散引起的衰减。随超声波传播距离的增加，波束截面增大使单位面积上的声能减小。
在金属材料的超声波检测中，主要考虑散射引起的衰减，其规律为
式中 pX——离压电晶片表面为X处的声压（Pa）；
p0——超声波原始声压（Pa）；
e——自然对数的底；
α——金属材料散射衰减系数（dB/m）；
X——超声波在材料中传播的距离（m）。
上式表明，声压按负指数规律衰减。散射衰减系数α与频率f、晶粒平均尺寸d及各向异性系数F有关。当d远远小于λ时，α与f4、d3成正比。因此在检测晶粒较粗大的工件时，为减少散射衰减常选用较低的工作频率。可淬硬钢的焊缝检测也建议在调质热处理晶粒得到细化后进行。
7.1.2.2 超声波检测方法
超声波检测可采用各种方法，常用的有：
（1）按原理分：脉冲反射法、穿透法、共振法。
（2）按回波显示方式分：A型、B型、C型和3D显示。
（3）按波型分：纵波法、横波法、瑞利波法。
（4）按所用探头个数分：单探头法、双探头法、多探头法。
（5）按耦合方式分：直接接触法、液浸法。
1.脉冲反射法超声波检测 是超声波检测中应用最广的方法。其原理是将一定频率间断发射的超声波（一般称为脉冲波）通过一定介质（一般称为耦合剂）的耦合传入工件。超声波在工件中传播，遇到异质界面（缺陷或工件底面）时，超声波将产生反射，反射波（一般称为回波）被超声波检测仪接收并以电脉冲信号形式在检测仪的示波屏上显示出来，由反射回波判断有无缺陷，进而进行缺陷的定位和缺陷的定量。
2.A型、B型、C型和3D显示
（1）A型显示。超声波检测仪示波屏上的纵坐标代表反射波回波的振幅，横坐标代表超声波的传播时间（或传播距离）。反射波幅的高低与接收的电信号大小有关，电信号大小取决于接收反射回波声能的大小。反射回波声能大小又与缺陷反射面的尺寸和形状有一定关系，因此可利用反射回波幅度间接对缺陷作出定量评价。由于示波屏上的水平扫描线（横坐标）的长短与扫描电压有关，而扫描电压与时间成正比，因此依据反射回波（缺陷反射回波F或工件底面反射回波B）在扫描线上的位置即能计算出超声波的传播时间，也就是计算出超声波传播距离，对缺陷进行定位。
（2）B型显示为缺陷侧视图像显示。它是脉冲回波超声平面成像的一种。它以亮点显示接收信号，以超声波检测仪示波屏面代表由探头在工件检测面上的移动线和超声波声束所决定的截面。纵坐标代表超声波的传播时间（或距离），横坐标代表探头的水平位置。它可以显示缺陷在横截面上的二维特征。完成这种显示的探头动作方式称为B扫描。
（3）C型显示为缺陷俯视图像显示。它是脉冲回波超声平面成像的一种。它以亮点或暗点显示接收信号。超声波示波屏面所表示的是被检测工件某一深度上与声束相垂直的一个平面投影像（一幅画面只能显示同一深度上不同位置的缺陷）。完成这种显示的探头动作方式称为C扫描。为保证成像精度，一般采用水浸法检测。早期C型显示只能检测出缺陷的长度和宽度（水平像），而无法测出其埋藏深度，现改成彩色显示屏则可以用不同颜色表示埋藏深度。
（4）3D显示为缺陷三维图像显示。B型显示和C型显示的不足之处是对于缺陷的深度和空间分布不能一次记录成像，而3D技术能把B型和C型显示相结合产生一个准三维的投影图像，同时能显示出缺陷在空间的特征。
3.直接接触法 它是使探头直接接触工件进行检测的一种方法。应用直接接触法应在探头和被检工件之间涂一层耦合剂，作为传声介质。常用的耦合剂有全损耗系统用油、变压器油、甘油、化学糨糊、水玻璃和水等。由于探头与工件表面之间的耦合剂很薄，因此可以把探头看作与工件直接接触。直接接触法又分为垂直入射和斜角入射两种基本方法。直接接触法主要采用A型（显示）脉冲反射法工作原理。由于操作方便、检测图形简单、判断容易且灵敏度高，因此该方法在实际生产中得到最广泛应用。但该方法对工件探测面的表面粗糙度有较高要求，一般Ra在6.3μm以下。
1）垂直入射法（简称为垂直法）。由于是采用直探头将纵波垂直入射工件检测面来进行检测，故又称为纵波法，如图7-28所示。垂直法检测能发现与检测面平行或近似平行的缺陷，适用于厚材料（如钢板）和几何形状较简单的轴类、轮类工件。
2）斜角入射法（简称为斜射法）。由于是采用斜探头将折射横波倾斜入射工件检测面来进行检测，故而又称为横波法，如图7-29所示。
斜角入射法能发现与检测表面成角度的缺陷，常用于焊缝、环形锻件、管材的检测。
图7-28 垂直法检测
a）无缺陷 b）小缺陷 c）大缺陷
图7-29 斜角入射法检
a）无缺陷 b）有缺陷 c）接近板端
4.液浸法超声波检测 是将工件和探头头部浸在耦合剂中，探头不接触工件的探测方法。根据工件和探头浸没方式，分为全没液浸法、局部液浸法和喷流式局部液浸法等。液浸法具有探头不磨损、声波的发射和接收比较稳定、易于实现检测过程自动化，以及可明显提高检查速度的优点。常用于坯材、型材自动检测，焊缝的精密检测。液浸法的主要缺点是需要液槽、探头桥架、探头移动操纵装置等辅助设备。用水作耦合剂称为水浸法，探头常用聚焦探头（水浸聚焦超声波检测）。
7.1.2.3 超声波检测设备
超声波检测仪、探头和试块是超声波检测的重要设备。
1.探头 探头又称为压电超声换能器，是实现电能与声能相互转换的器件。常采用的探头有直探头、斜探头、水浸聚焦探头和双晶探头。
（1）直探头。声束垂直于被检工件表面入射的探头称为直探头，可发射与接收纵波，典型结构如图7-30所示。
保护膜的作用是使压电晶片免于和工件直接接触受磨损，材料有耐磨橡胶、塑料、环氧树脂、不锈钢片、刚玉片等。
图7-30 直探头内部结构
1—保护膜 2—压电晶片 3—吸收块 4—匹配电感
压电晶片由压电材料切割成薄片制成。材料分单晶（石英、硫酸锂、碘酸锂等）和多晶（钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等压电陶瓷）两大类。晶片表面敷有很薄一层银层作电极，“负”极引出导线接检测仪的发射端，“正”极接地。
吸收块又称为阻尼块，由环氧树脂、硬化剂（二乙烯三胺或乙二胺）、增塑剂（邻苯二甲酸二丁酯）、橡胶液和钨粉等组成并浇铸在“负”极上。其作用是吸收杂波，并使晶片在激励电脉冲结束后将声能很快损耗掉而停止振动，以便使晶片很快地能接收反射回波信号。
匹配电感（或电阻）对于压电陶瓷晶片制成的探头十分重要。加入与晶片并联的匹配电感（或电阻）可使探头与检测仪的发射电路匹配，以提高发射效率。
（2）斜探头。利用透声斜楔块使声束倾斜于被检测工件表面入射的探头称为斜探头，典型结构如图7-31所示。
图7-31 斜探头结构
1—吸收块 2—斜楔块 3—压电晶片 4—内部电源线 5—外壳 6—接头
斜楔块用有机玻璃制作，它与工件组成固定倾角的异质界面，使压电晶片发射的纵波的入射角满足α1m≤α＜α2m，在工件中仅存在折射横波传播。通常横波斜探头以折射角正切值标称：K=tanγ=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。有时也以折射角标称：γ=40°、45°、50°、60°、70°。
（3）水浸聚焦探头。其结构如图7-32所示。声透镜由环氧树脂浇铸成球形或圆柱形凹透镜，根据声学折射定律可使声束聚成一点或一条线，前者为点聚焦探头，后者为线聚焦探头。
图7-32 水浸聚焦探头结构
1—接头 2—外壳 3—阻尼块 4—压电晶片 5—声透镜
（4）双晶探头。又称为分割式TR探头。它内含两个晶片，分别为发射、接收晶片，中间用隔声层隔开。主要用于近表面检测和测厚。
（5）探头型号。由五部分组成，用一组数字和字母表示，其排列顺序如下：
1）基本频率，单位常用MHz。
2）晶片材料。常用晶片材料及其代号见表7-19。
3）晶片尺寸，单位常用mm。圆形晶片为晶片直径，方形晶片为晶片长×宽。
表7-19 晶片材料代号
4）探头种类。用汉语拼音缩写字母表示，探头代号见表7-20。
5）探头特征。斜探头为K值或γ，分割探头为被探工件中声束交区深度（mm），水浸探头为水中焦距（mm），点聚焦探头为DJ，线聚焦探头为FJ。
表7-20 探头代号
探头型号举例1：2.5B20Z，其中2.5表示基本频率为2.5MHz；B表示晶片用钛酸钡陶瓷制成；20表示圆晶片直径为20mm；Z表示直探头。
探头型号举例2：5P6×6K3，其中5表示基本频率5MHz；P表示晶片用锆钛酸铅陶瓷制成；6×6表示方形晶片尺寸6mm×6mm；K表示以K值表示的斜探头；3表示K=3.0。
探头型号举例3：6H14SJ10DJ，其中6表示基本频率为6MHz；H表示晶片材料为碘酸锂单晶；14表示圆形晶片直径为14mm；SJ表示水浸探头；10DJ表示点聚焦，水中焦距10mm。
2.试块 按一定用途设计制作的具有简单形状人工反射体的试件称为试块，它是检测标准的一个组成部分，是判定检测对象质量的重要尺度。根据使用目的和要求，试块分标准试块和对比试块两大类。
1）标准试块是由法定机构对材质、形状、尺寸、性能等作出规定和检定的试块。由国际组织（如国际焊接学会HHW）讨论通过的，称为国际标准试块。由某国权威机构讨论通过的，称为该国的标准试块。我国GB/T 11345—1989规定：CSK-HB试块为焊缝检测用标准试块。CSK-HB试块是HSO 2400—1972（E）国标标准试块（即HHW-H型试块）的改变型，其形状和尺寸如图7-33所示。
图7-33 CSK-IB试形状及尺寸
标准试块的主要用途：
①利用R100mm圆弧面测定探头入射点和前沿长度，利用ϕ50mm孔的反射波测定斜探头K值。
②校检探测仪水平线性和垂直线性。
③利用ϕ1.5mm横孔的反射波调整检测灵敏度，利用R100mm圆弧面调整探测范围。
④利用ϕ50mm圆孔估测直探头盲区和斜探头前后扫查声束特性。
⑤采用测试回波幅度或反射波宽度的方法可测定远场分辨力。
2）对比试块又称为参考试块，它是各专业部门按某些具体检测对象规定的试块。例如GB/T11345—1989规定RB试块为焊缝检测用对比试块。该试块共三种，即RB-1试块适用于8～25mm板厚、RB-2试块适用于8～100mm板厚、RB-3试块适用于8～150mm板厚，它们的形状和尺寸如图7-34～图7-36所示。
图7-34 RB-1试块形状及尺寸
图7-35 RB-2试块形状及尺寸
图7-36 RB-3试块形状及尺寸
RB试块主要用于绘制距离-波幅曲线，调整探测范围和扫描速度，确定检测灵敏度和评定缺陷大小。它是对工件进行评级判废的依据。
3.超声波检测仪 超声波检测仪的主要功能是产生超声频率的电振荡，并以此来激励探头发生超声波（频率同电振荡频率）。同时，它又将探头送回的电信号进行放大、处理，并通过一定方式显示出来。
（1）超声波检测仪分类。按超声波的连续性可将检测仪分为脉冲波、连续波和调频波检测仪三种。由于后两种检测仪的灵敏度不及脉冲波检测仪的高，故而在焊缝检测中均不采用。
按缺陷显示方式可将探测仪分为A型显示、B型显示、C型显示和3D显示几种。
按超声波的通道数目可将探测仪分为单通道和多通道两种。前者由一个或一对探头工作；后者则由多个或多对探头交替工作，而每一通道相当于一台单通道检测仪，它适合于自动化检测。例如BCST-9型双通道超声波检测仪和专为中厚钢板自动检测的CTS-20型80通道穿透式超声波检测仪。
目前广泛用于焊缝检测的超声波检测仪有CTS-22、CTS-26、JTS-5、JTSZ-1、CTS-3、CTS-7型，它们均是A型显示脉冲反射式单通道超声波检测仪。
（2）A型显示脉冲反射式超声波检测仪工作原理。电路框图如图7-37所示。接通电源后，同步电路产生的触发脉冲加至扫描电路并同时也加至发射电路。扫描电路接收触发脉冲后开始工作，产生锯齿波加至示波管水平（x轴）偏转板上，使电子束发生水平偏转，从而在示波屏上产生一条水平扫描线（又称为时间基线）。与此同时，发射电路接收触发脉冲后产生的高频窄脉冲加至探头，激励探头中压电晶片振动而产生超声波。超声波通过探测表面的耦合剂导入工件并在工件中传播。在传播过程中，遇到异质界面（缺陷或工件底面）会发生反射，回波被同一探头（或一对探头中的接收探头）接收转为电信号（由压电晶片转换），经接收电路放大、检波后加至示波管垂直（y轴）偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线相应位置上产生始波T（工件与探头接触面反射波）、缺陷波F（伤波）、底波B（工件底面反射波）。通过始波T和缺陷波F之间的距离，便可确定缺陷离工件表面的距离，同时通过缺陷波的幅高可判断缺陷大小。
图7-37 A型脉冲反射式超声波检测仪原理
7.1.2.4 超声检测中共性问题
1.对受检件的要求 见表7-21。
表7-21 对受检件要求
2.探头选择
（1）探头形式选择。根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等选择探头形式，原则上应尽量使声束轴线与缺陷反射面垂直。
（2）晶片尺寸选择。晶片尺寸增大，声束指向性好，声能集中，对探测有利。但同时，晶片尺寸大，近场区长度加大，又对探测不利。实际检测中，大厚度工件或粗晶材料检测宜采用大尺寸晶片探头，而较薄工件或表面曲率较大工件的检测，则宜选小尺寸晶片探头。
（3）频率选择。频率高，检测灵敏度和分辨力较高且指向性也好，对检测有利。但同时，频率高又使近场区长度增大、衰减大，对检测不利。因此，对于粗晶材料、厚大工件的检测宜选用较低频率；对较细小晶粒材料、薄壁工件的检测，宜选用较高频率。
对于脉冲垂直入射纵波接触法，常用的频率范围见表7-22。焊缝检测时，一般选用2～5MHz频率，推荐采用2～2.5MHz。
表7-22 脉冲接触法常用频率范围
（4）探头K值或角度选择。原则上根据工件厚度和缺陷方向选择，应尽可能使声束垂直于缺陷并能探测到整个工件厚度。
薄工件宜采用大K值斜探头；大厚度工件宜采用小K值斜探头。如果检测垂直于检测面的裂纹，斜探头K值愈大，声束轴线与缺陷反射面越接近于垂直，缺陷反射回波声压就越高，即灵敏度愈高。对有些要求比较严格的工件，检测时有必要采用多个具有不同K值的斜探头，以便发现不同取向的缺陷。
3.检测灵敏度的选定及调整
（1）灵敏度的选定。检测灵敏度是指在确定的探测范围内的最大声程（距离）处发现规定大小缺陷的能力。超声波检测灵敏度是以发现与工件同厚度、同材质对比试块上最小人工缺陷来判定的。常用的人工缺陷有长横孔、平底孔和短横孔等。例如在GB/T 11345—1989《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》标准中，不同检验级别的焊缝其检测灵敏度的规定方法是通过取ϕ3mm长横孔反射波幅的一定百分比来实现的。在焊缝检测的各种标准中，对超声波检测灵敏度的规定都采用三档，即距离—波幅曲线中的评定线（EL）、定量线（SL）和判废线（RL）灵敏度，如图7-38所示。
图7-38 距离—波幅曲线示意图(www.xing528.com)
Ⅰ—弱信号评定区 Ⅱ—长度评定区 Ⅲ—判废区
GB/T 11345—1989标准中规定的各级灵敏度见表7-23所示。表中Dac代表不同深度ϕ3mm孔反射波的高度在距离—波幅坐标系中的连线。为了计测方便，表中把测量波幅的百分比值换算成对数的分贝值（dB）。
表7-23 距离—波幅曲线的灵敏度（GB/T 11345—1989）
应当注意，检测灵敏度越高，发现缺陷的能力越强。但过高的灵敏度会使信噪比下降，所以灵敏度并不是越高越好。
（2）探测灵敏度调整。调整方法依据GB/T11345—1989规定，可采用距离—波幅曲线图。评定线灵敏度可参考表7-23，为起始灵敏度，它确定之后，探测系统灵敏度就固定了。但为扫查需要，检测灵敏度要高于起始灵敏度6～12dB，即不低于评定线。
4.影响缺陷回波波形的因素
（1）耦合剂的影响。所选用的耦合剂种类不同，其声阻抗亦不同，将产生不同的反射率和透过率。耦合剂与工件两者的声阻抗越接近，声能透过率越好，反射波越高。
另外，耦合剂的厚度对声波的透射也有很大影响。当耦合剂层厚度为波长的1/2整数倍时，反射波高度达到极大值。
（2）工件的影响。工件表面粗糙度、内部组织、化学成分、形状都会影响反射波。
1）工件表面粗糙度。工件表面越光洁，探头与工件接触越好，声波导入工件的能量就越多。
2）工件形状。工件侧面形状对反射波形的影响如图7-39所示。图7-39a所示的情况是侧面反射波出现在底波之后，形成所谓迟到波。图7-39b所示的侧面是斜面，倾斜面对声波的反射降低底波的高度。图7-39c所示因侧面为阶梯形，阶梯的反射波便出现在底波之前。
工件底部形状的影响如图7-40所示。图7-40a所示是正常平底面反射情况。图7-40b所示是斜底面反射情况，由于反射而无底波出现。图7-40c所示是凹弧面反射情况，散射底波高度下降。图7-40d所示是凸弧面，因有聚声作用而使底波高度增加。
图7-39 工件侧面形状的影响
图7-40 工件底面形状的影响
工件探测表面的影响如图7-41所示。当缺陷大小一样、底面和侧面也相同，但探头与工件接触面不同时，其缺陷反射波与底波之比相差很大。
（3）缺陷的影响。缺陷反射波高度与缺陷的位置、形状、大小、方向以及内含物有关。
1）缺陷位置。随缺陷离探测面距离增加，缺陷反射波高度降低。
2）缺陷形状。在缺陷深度、投影面积相同时，平面比柱面的反射波高，而柱面又比球面的反射波高。超声波探测裂纹等平面状缺陷的灵敏度要高于探测气孔等球状缺陷的灵敏度。
3）缺陷大小。缺陷在相同深度下，不同大小缺陷其反射波高度变化如图7-42所示。由图可见，当缺陷大到一定值时，反射波高便饱和，其原因是缺陷尺寸大于声束横截面或缺陷反射强度高于仪器显示能力。
图7-41 探测面形状的影响
图7-42 缺陷波高度与缺陷大小关系
4）缺陷与声束的相对方向。缺陷的反射面与声束垂直时，反射波最高；若倾斜时，反射波下降，当倾斜角大到一定程度时甚至无反射波存在。
5）缺陷内含物。缺陷包含的物质不同，将会有不同的声阻抗。缺陷的声阻抗与工件的声阻抗差别越大，则缺陷的反射率越大，缺陷反射回波越高。气孔、缩孔因声阻抗较大，因而反射波高；夹渣、非金属夹杂的声阻抗与工件材料的声阻抗差较小，故反射波比相同反射面的气孔来的低。
7.1.2.5 焊接接头的超声波检测
由于受焊缝余高限制，同时又有缺陷方向性的要求，因此主要采用斜角（斜探头）检测法，但在某些场合（例T形接头腹板和翼板间未焊透的检测）也辅以垂直入射（直探头）检测。图7-43所示为焊缝斜角（斜探头）检测法检测用语及相应几何关系。
跨距点：声束中心线经底面反射后到达检测面的一点（图中A点）。
跨距P：探头入射点（O）至跨距点（A）的距离。
直射法：在0.5跨距的声程内，超声波不经底面反射而直接对准缺陷的检测方法，又称为一次波法。
一次反射法：超声波只在底面反射一次而对准缺陷的检测方法，又称为二次波法。
缺陷水平距离l：缺陷在检测面的投影点至探头入射点的距离，又称为探头缺陷距离。
图7-43 焊缝斜角检测用语
简化水平距离l′：缺陷在检测面的投影点至探头前端的距离。
缺陷深度h：缺陷至检测面的垂直距离，又称为缺陷的垂直距离。
根据三角函数基本公式，有
0.5跨距： P0.5=δtanγ
跨距P： P=2P0.5=2δtanγ
缺陷深度h：（直射法） h=scosγ
缺陷深度h：（一次反射法） h=2δ-scosγ
水平距离l： l=ssinγ
简化水平距离l′： l′=l-b=sinγ-b
水平距离与深度间关系：
①直射法l=htanγ=Kh
②一次反射法 l=（2δ-h）K
式中 δ——工件厚度（mm）；
s——声程（mm）；
b——探头前沿长度（mm）；
K——斜探头K值；
γ——斜探头折射角（°）。
1.平板对接接头的检测
（1）按不同检验等级和板厚范围选择检测面、检测方法、斜探头K值或折射角γ，见表7-24。
（2）检测区域宽度。应是焊缝本身再加上焊缝两侧各再加母材厚度30%的一段区域，这个区域最少为10mm，最大为20mm，如图7-44所示。
表7-24 检测面及使用折射角
注：A、B、C为GB/T 11345—1989中检验等级，A最低，B一般，C最高。
（3）探头移动区域的确定。为保证声束能扫查到整个焊缝截面，探头必须在检测面上作前后、左右移动扫查，移动区域l为
直射法： l＞0.75P
一次反射法（或串列式扫查）：l＞1.25P。
图7-44 检测区域
（4）单探头扫查方式：
1）锯齿形扫查。斜探头在检测面上以锯齿形轨迹移动，同时探头还应在垂直于焊缝中心线位置上作±（10°～15°）的左右转动，如图7-45所示。该扫查方法常用于焊缝粗检测。
2）基本扫查。方式有四种，如图7-46所示。转角扫查是探头作定点转动，用于确定缺陷方向并可区分点、条状缺陷。环绕扫查是以缺陷为中心，变换探头位置，用于估判缺陷形状，尤其是对点状缺陷的判断。左右扫查是平行于焊缝或缺陷方向作左右转动，用于估判缺陷形状，特别是区分点、线状缺陷，在定量法中用来测量缺陷指示长度。前后扫查是探头垂直于焊缝作前后移动，用于估判缺陷形状及高度。
图7-45 锯齿形扫查
图7-46 斜探头基本扫查
Ⅰ—转角扫查 Ⅱ—环绕扫查 Ⅲ—左右扫查 Ⅳ—前后扫查
3）平行扫查。是在焊缝边缘或焊缝余高已磨平的焊缝上作平行于焊缝轴线的移动扫查，如图7-47所示。它可以探测焊缝及热影响区的垂直于焊缝轴线的横向缺陷（如横向裂纹）。
图7-47 平行扫查
4）斜平行扫查。是探头与焊缝方向成10°～45°的平行扫查，如图7-48所示。它可以探测焊缝及热影响区的横向裂纹和与焊缝方向成倾斜角度的缺陷。
图7-48 斜平行扫查
（5）双探头扫查方式：
1）串列扫查为两个斜探头垂直于焊缝前后布置，进行横方形或纵方形扫查，如图7-49所示。主要用于探测厚板焊缝中垂直于表面的竖直面状缺陷，如窄间隙焊中的未熔合。
2）交叉扫查为两个斜探头置于焊缝的两侧或同侧且成60°～90°布置，如图7-50所示。它主要用于探测焊缝中横向或纵向面状缺陷。
图7-49 双探头横方形和纵方形扫查
图7-50 交叉扫查
3）V形扫查为两个探头置于焊缝两侧且垂直于焊缝对向布置，如图7-51所示。它可以探测与检测面平行的面状缺陷，如多层焊中的层间未熔合。
图7-51 V形扫查
2.T形接头的检测
腹板厚度不同时，选用的探头K值（折射角γ）见表7-25。如图7-52中位置2所示，斜探头在腹板一侧作直射法和一次反射法检测。
表7-25 探头K值（折射角）选择
图7-52 T形接头的检测（Ⅰ）
在位置1采用直探头在翼板外侧检测，或在位置3采用K1（45°）斜探头在翼板外侧作一次反射法检测可探测腹板和翼板间未焊透和翼板侧焊缝下层状撕裂等缺陷。
在图7-53所示的位置1、2采用K1（45°）斜探头在腹板一侧作直射法和一次反射法探测焊缝及腹板侧热影响区的裂纹。
直探头、斜探头的频率常选用2.5MHz。
图7-53 T形接头的检测（Ⅱ）
3.角接接头的检测 检测面及斜探头K值（折射角）按图7-54和表7-25选择。
图7-54 角接接头的检测
4.管座角焊缝的检测 有以下五种探测方式，可选择一种或几种方式实施检测。
1）在图7-55所示的位置1接管内壁表面采用直探头检测。
2）在图7-56所示的位置1容器内表面用直探头检测。
3）在图7-56所示的位置2接管外表面用斜探头检测。
4）在图7-55所示的位置3（或图7-56所示的位置3）接管内表面用斜探头检测。
5）在图7-55所示的位置2容器外表面用斜探头检测。
图7-55 管座角焊缝的检测（Ⅰ）
图7-56 管座角焊缝的检测（Ⅱ）
7.1.2.6 焊缝检测中缺陷测定
1.缺陷位置的确定
（1）垂直入射法确定缺陷位置。探测仪按1∶n调节纵波扫描速度（调节的具体做法是：利用已知的试块或工件上的两次不同底面反射波的前沿，分别对准示波屏上相应的水平刻度值来实现。一般n为正整数。），缺陷深度Zf（mm）则可按下式计算：
Zf=nτf
式中 n——调节比例系数；
τf——示波屏上缺陷波前沿所对水平刻度值
（mm）。
示例：仪器按1∶2调节纵波扫描速度，检测中示波屏上水平刻度75mm处出现缺陷波，缺陷至探头的距离Zf是多少？
Zf=nτf=2×75mm=150mm
（2）斜角探测时缺陷定位。超声波检测仪横波扫描速度有声程法、水平法和深度法三种调节方法。在焊缝检测中，厚板（δ≥32mm）焊缝检测推荐采用深度调节法；中薄板（δ≤24mm）焊缝检测推荐采用水平调节法。
1）深度调节法扫描速度1∶n。若采用一次波（直通波）检测，则有
lf=Knτf
Zf=nτf
式中 lf——缺陷在工件中的水平距离（mm）；
Zf——缺陷在工件中的深度（mm）。
若采用二次波（一次反射波）检测，则有
l′f=Knτf
Z′f=2δ-nτf
式中l′f——缺陷在工件中的水平距离（mm）；
Z′f——缺陷在工件中的深度（mm）。
示例：仪器按1∶1调节横波扫描速度，用K1.5横波斜探头检测厚度δ=30mm的钢板焊缝。在示波屏水平刻度τf=40处出现一缺陷波，求缺陷位置。
由于δ＜τf＜2δ，可以判定缺陷是二次波发现的，因此
l′f=Knτf=1.5×1×40mm=60mm
Z′f=2δ-nτf=60mm-（1×40）mm=20mm
2）水平调节法扫描速度1∶n。若采用一次波（直通波）检测，则有
lf=nτf
若采用二次波（一次反射波）检测，则有
l′f=nτf
示例：仪器按水平调节横波扫描速度为1∶1，用K2.0横波斜探头检测厚度δ=15mm的钢焊缝。检测中在示波屏水平刻度τf=45处出现一缺陷波，求缺陷位置。
由于Kδ=2×15=30，2Kδ=60，Kδ＜τf＜2Kδ，可以判定此缺陷是二次波发现的，因此
l′f=nτf=1×45mm=45mm
2.缺陷大小确定 测定工件或焊接接头中缺陷的大小和数量称为缺陷定量。常用的定量方法有当量法和探头移动法（又称为扫描法或测长法）。
（1）当量法用于当缺陷尺寸小于声束截面时。所谓缺陷当量是将已知形状和尺寸的人工缺陷（平底孔或横孔）回波与探测到的缺陷回波相比较，如二者声程、回波高度相等，则这个已知人工缺陷尺寸（平底孔或横孔直径）就是被探测到的缺陷的缺陷当量。“当量”这一概念仅表示缺陷与该尺寸人工反射体对声波的反射能量相等，并不涉及缺陷尺寸与人工反射体尺寸相等的含义。
当量法有当量曲线法和当量计算法两种，其中当量曲线法应用得最为广泛。
当量曲线法又称为DGS法。当量曲线是供现场检测使用而预先制定的一种距离—波幅曲线（或称为DAC曲线）。目前国内外焊缝检测标准大都采用具有同一孔径、不同距离的横孔试块制作这一曲线。GB/T 11345—1989标准规定：检测8mm＜δ≤100mm焊缝的当量曲线（DAC曲线）是用具有ϕ3横通孔的RB-2试块制作的。进行检测时，采用深度调节定位法。
示例：检测用距离—波幅曲线如图7-57所示。若在深度Ay=24mm处有一缺陷回波，可将其调到最高，再调到基准高度（满刻度40%），此时dB读数为Vx=25dB，过横坐标Ay=24mm和纵坐标Vx=25dB作垂线交于图7-57中x点。从这点可以判断出缺陷的区域和当量。
（2）探头移动法。对于尺寸或面积大于声束直径或断面的缺陷，一般用探头移动法来测定缺陷的指示长度或范围。GB/T 11345—1989标准规定，缺陷指示长度或范围的测定推荐用降低6dB相对灵敏度法和端点峰值法两种。
1）降低6dB相对灵敏度法。当缺陷反射波只有一个高点时用此法。其原理如图7-58所示。
2）端点峰值法。若缺陷反射波有多个高点，且起伏变化，则将缺陷两端反射波极大值之间探头移动长度确定为缺陷指示长度。其原理如图7-59所示。
图7-57 当量曲线法
图7-58 相对灵敏度测长法
图7-59 端点峰值测长法
7.1.2.7 焊缝缺陷性质估判及质量评定
1.焊缝缺陷性质估判
（1）气孔。单个点状气孔回波高度低，波形为单峰，较稳定。从各个方向探测反射波高大致相同，但稍一移动探头就消失。密集气孔会出现一簇反射波，当探头作定点转动时，会出现此起彼伏现象。
（2）夹渣。点状夹渣的回波与点状气孔的相似；条状夹渣回波信号虽多呈锯齿状，但由于反射率低波幅不高，形状多呈树枝状，主峰边上有小峰。探头平移，波幅有变动，探测方向变化，反射波幅随之变化。
（3）未焊透。由于该缺陷表面类似镜面反射，故而反射率高，波幅较高。探头平移，波形较稳定。在焊缝两侧分别探测，均能得到大致相同的反射波幅。
（4）未熔合。当声波垂直入射该缺陷表面时，反射波幅高。探头平移时，波形稳定。在焊缝另一侧探测，反射波幅不同，甚至探测不到。
（5）裂纹。缺陷反射波幅较高，波幅也较宽，会出现多个尖峰。探头平移，反射波连续出现，但波幅有变化；探头转动，波峰有上、下错动的现象。
2.焊缝质量评定
（1）缺陷评定。超过评定线的信号应特别注意是否是裂纹等危害性大的缺陷。如有疑问应采用改变探头角度、增加探测面、观察动态波形、辅以其他探测方法（如射线照相法）、结合结构工艺特征进行综合判定。
（2）检验结果的等级分类：
1）参见图7-57，最大反射波幅位于Ⅱ区的缺陷，根据缺陷指示长度按表7-26的规定判定。
表7-26 缺陷的等级分类
注：1.δ为坡口加工侧母材板厚，母材板厚不同时，以较薄侧板厚为准。
2.管座角焊缝板厚δ为焊缝截面中心线高度。
2）最大反射波幅不超过评定线的缺陷，均评为Ⅰ级。
3）最大反射波幅超过评定线的缺陷，检验者判定为裂纹等危害性缺陷时，无论波幅及尺寸如何，均评为Ⅳ级。
4）反射波幅位于Ⅰ区的非裂纹缺陷，均评为Ⅰ级。
5）反射波幅位于Ⅲ区的缺陷，无论其指示长度如何，均评为Ⅳ级。
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