水浸法检测技术及应用的分析介绍

使探头发射的超声波经过一段液体后再进入试件的检测方法称为液浸法，常用的液体是水，此时的液浸法称为水浸法。图3.5-43列出了几种不同的水浸检测方法。

图3.5-42 侧面的干涉

T—发射脉冲 d—试件厚度（mm）

图3.5-43 水浸检测的几种方法

图3.5-44 脉冲反射式水浸法检测时荧光屏图形

1—始波 2—一次界面波 3—一次底波 4—缺陷波

1.特点

1）探头与试件不直接接触，因此超声波的发射与接收都比较稳定，试件表面粗糙度的影响仍是存在的，只不过比接触法小而已。

2）探头发射的超声波束相对于试件受检面的取向可自由改变，可很容易实现斜入射检测，对获得不同取向缺陷的最大回波高度是有利的。

3）图3.5-44是脉冲反射式水浸法检测时在荧光屏上回波的图像。由于试件的界面回波较之发射脉冲幅度要低、宽度要窄，就试件而言，这可缩小盲区，从而能检测较薄试件。

4）由于探头不直接接触试件，压电晶片损坏的可能性较小，从而可利用带较高工作频率的薄压电晶片的探头，一般可工作到25MHz以检测缺陷，此时厚度1mm的板也能清晰分离出底面反射信号。对于先进陶瓷，为了发现临界尺寸更小些的缺陷，所需频率可高至50MHz。

5）纵波在水中的传播速度约为钢中的1/4，因此与在钢中相比，在水中声束的指向性较好，但由水进入钢中时，按照折射定律，折射角约为入射角的4倍，因此，在要求垂直入射的情况下，使入射声束正好垂直于入射面是重要的。

6）对于水/钢界面，声波由水到钢斜入射时折射纵波和折射横波的往返透射比如图3.5-45所示，说明声压会有约20dB的损失，所以常需要使用灵敏度较高的探头（如采用硫酸锂、锆钛酸铅晶片的探头）灵敏度的调整一般至少要比接触法提高10dB以上。

图3.5-45 声波从水进入钢时，折射纵波与折射横波的往返透射比

7）探头操纵装置应有足够的强度，能平滑而准确地调定探头的位置，在两个互相垂直的直立面内，探头角的调节精度应在±0.5°以内。探头到试件表面的距离必须是能调节的，以使试件表面的二次界面反射出现在试件第一次底反射之后，所有的调节均不应存在由于齿隙造成的游移。

8）所用的水应是干净的，否则对声波会有大的衰减，换新水时试件和探头表面可聚集气泡，这不仅会使灵敏度降低，还可以在意想不到的地方产生反射脉冲。一般解决办法是利用图3.5-46a所示水的特性吹入热空气将水温加热到60℃以上使过饱和空气溢出后冷却使用。水与周围空气存在温差时会因对流而使声回波不稳，水中声速与水温的关系如图3.5-46b所示。

2.声束的聚焦及运用

水浸法中因为声束在试件中指向性差对检测不利，为不致出现许多其他干扰波，多采用聚焦法，常在水浸平晶片探头上加一声透镜以构成水浸聚焦探头，透镜可以是球面的（点聚焦），也可以是圆柱面的（线聚焦）。

设透镜是球面的，曲率半径为R，探头平晶片直径为D，声在水中和在透镜中的纵波速度分别为c_水和c_透，则在水中的焦距F常给出为

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此式是从几何光学的焦距公式引用过来的，有人称之为光学焦距，实际上的声学焦距F_ac与F有如下关系

图3.5-46 水浸法检测中水温的影响

式中 N——未加声透镜时平探头在水中的近场长度。

必要时应对所用聚焦探头的焦距作实际测量。此外，实际上声束也并不仅是在声束轴线上聚焦成一点，由于干涉现象，所谓“焦点”仍具有一定大小，如图3.5-47所示，可用L_-6dB和ϕ_-6dB分别表示在焦点附近声压降至比焦点处低6dB的一段距离，表达式常给出如下，必要时宜作实测。

图3.5-47 水浸点聚焦探头焦距（F），柱长（L）柱径（ϕ）示意图

图3.5-48 水浸聚焦探头在试件中二次聚焦示意图

图3.5-49 使用焦柱区测定缺陷尺寸

图3.5-50 不同探头缺陷倾角对回波高度的影响

——ϕ40mm，2MHz平探头

----ϕ70mm，焦距500mm，1MHz聚焦探头

利用水浸聚焦探头检测宏观缺陷的优越性如下：

1）由于在聚焦区内声能集中，因而提高了信噪比，这对检测大衰减系数材料中的缺陷是有利的。

2）由于水浸聚焦声束在试件中的二次聚焦（图3.5-48）焦柱直径可远小于压电晶片直径，利用焦柱区可较准确测定缺陷尺寸，测定时声束应聚焦在缺陷上。当探测到缺陷后，用焦柱按本章5.5.6节所述方法可测出缺陷面轮廓。如果测出的缺陷面积不大于焦柱截面积，则所画出的轮廓是焦柱的形状（如图3.5-49a所示）。如画出的面积（图3.5-49b中的A区）大于焦柱横截面，则应将灵敏度提高6dB再次扫描以得面积B；如所得面积B比原先画出的面积A大，说明缺陷表面是由几个对声波反射能力不同但又局部均匀的部分所组成，此时可再提高6dB进行扫描；如此进行，直到所画出的轮廓线与前一次的形状一样，相差仅为ϕ/2，则前一次所画出的（图3.5-49b中的C区），即为缺陷的投影。当采用当量平底孔法评定面积小于焦柱直径的缺陷时，水程的相差应保持在±1.6mm之内。

3）使用聚焦探头时缺陷反射面相对于探头轴线的倾角对回波幅度的影响要远小于平探头的情况，如图3.5-50所示，这对发现反射面与声束轴成一角度的缺陷是有利的。

4）对于聚焦探头，射束的归一化是使材料的进入面处于焦点处。