超声无损检测理论及算法

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1、第一章绪论1.1超声无损检测概述1.1.1超声无损检测的发展随着现代科学和工业技术的迅速发展，尤其是原子能、航空、航天技术的发展，以不损害被检验对象(材料、工件或设备)的使用性能为前提的无损检测(NondestructiveTesting)技术越来越为人们所重视。常规的无损检测方法有：超声检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测，此外还有激光全息无损检测，微波无损检测，红外无损检测等方法［Z］。超声检测(UT)是一种最重要的无损检测技术，有关资料表明，国外每年大约发表3000篇涉及无损检测的文献资料

2、，全部文献资料中有关超声无损检测的内容约占45%,特别是2000年10月在罗马召开的第十五届世界无损检测会议(WCNDT)收录的663篇论文屮，超声检测就占250篇。这些都说明超声无损检测的研究势头和其在无损检测屮的重要地位。同时，这也是本文对选用超声波检测的一个重大原因。超声波的特点是传播能量大、方向性好，而且在介质内传播过程中遇到缺陷时会产生界面发射或者引起声速和能量衰减的变化，利用这一特性就可以达到检测缺陷的目的。到上世纪20年代声学和超声学的理论大厦已经完全建立起来⑸。Rayleigh、Lamb

3、、Knott>Macelwane^Stonely和Jeans等学者详细论述了声波的反射、折射、波型转换、衍射、散射、衰减等规律。随着电子工业的发展和材料加工技术的进步，20世纪30年代，石英换能器已出现，双探头超声波系统已经建立，用于探测材料中的缺陷。这都为超声检测提供了理论和技术的基础。随着系统的逐步完善，1950年，超声波探伤已用于工业中。从60年代以后，超声检测的主要进展为探伤仪的改良和进一步应用，如固体电路和模块化设计、装配、数字显示等等。1982年，微处理器控制的探伤仪出现，此后超声检测仪器朝

4、着数字化、智能化的方向迅速发展。早期的超声检测主要用于探伤，由于常规超声检测技术自身的局限性，使其在缺陷定性、定位及定量方面的可靠性和灵敏度并不高。随着超声工程应用范围的扩大，常规方式已经不能满足检测的需要。近年来，缺陷的定量技术、信号处理技术、人工智能、超声波成像、检测可靠性、材料特性评价、超声波换能器技术、数值模拟和过程仿真、雷达和声呐技术、现场检测等各种先进技术纷纷应用于超声检测领域,促进了超声检测的发展，使得超声检测这一新技术更为引人注SO1.1.2超声检测的优点在常规无损检测方法屮，超声检测因

5、超声波具有独特的优点而得到了迅速地发展。超声波的优点很多，具体如下血叫①超声波的方向性好：超声波具有像光波一样良好的方向性，经过专门的设计可以定向发射，犹如手电筒的灯光可以在黑暗中帮助人的眼睛探寻物体一样，利用超声波可在被检对象中进行有效的探测。②超声波的穿透能力强：对于大多数介质而一言，它具有较强的穿透能力例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数十米。③超声波的能量高：超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。研究表明，材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的信息，并且成为广

6、泛应用超声波的基础。④可供检测信息丰富：遇到有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换：人们利用超声波在介质中传播时的这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高，这也是超声检测得以迅速发展的原因之一。⑤对人体无害。止是由于超声波的上述特点，使得超声检测适应性强、检测灵敏度高、使用灵活、设备轻巧、成本低廉、可及时得到探伤结果，适合在车间、野外和水下等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备进行检测。1.2广义超声检测的介绍广义的超声无损检测包括超声无损探伤、超声无损检测

7、和超声无损评价三个层面。[9]1.2.1超声无损探伤(NDI)随着电子技术的迅速发展，使超声波无损探伤技术和仪器也得到了相应发展与应用。早在1929年苏联萨哈诺夫提出利用穿透法检查固体内部结构，以后利用连续超声波在实验室研究成功。随着声纳技术的发展，美、英两国分别于1944年和1964年研制成功脉冲反射式超声波探伤仪，并逐步用于锻钢和厚钢板的探伤。80年代，随着大规模集成电路和微机技术的快速发展，1983年德国Krautkramer公司推出第一台便携式数字化超声波探伤仪USD1型，采用的是Z80CPU,

8、尽管有许多不足，但己显示出数字化超声波探伤仪强大的生命力。我国50年代初引进苏联超声波探伤仪，60年代初期先后形成了一些批量生产的厂家，80年代初，国内各生产厂研制生产的超声波探伤仪的主要技术指标均有大幅度地提高，较好地满足了超声波探伤技术的需要。如汕头超声电子(集团)公司在1980年推出了CTS-22型超声波探伤仪，其主要性能指标与当吋国际同类仪器水平相当。1.2.2超声无损检测(NDT)超声波检测在近几十年中得到了较大的进展，它已成为材