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超声波探伤的换能器是干什么的?
点击次数:274 发布时间:2021-06-15
  最近在补习超声波探伤的知识,特别是双相不锈钢超声波探伤这一块目前相关标准比较贫乏的区域。不过今天只科普一点入门知识,讲讲UT的换能器那些事儿。
 
  换能器的英文名称是transducer,用于实现不同形式的能量相互转换的仪器或器件可以通称为换能器。例如:电能与声能转换、电能与磁能转换、电能与机械能转挨、电能与光能转换、电能与化学能转换、电能与热能转换等等,从广义上讲,可以笼统地把它们都称之为换能端。但是,在超声波检测中所讲的换能器是有着特定的定义的,也就是本文所要阐述的换能器。
 
  超声波检测技术应用的换能器,是实现声能与电能相互转换的器件,即将电信号转换成相应的声信号或将声信号转换成相应的电信号的器件,其能量的转换过程是:
 
  对于将电能转换成声能的换能器,是将电信号转换成机械振动,然后由机械振动产生声波,这就是反射超声波的探头。对于将声能转换成电能的换能器,则是将声信号转换成机械振动后再转换成电信号。
 
  而在超声波探伤过程中,必须同事有电能→声能(发射超声波信号)和声能→电能(接受换回的超声波信号)。通常实现此能量转换过程的探头主要是利用压电效应,对于这个专业名词,吉米哥在大学混学分,选修《传感器与检测技术》了解过,今天再次温习一下。
 
  压电效应是1880年法国物理学家P·居里和J·居里兄弟首先发现的。看来法国叫居里的人还真多,其实吉米哥也是法国公司的宅男(以后请叫我居里兄弟:))。
 
  在某些单晶材料,如石英片,在特定方向上受到外加应力产生应变时,就会在其表面上产生电荷(两端面间出现电位差),压力去掉,电荷也随之消失,这种现象称为正压电效应,后来又进一步发现,这类单晶材料还具有逆压电效应,即这些具有正压电效应的晶体在受到外加电场作用时,会有应力和应变产生。在一定电场强度范围内,其应变与外电场强度的大小成正比,亦即电场强度与形变呈线性可逆关系。当外加电场是交变电场时,晶体就产生相同频率的振动。这种振动产生的机械波就是超声波。
 
  那么超声波都有哪些类型呢?
 
  鄙人最近在DNV的无损检测指南上,尤其是在介绍双相不锈钢探伤部分,看到几个陌生术语,例如compressionwave和shearwave等,乍一看,似乎是一种新的探头,找度娘,度娘竟然翻译为激波,剪切波,可怜我这没有多少相关专业知识的人,看的云里雾里,忽然想到了翻墙,很幸运的在维基百科上面找到了解释。
 
  1.纵波
 
  英文叫Longitudionalwave,简称L波,纵披的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向平行。纵波的传播是由于介质中质点发生压缩和拉伸的变形,并产生使质点回复原状的纵向弹性力而实现的。因此纵波只能在拉伸/压缩的弹性的介质中传播,一般的固体、液体、气体都具有拉伸和压缩弹性,所以它们都能传递纵波。因而纵波也就是指南文件中说的compressionwave,也成为压缩波,疏密波,如果大家在文献中看到这个属于,就理解为纵波。
 
  2.横波
 
  英文叫Transversewave,简称T波,横波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直,横波只能在具有切变弹性的媒质中传播,因此只能在固体中传播而不能在液体、气体中传播。说到这里读者从字句中肯定会发现,横波其实就是指南中提到的shearwave,也称为剪切波。顺便提一句,船上的测深仪也是利用超声波原理,它的换能器利用的就是横波。
 
  3.爬波
 
  英文叫creepwave,或者更确切地说叫creeplongitudinalwave,爬行纵波,超声爬波是折射角为90°的压缩纵波。你肯定疑惑超声波也有折射?那就把超声波当成光线理解,在穿越不同介质,如从空气进入金属,也有折射。爬波对表面粗糙度不敏感,特别适于检测奥氏体粗晶材料表面和近表面缺陷。所以在DNV的指南中,特别强调对奥氏体不锈钢探伤,应增加纵波斜探头。双相不锈钢也是奥氏体不锈钢(铁素体-奥氏体)。
 
  4.表面波
 
  也叫瑞利波,这也是一个有故事的人最先发现的,本人不做介绍。
 
  5.板波
 
  薄板和大直径薄壁管探伤使用的,此处不作介绍。
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