超音波探伤器

在山谷里发一声喊，不一会儿便可以听见仿佛在对面山腰里也发出同样的喊声，大家都知道这是我们自己声音的回声，是一种音波的反射现象。

先进的苏联科学家们，利用音波的反射原理，创造了“超音波探伤器”。现在已经广泛地应用到工业上，来检验产品。粗制品被发现内部有暗伤，就不必再进行加工，可以节省人力物力，同时保证了制成品的质量；已经投入生产的机件中重要部分，如车轴等材料，定期检查可以防止因材料内部有了损伤而发生危险。

过去，用没有破坏性的x或γ射线进行检验，只能发现厚度小的材料里的大暗伤；而超音波探伤器，可以发现细微的内伤，探测厚度可达到10公尺，但也可以检验薄钢片和铁板，使用起来轻便灵活，有很多优点。

“超音波”和“音波”都是由于机械振荡所产生的。每秒钟振动次数较少，每振动一周所占时间较长，而人的耳朵可以听得见的是音波，它的最高限度大约每秒振动15000次。而超音波是人的耳朵所听不见的更快的机械振荡，它的范围很广，苏联索库洛夫教授用石英晶体，所激发的机械振动高到每秒钟3000兆周（图1），相当于波长10公分的雷达频率。所不同的，雷达里的振荡是电磁的振荡，而超音波的振荡是高速度的机械振荡。

我们设想：送入金属材料一端的是普通音波而不是超音波。音波在金属内行进，到达另一端或遇到内部有暗伤的地方，一定会被反射回来。那么，就用音波探伤为什么不好，而必须用超音波呢？这是因为一般金属材料不会很长，而音波在金属内部行进的速度，比在空气里要大7—15倍，平均速度大约是每秒5000公尺，所以音波往返所需时间很短，发出的和反射回来的声音会混在一起，不像远山的回声那样容易和我们自己的喊声区别开来。即使我们能够发出极短促的音波脉冲，例如每秒振动数千次的音源，让它振动二、三次就立刻停止，这二、三次振荡所占的时间内，音波已经可能反射回来了。这样就无法辨别反射地点也就是不能找到伤损处的深度。要免除两波相混的现象，音源的机械振动，每周所占时间，需要大大地变短，这样就进入到了超音波的范围。

可是超音波范围很广，用任何频率的超音波是否都可以达到我们的目的了呢？经验证明要能够反射任何一个波，那反射面的大小必须接近于或大于那个波的波长。金属的内部损伤通常很短，一般大约是0.5—10公厘，所以超音波的波长也应当是0.5—10公厘。假定超音波在金属里的速度平均是每秒5000公尺，按“波长×频率=速度”的公式计算，每秒振荡次数（频率）应当是500—10000千周，也就是0.5—10兆周。

频率到了0.5—10兆周范围的超音波，像频率极高的电磁波一样，容易集中在一定方向传播，使探伤器的灵敏度增加，而探测的损伤位置准确；并可以测探很薄的金属材料，不致使发射与反射波互相混淆。例如发出一个短促的振荡10次的10兆周超音波，所占时间不过1微秒，在1微秒时间里，一般测探薄到1公分的材料，反射波已经不会到来和发射波相混了。

用什么东西可以产生这样高速度的机械振动呢，现在制造超音波振荡器所用的原料是石英晶体，和无线电发信机的振荡器里所用的晶体，是一样的东西。整块的晶体外形如图2，可以看出有三个轴x、y和z。我们沿垂直于x轴的方向截下一薄片来如图3，就得出一块叫做“x切割”的晶片。若加一电压在它的A、B两面上，它就顺x轴的方向振动。如果将一个普通电子管高频振荡器所产生的电压加在A、B两面上如图4甲和乙，它就会发生高频的机械振荡。晶片的机械振荡和任何东西的振动一样，有它的自然频率。如果高频电压的频率和晶体的自然频率一样，晶片的振荡很大，便发出相当强的超音波，可以用来探伤。

使用的时候，将这晶片的一面和金属材料相接触（图5），这晶体就像“天线”一样，把超音波送进到金属的内部。但在晶片和金属材料的接触面间若有空隙存在，超音波首光将大量被金属表面反射回来，只有很少部分进入金属内部，效率减低。因此在接触处时常要充填适当的油类，免除表面反射的现象。

晶片的面积尺寸比所用的波长一般至少要大十余倍，就像开口面积大的微波号角辐射器一样，从晶体发出的超音波会集中成一个波束的前进行，晶片愈大或频率愈高（即波长愈短），波束的方向性愈强，测定的部位也愈精确。

超音波进入金属内部以后，遇有内部伤损或到达另一端时，就反射回来，我们要能够接收这种回波，并把它们显示出来，正确的加以解释，方能达到探测的目的。

水晶片不仅可以把高频的电压变为机械的振动，相反的也可以把加在它上面的机械压力变为电压。这就是所谓“压电效应”。当超首波反射回来时，金属表面就有和超音波频率相同的振动，如果我们另外用一块水晶片（或利用原来发射的同一块晶片）贴金属表面放着，它就可以充接收器，把随超音波振动的机械压力，变为相应的高频电压。这就是回波的信号电压。经放大后接在阴极射线管的垂直偏转板上，回波便可以在荧光幕上显示出来如图6。

在图上左端的一个波峰是发射波，右端的一个波峰是金属底端的反射波，中间的一些波就是由损伤处反射来的回波。波峰愈高，损伤愈大；波峰的位置就表示损伤处离金属表面的深度。

超音波在金属内的速度很高，往返的时间非常短，例如在材料厚度为25公厘，音速为每秒5000公尺的情形下，往返的最大时间只有10微秒；如在中部返回，只要5微秒。把相差仅5—l0微秒的波显示出来，所用脉冲延续时间，不能超过1—5微秒。控制和收发这样短的脉冲，是需要用比较复杂的无线电回路的。这种回路的作用原理和雷达一样，本文不来详细介绍。

在阴极射线管的荧光幕上表现反射波，有两种方法，一种是将高频检波后接到垂直偏转板上，另一种是不经检波直接接到垂直偏转板上。图7示这两种方法所显示的图形。用检波方法所显示波形一般比较明亮，容易观察，对厚度大的金属探测比较合适，但由于加入了检波过程，回路里多了一些滤波器，使波形变宽，表示损伤的位置不够准确，特别是探测十分接近表面的伤损有困难。这两种方法，可以根据实际需要加以选择。

图8是探测一个有人工伤的钢材所摄得的图像。这是由直径都是90公厘的两根钢材焊接起来的（图9），在接合处中部故意留一空隙作为人工伤。探测所用频率为2兆周。除了人工伤被发现外。（图中离起点\(\frac{1}{3}\)处），还有许多真实的细小缺疵（在图上起点和1;3处的人工伤以内）。这是用肉眼无论从表面或断面都无法看出的。

过分接近表面的损伤，如探测尚有困难，可用一块衬垫物加在被测材料的外面，探头（即用晶片所制成）加在衬垫物上，仍可照样进行探测如图10。

巧妙的运用探头，可以检查薄钢板或电焊缝的质量图11。

此外，这种超音波探伤器，尚可用来检验玻璃、瓷器橡胶等非金属制成品，例如检查高压瓷瓶的黏合情形和轮胎的胶合情况等。（吴绳武）