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超聲波探傷的換能器是干什么的？
閱讀：2209 發(fā)布時(shí)間：2021-6-15
最近在補(bǔ)習(xí)超聲波探傷的知識(shí)，特別是雙相不銹鋼超聲波探傷這一塊目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較貧乏的區(qū)域。不過(guò)今天只科普一點(diǎn)入門(mén)知識(shí)，講講UT的換能器那些事兒。
換能器的英文名稱是transducer，用于實(shí)現(xiàn)不同形式的能量相互轉(zhuǎn)換的儀器或器件可以通稱為換能器。例如：電能與聲能轉(zhuǎn)換、電能與磁能轉(zhuǎn)換、電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)挨、電能與光能轉(zhuǎn)換、電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換、電能與熱能轉(zhuǎn)換等等，從廣義上講，可以籠統(tǒng)地把它們都稱之為換能端。但是，在超聲波檢測(cè)中所講的換能器是有著特定的定義的，也就是本文所要闡述的換能器。
超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的換能器，是實(shí)現(xiàn)聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的器件，即將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聲信號(hào)或?qū)⒙曅盘?hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)的器件，其能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程是：
對(duì)于將電能轉(zhuǎn)換成聲能的換能器，是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，然后由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生聲波，這就是反射超聲波的探頭。對(duì)于將聲能轉(zhuǎn)換成電能的換能器，則是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)后再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
而在超聲波探傷過(guò)程中，必須同事有電能→聲能(發(fā)射超聲波信號(hào))和聲能→電能(接受換回的超聲波信號(hào))。通常實(shí)現(xiàn)此能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的探頭主要是利用壓電效應(yīng)，對(duì)于這個(gè)專業(yè)名詞，吉米哥在大學(xué)混學(xué)分，選修《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》了解過(guò)，今天再次溫習(xí)一下。
壓電效應(yīng)是1880年法國(guó)物理學(xué)家P·居里和J·居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的?？磥?lái)法國(guó)叫居里的人還真多，其實(shí)吉米哥也是法國(guó)公司的宅男(以后請(qǐng)叫我居里兄弟：))。
在某些單晶材料，如石英片，在特定方向上受到外加應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，就會(huì)在其表面上產(chǎn)生電荷(兩端面間出現(xiàn)電位差)，壓力去掉，電荷也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，后來(lái)又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這類單晶材料還具有逆壓電效應(yīng)，即這些具有正壓電效應(yīng)的晶體在受到外加電場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)有應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生。在一定電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，其應(yīng)變與外電場(chǎng)強(qiáng)度的大小成正比，亦即電場(chǎng)強(qiáng)度與形變呈線性可逆關(guān)系。當(dāng)外加電場(chǎng)是交變電場(chǎng)時(shí)，晶體就產(chǎn)生相同頻率的振動(dòng)。這種振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械波就是超聲波。
那么超聲波都有哪些類型呢？
鄙人最近在DNV的無(wú)損檢測(cè)指南上，尤其是在介紹雙相不銹鋼探傷部分，看到幾個(gè)陌生術(shù)語(yǔ)，例如compressionwave和shearwave等，乍一看，似乎是一種新的探頭，找度娘，度娘竟然翻譯為激波，剪切波，可憐我這沒(méi)有多少相關(guān)專業(yè)知識(shí)的人，看的云里霧里，忽然想到了翻墻，很幸運(yùn)的在維基百科上面找到了解釋。
1.縱波
英文叫Longitudionalwave，簡(jiǎn)稱L波，縱披的特點(diǎn)是傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向平行?？v波的傳播是由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生壓縮和拉伸的變形，并產(chǎn)生使質(zhì)點(diǎn)回復(fù)原狀的縱向彈性力而實(shí)現(xiàn)的。因此縱波只能在拉伸/壓縮的彈性的介質(zhì)中傳播，一般的固體、液體、氣體都具有拉伸和壓縮彈性，所以它們都能傳遞縱波。因而縱波也就是指南文件中說(shuō)的compressionwave，也成為壓縮波，疏密波，如果大家在文獻(xiàn)中看到這個(gè)屬于，就理解為縱波。
2.橫波
英文叫Transversewave，簡(jiǎn)稱T波，橫波的特點(diǎn)是傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向垂直，橫波只能在具有切變彈性的媒質(zhì)中傳播，因此只能在固體中傳播而不能在液體、氣體中傳播。說(shuō)到這里讀者從字句中肯定會(huì)發(fā)現(xiàn)，橫波其實(shí)就是指南中提到的shearwave，也稱為剪切波。順便提一句，船上的測(cè)深儀也是利用超聲波原理，它的換能器利用的就是橫波。
3.爬波
英文叫creepwave，或者更確切地說(shuō)叫creeplongitudinalwave，爬行縱波，超聲爬波是折射角為90°的壓縮縱波。你肯定疑惑超聲波也有折射？那就把超聲波當(dāng)成光線理解，在穿越不同介質(zhì)，如從空氣進(jìn)入金屬，也有折射。爬波對(duì)表面粗糙度不敏感，特別適于檢測(cè)奧氏體粗晶材料表面和近表面缺陷。所以在DNV的指南中，特別強(qiáng)調(diào)對(duì)奧氏體不銹鋼探傷，應(yīng)增加縱波斜探頭。雙相不銹鋼也是奧氏體不銹鋼(鐵素體-奧氏體)。
4.表面波
也叫瑞利波，這也是一個(gè)有故事的人最先發(fā)現(xiàn)的，本人不做介紹。
5.板波
薄板和大直徑薄壁管探傷使用的，此處不作介紹。