相控阵超声波检测技术及应用

本书是一本相控阵超声波检测人员资格鉴定认证的培训教材，由中国中车焊接和无损检测培训中心组织行业专家按照ISO/TR 25107—2016《无损检测 无损检测人员培训大纲》、GB/T 9445—2015《无损检测 人员资格鉴定与认证》和EN473/ISO 9712—2015《无损检测 人员资格鉴定与认证》标准要求编写而成。 本书共分12章，主要内容包括：概述、超声波检测物理基础、探头、声束合成、相控阵扫描显示和扫查方式、相控阵超声波检测仪器、相控阵超声波检测系统校准检查、检测灵敏度、检测和结果评定、相控阵超声波检测技术在轨道交通领域中的应用、相控阵超声波检测技术的其他应用和工艺规程等。 本书既注重理论与实践应用的结合，又紧跟现代科学技术的发展，并及时介绍国内外相控阵超声波检测的新观点和新技术。本书除作为相控阵超声波检测人员资格鉴定认证培训教材外，也可供各企业生产一线人员、质量管理及检测人员、安全监督人员、工艺技术人员、研究机构及大专院校相关专业师生学习参考。

前言 第1章 概述1 1.1相控阵超声波检测技术的发展1 1.2相控阵超声波检测的优点和局限性1 1.2.1优点1 1.2.2局限性2 第2章 超声波检测物理基础3 2.1波的反射3 2.2波的折射3 2.3波的衍射3 2.4偏振3 2.5干涉4 2.6相干波源4 2.7惠更斯原理4 2.8波阵面的形成5 第3章 探头7 3.1相控阵探头类型8 3.1.1线阵8 3.1.2矩阵9 3.1.3环阵10 3.1.4 Rho-theta阵列10 3.1.5其他阵列类型11 3.2探头和楔块的选择12 3.2.1频率和带宽12 3.2.2延迟和楔块角度12 3.2.3阵列尺寸13 3.2.4楔块14 3.2.5楔块上的探头14 第4章 声束合成15 4.1声束偏转和聚焦17 4.2相控阵探头术语18 4.2.1激发孔径19 4.2.2非主动孔径19 4.2.3有效激发孔径19 4.2.4横向分辨力、角分辨力和轴向分辨力20 4.2.5主瓣22 4.2.6旁瓣22 4.2.7栅瓣22 4.2.8声束变迹23 4.3延迟计算24 4.3.1声束聚焦计算24 4.3.2声束偏转计算25 4.4费马定理27 4.5聚焦法则27 4.6声场28 4.6.1近场区29 4.6.2聚焦形状29 4.6.3焦距30 4.6.4聚焦增益32 4.6.5归一化焦距33 4.6.6声束尺寸33 4.6.7焦区34 4.6.8声束扩散和半扩散角37 4.7相控阵声束特性37 4.7.1矩形探头计算38 4.7.2角分辨力计算40 4.8声束偏转极限43 4.9灵敏度和信噪比（S/N）45 第5章 相控阵扫描显示和扫查方式46 5.1聚焦法则设置46 5.1.1扇扫描46 5.1.2电子（线性）扫描47 5.1.3固定声束扫描47 5.1.4性能对比48 5.2扫查方式48 5.2.1栅格扫查48 5.2.2斜向扫查49 5.2.3螺旋扫查49 5.2.4螺线扫查50 5.3编码扫查方式50 5.3.1往复扫查51 5.3.2单向扫查51 5.3.3沿线扫查（单轴扫查方式）51 5.4声束控制组合技术52 第6章 相控阵超声波检测仪器53 6.1概述53 6.2超声波采集模式54 6.3发射器类型55 6.4图像形成55 6.5变迹58 6.6模拟与数字声束成形对比59 6.7相控阵超声波检测仪器进展59 6.8设备硬件基础60 6.8.1脉冲发生器和接收器60 6.8.2数据采集和自动化系统68 6.8.3运行（自动化和半自动化系统）71 6.8.4扫查和数据采集75 6.8.5扫查装置85 6.8.6扫描显示和扫描装备86 6.8.7存储和数字化89 第7章 相控阵超声波检测系统校准检查93 7.1仪器线性校准93 7.1.1时基线性（水平线性）94 7.1.2显示高度线性96 7.1.3幅值控制线性98 7.2阵元有效性的评定100 7.2.1手工检查100 7.2.2预设程序101 7.3声束角度和偏移点的确定102 7.4声束特性104 7.5相控阵声束偏转极限的确定106 7.6用于系统验证的校准块109 第8章 检测灵敏度110 8.1用于费马计算的参数110 8.1.1声速的确定112 8.1.2楔块延迟时间的确定113 8.1.3衰减的补偿114 8.2检测灵敏度反射体116 8.2.1内部反射体117 8.2.2表面反射体118 8.3对不定向缺欠的敏感性119 8.4手动校准和自动校准120 8.4.1参考灵敏度DAC曲线的绘制120 8.4.2参考灵敏度TCG曲线的绘制121 第9章 检测和结果评定123 9.1检测技术123 9.1.1接触技术和液浸技术123 9.1.2手工检测和自动检测123 9.1.3聚焦形式125 9.1.4扫描范围126 9.2数据采集和分析127 9.2.1参数设置127 9.2.2文件结构131 9.2.3软件选项132 9.2.4数据分析135 9.3材料加工形式和缺欠类型137 9.3.1材料加工形式137 9.3.2缺欠类型138 9.4结果评定138 9.4.1几何结构信号139 9.4.2缺欠显示140 9.4.3缺欠定性142 9.4.4缺欠定量146 第10章 相控阵超声波检测技术在轨道交通领域中的应用149 10.1车轴相控阵超声波检测149 10.1.1车轴149 10.1.2检测方法150 10.1.3数据分析152 10.2齿轮相控阵超声波检测153 10.3螺栓不解体相控阵导波在役检测158 10.3.1螺栓158 10.3.2检测部位和缺欠158 10.3.3检测方法158 10.3.4数据分析159 10.4钢轨相控阵超声波检测161 10.4.1钢轨161 10.4.2检测部位和缺欠161 10.4.3检测方法162 10.4.4数据分析165 第11章 相控阵超声波检测技术的其他应用171 11.1奥氏体不锈钢焊缝相控阵超声波检测171 11.2复合材料相控阵超声波检测175 11.3相控阵二维成像管道腐蚀检测179 第12章 工艺规程181 12.1范围181 12.2规范性引用文件181 12.3术语及定义182 12.4安全182 12.5人员资质182 12.6焊缝标识和零位182 12.7扫查面准备183 12.8检测区域183 12.9检测设备183 12.10设备校验184 12.11设备检查186 12.12检测技术186 12.13结果评定（验收准则）186 12.14检测结果记录187 12.15违规行为187 附录188 附录A出射点公式188 附录B25～44mm板厚对接焊缝检测技术190 参考文献193