概述

超聲波的主要應用領域是無損檢測（NDT）。超聲測試已成為分析諸如金屬，塑料或復合材料等多種材料中的裂紋，空腔，氣泡和不均勻性等材料缺陷的標準方法。人們也已經開發出了各種方法用于執行各種測試任務。

有了這套實驗裝置，老師可以進行一些見的超聲波測試方法，例如B脈沖回波法和超聲處理方法，角波束測試和超聲波衍射時差法(TOFD)，并將其應用于不同的材料樣品。基于對超聲波物理特性（例如聲速，聲衰減，反射，衍射，散射）的了解，在特殊的測試塊上進行實驗，以調整超聲測試設備，例如DGS圖的生成（距離增益大小圖）或角波束探頭的校準。此外，針對不同類型的故障對不同測試方法的性能進行測試，并進行定量測量，例如，測量鋁樣品中的裂紋深度。

通過使用范圍內的其他材料樣品和附件擴展套件，可以將實驗擴展到使用剪切和表面聲波或導波（蘭姆波）的更特殊的測試方法。該套件的測試和測量提供了生動介紹超聲測試問題的可能性，因此對于相關工程學科的培訓變得相對有趣些。

實驗課程覆蓋

1. 脈沖回波方法（A-Scan）的基礎

2. 分辨率功率的頻率依賴性

3. 無損檢測（NDT）

4. 液位測量

5. 角鋼測試

6. 裂紋深度確定（TOFD）

7. 液體中的聲衰減

8. 邊界處的反射和傳輸

9. 檢測不連續性

方案包含以下設備  

10400   超聲波回波鏡GS200   1套   

10152   2個超聲波探頭2 MHz   1套   

10154   超聲波探頭4 MHz   1套   

10201   測試塊（透明）   1套   

10208   聲阻抗樣本   1套   

10218   剪切波套件   1套   

10233   角鋼楔形17°   1套   

10234   角梁楔38°   1套   

10237   收發器延遲線（TOFD）   1套   

10240   角鋼探頭測試塊   1套   

10241   裂紋深度測試塊   1套   

10242   間斷測試塊   1套   

70200   超聲波凝膠   1瓶   

實驗1　脈沖回波方法（A-Scan）

實驗主題

通過脈沖回波方法檢查內置有瑕疵的樣品。 從樣品的不同側面進行幅度掃描。 檢查并分析記錄在A掃描圖像中的回波信號。

實驗的理論和實踐方面

脈沖回波方法構成了用于非侵入性醫學診斷和非破壞性測試中許多成像方法的基礎。 在這種方法中，電脈沖通過超聲波探頭轉換為機械振動。 它們耦合到被檢查的樣本中，并作為聲波通過。 干擾反射的波返回到探頭，并轉換回電信號。 該信號幅度的時間記錄（振幅掃描）以圖形方式成像為所謂的超聲A掃描圖像。 根據A掃描圖像中的反射回波，可以確定聲波的飛行時間，計算出材料中的聲速以及檢測到的樣品中的不連續性或瑕疵的位置。

實驗2   分辨率功率的頻率依賴性

實驗主題

基于兩個較小且間隔很近的不連續點，研究了兩個不同頻率的超聲波探頭的軸向分辨率。 通過分析記錄的A掃描圖像，證明了波長，頻率，脈沖長度和分辨率功率之間的聯系。

實驗的理論和實踐方面

超聲系統的調查方法是基于將測試區域中某個點上的信息準確分配給已記錄的超聲回波。 因此，超聲探頭的分辨能力極為重要。 分辨率能力可以描述為兩點之間的最小可能距離，其回聲仍然可以單獨檢測到。 在實驗中，將使用1 MHz探頭和4 MHz探頭研究測試塊中的兩個相鄰不連續點。 選擇不連續性的大小，位置和間距，以便僅使用兩個測試探針之一才能進行區分。 這樣，可以清楚地顯示出頻率對超聲波探頭的軸向分辨率功率的影響。

實驗3   無損檢測（NDT）

實驗主題

為了根據脈沖回波方法定位并確定不連續的大小，針對常規超聲探頭對超聲設備進行了校準。 為此，使用時間增益控制（TGC）編譯DGS圖（距離增益大?。?，并在DGS圖中為一系列不同深度的相同大小的替換反射器設置水平評估線。

實驗的理論和實踐方面

對于根據垂直回聲耦合的脈沖回波方法進行的超聲測試，使用標準的普通探頭。 不連續性的定位在此通過聲波的反射來實現，其中飛行時間充當對不連續性深度的度量。 相反，由于材料衰減和聲場特性，尺寸的精確確定通常是有問題的。 大空間擴展的不連續性的大小可以通過掃描來確定。 通過從距離增益尺寸圖中與理想的替換反射器進行比較，可以確定小的不連續點的大小。 在實驗中，將使用帶有定義的替換反射器（不同大小和深度的鉆孔）的測試塊制作此類DGS圖。

實驗4   液位測量

實驗主題

在實驗中，為任何形狀的兩相液體罐建立超聲波液位測量。 記錄填充量的校準曲線，并根據定義的填充量進行檢查。 超聲波限位開關已經過測試，可以地填充儲罐。

實驗的理論和實踐方面

對于大量的工業過程，特別是工業過程的自動化，液位計例如在油庫中，反應堆，收集罐等。以及不同的機械，電容，光學和電磁傳感器，在許多領域，超聲波傳感器也用于液位測量。它們幾乎可以在任何介質中使用，包括多種材料彼此疊置，形成泡沫甚至在腐蝕性的液體中使用，因為它可以從外部通過容器壁進行測量。在實驗中，液位測量裝置配置為連續測量。對于兩種不同的液體（水和油），確定了可檢測的最小填充量，并對每種液體進行了體積校準。借助于校準，在兩種液體的兩層系統上進行液位測量。此外，記錄并分析用于限位開關的合適超聲波信號。

實驗5   角鋼測試

實驗主題

實驗演示了使用超聲角波束探頭定位不連續性。 使用具有不同入射角的延遲線進行測量，并設置一條延遲線以定位鋁中的不連續點。

實驗的理論和實踐方面

不連續性通常不平行于測試對象的表面，因此以特定的角度穿過聲波是實際的甚至是必要的，即用角射束探頭進行調查。 雖然用于深度測量的普通探頭的校準僅需要飛行時間和聲速，但對于角波束探頭，則需要考慮其他幾何因素，例如入射角，延遲線的長度，聲音出射點以及其他 剪切波的激勵-由于傾斜的聲音耦合，必須考慮在內。 與實際使用標準校準塊進行校準不同，在實驗中，使用了簡化的鋁質測試塊。 由于結合了正常探頭使用了不同角度的光束楔形，可以研究不同入射角的超聲回波。

實驗6   裂紋深度確定（TOFD）

實驗主題

裂紋深度的確定是在具有規定裂紋的鋁制試塊上進行的。有兩種方法，即回波幅度方法和TOFD方法（飛行時間衍射），就其性能和檢測限進行比較評估。

實驗的理論和實踐方面

在有關二維分離（裂紋）的部件的斷裂力學評估中，需要有關缺陷幾何形狀的準確信息，例如裂紋深度，裂紋長度和裂紋深度位置。斜角探頭可以非常靈敏地檢測出表面裂紋。在此過程中，搜索在裂紋和表面之間的角度中出現的回波。根據裂紋的大小和深度，使用兩種不同的方法進行實驗研究和評估。在測試塊上，a）根據回波幅度方法確定用于確定裂紋深度的凹槽特征線，b）使用TOFD方法（飛行時間衍射）確定裂紋深度。根據結果，可以評估兩種方法在裂縫幾何形狀方面的適用性和敏感性。另外，可以通過使用TOFD探頭記錄TOFD B掃描圖像來進行另一裂紋深度估計并進行分析。

實驗7   液體中的聲衰減

實驗主題

在實驗中，研究聲波在不同液體中的衰減隨聲程的變化。對于每種液體，聲衰減系數通過線性回歸來確定。

實驗的理論和實踐方面

在氣體和液體中，聲音傳播以縱波的形式發生。在此，聲波在液體中，吸收，反射或散射的過程中會損失能量。 除此之外，聲場的幾何形狀還會影響聲的衰減。 在實驗中，測量了一個由鋁制成的簡單可移動聲反射器的反射回波的幅度。 由于在要研究的液體中移動，可以使用脈沖回波方法快速確定大量不同聲音路徑的振幅值。 信號幅度A的衰減在這里可以通過衰減A = A0 · e-αx的一般規律來描述。 對于兩個不同的聲音路徑x1和x2，將得到以下線性化形式：2 · Ln(A2/A1) = α · (x1 - x2). 。 相應的液體的衰減系數α因此可以通過衰減聲程圖中的測量點通過線性回歸來確定。

實驗8   邊界處的反射和傳輸

實驗主題

在實驗中，研究邊界處超聲波的反射和透射的影響。反射系數是針對丙烯酸，PVC和黃銅材料的不同組合確定的。

實驗的理論和實踐方面

如果超聲波擊中具有不同特征聲阻抗的兩種材料的邊界，則會部分或幾乎*反射。 反射聲能的部分取決于相應材料的特征聲阻抗之間的差異大小，并由反射系數來描述。 由于空氣的低密度和聲速，固體-空氣邊界處的反射系數幾乎為1。因此，在實驗中，可以通過比較確定丙烯酸，PVC和黃銅材料的不同組合的反射系數 測量與空氣的反射系數。 此外，可以通過比較所研究的反射回波來定性描述材料的衰減特性。

實驗9   檢測不連續性

實驗主題

使用具有不同類型的不連續性（缺陷）的測試塊，分析超聲無損檢測不同不連續性定位技術的適用性和性能，并討論了針對特定測試任務的正確定位技術的選擇。

實驗的理論和實踐方面

根據不連續的類型，有必要采用不同的定位方法和尺寸確定方法。 在實驗中，使用普通探針，角波束探針和發射器-接收器探針（TR或雙元素探針）研究了具有理想間斷的測試塊。 每個探針記錄測試塊的B掃描圖像并進行分析。 在第二系列測試中，使用每個探針確定發現的不連續性的信噪比。 基于這些結果，評估不連續類型的單獨定位方法的可檢測性，并針對實際應用中的特殊測試任務討論了它們的選擇。

各項實驗所需要的實驗設備表格