GB/T 18694-2002 无损检测 超声检验 探头及其声场的表征

GB/T18694-2002

理.

前．习

本标准等效采用ISO10395:1999(E)((无损检测超声检验探头及其声场的表征》。

为了可重复性地获取材料内有关缺陷的信息，必须对超声脉冲的发生、发射和接收作出适当规定、

控制和表征。为了保证超声检验结果的精确性和重现性，需要了解探头的性能及其声场分布，并规定可

采用的测试方法。

本标准推荐方法可在实验室条件下测定超声探头性能参数，其中包括中心频率、带宽、近场长度、半

扩散角、场深焦（点长度）、声束直径和焦距。本标准对探头性能参数测量的规定，适用于液浸探头和接触

探头。本标准还是获取自由声场测量参数和脉冲回波测量参数的导则。

本标准通过对探头在工作状态下回波信号作出频域和时域响应、声场、截面声压分布、电阻抗和相

对灵敏度的测定，使探头性能以独立于探伤仪的本体性能得到了较为全面的体现。

本标准的附录A是标准的附录。

本标准由中国机械工业联合会提出。

本标准由全国无损检测标准化技术委员会归口。

本标准负责起草单位：上海材料研究所。

本标准主要起草人：华云波。

本标准委托上海材料研究所负责解释。

Gs/T18694-2002

ISO前言

ISO（国际标准化组织）是国家标准化机构I（SO成员国机构）的国际联盟。国际标准的制定常由ISO

技术委员会实施，每个成员国机构都有权参加他感兴趣的项目技术委员会，同ISO保持联络的国际组

织、政府和非政府机构也参与其工作。ISO同处理电工标准化事务的国际电工委员会I（EC）紧密合作。

由技术委员会草拟的国际标准由成员国机构投票表决，至少要参加投票的成员国机构75％以上同

意票才能作为国际标准发布。

国际标准ISO10375由ISO/TC135无损检测技术委员会，SC3声学方法分委员会起草。

GB/T18694-2002

、‘

引曰

在超声检测中，材料的不完善性，或通常被称之为缺陷的检出和评价，是通过声脉冲来实现的。为了

可重复性地获取材料内有关缺陷的信息，必须对超声脉冲的发生、发射和接收作出适当规定、控制和表

征。为了保证超声检验结果的精确性和重现性，那就需要了解探头也（称之为换能器，以下均称为探头）

的性能及其声场，以及所采用的测试方法。出于对超声探头全面描述的需要，或者是为了挑选适合于某

项检测工作的探头的需要，必须在各方都接受的基础上建立一套超声探头的性能参数。本标准所述方法

可在实验室条件下测定超声探头的性能参数，如中心频率、带宽、近场长度、半扩散角、场深焦（点长度）、

声束直径和焦距。本标准对探头性能参数测量手段所作出的规定，既适用于液浸探头，也适用于接触探

头。本标准还给出了获取自由声场测量参数和脉冲回波测量参数的导则，给出了计算这些参数的实例。

本标准所提供的测量技术和方法，可达到以下目的：

a）挑选和规定探头性能；

b)检验和保证探头使用期内性能的一致性；

。）便于选择同样的或可等效取代的探头；

d)在对使用不同仪器、不同的设备配置，由不同操作人员在不同测定时间和时期获得的结果作比

较时，提供一个可以比较的基础。

中华人民共和国国家标准

无损检测超声检验

探头及其声场的表征GB/T18694-2002

eqvISO10375：1997(E)

Non-destructivetesting-Ultrasonicinspection-

Characterizationofsearchunitandsoundfield

1范围

本标准规定了超声探头的某些性能和探头声场的测试方法。本标准的目的在于建立统一的测试方

法，以形成一个评估基础，对在不同实验室和不同时期的测定结果进行评估。本标准没有规定探头的验

收标准，但为采用本标准的各方规定验收标准莫定了技术基础。

本标准适用于标称频率为0.5^15MH：的直探头和斜探头，但不包括表面波探头。本标准给出了

探头声场的技术参数及其在液体中的测量方法。本标准没有论及接触检测中的声场测定问题。

本标准给出了用于评价超声探头性能的测定规程和以电脉冲激励现场和实验室使用的探头声场技

术参数的测试方法。本标准所讨论的性能参数有以下内容：各种形状探头在自由声场中的高、低端频率，

中心频率，波长，带宽，时域和频域响应，近场长度，半扩散角以及回波幅度测量，声束截面声压分布，阻

抗和相对灵敏度等。给出了平探头和聚焦探头规定性能的表达形式。

为了给出探头的基准信息和检验可能存在的性能退化，还对独立于超声仪器的探头电性能进行了

测量。电阻抗和灵敏度是在各被测探头规定频率下测定的。电阻抗是指探头的输人复阻抗，而探头灵敏

度则是对探头电声转换效率的一种度量。有关这两项的测试规程分别在4.6和4.7叙述。

2引用标准

下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均

为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

JB/T4730一1994压力容器无损检测

JB/T8428-1996校正钢焊缝超声波检测仪器用标准试块

JB/T10063-1999超声探伤用1号标准试块技术条件

3符号

wB带宽，以百分数表示。

岛周数。

D探头换能器元件的有效直径，mm,

rdl焦距处焦点声（束）直径，mm.

凡场深焦（柱长度）'mm.

凡焦距,mmo

f探头频率，MHz,

五低端频率（自由声场中比峰值低3dB，回波测量时比峰值低6dB),MHz,

中华人民共和国国家质f监督检验检疫总局2002-03-10批准2002一08一01实施

GB/T18694一2002

人高端频率（自由声场中比峰值低3dB，回波测量时比峰值低6dB),MHzo

fc中心频率，MHz.

几峰值频率，MHz,

1"I'矩形探头的有效边长，mm.

No近场长度，mm}

尸N波峰个数。

S,相对灵敏度，dB,

Tk介质厚度，即探头至反射体的距离，mm,

TPD脉冲持续时间，pso

v介质中的声速，km/s.

Vin输人或激励电压信号幅度的峰—峰值，V.

Vout输出电压信号幅度的峰—峰值，V,

x探头的纵轴方向。

z垂直于探头前表面的轴向距离，mmo

‘

凡试验介质中的波长，mm.

口入射角，（。）。

口

f折射角，（“）。

y偏斜角，。（）。

门阻抗，n。

0半扩散角，。（）。

测试方法和规程

超声探头的性能不仅取决于它自身的性能参数，同时也受与之藕合的介质性能影响，超声探头的性

能可用波长、中心频率、时域响应、频率和频带等表征。波长、探头频率和波在介质中的传播速度之间有

以下关系：

A＝v/f··，···············……（1）

式中：v—试验介质内波的传播速度，km/s;

A—波长，mm;

f—探头频率，MHz,

例1

a）当以5MH：的直探头对钢作接触检测时，声脉冲在钢中的纵波波长由以下公式计算：

f＝5MHz＝5X106Hz

钢中的纵波声速为：

vAg=5.85km/s=5.85X106mm/s

所以坛=5.85X106/(5X106)=1.17mm纵（波波长）

b）当以5MH：的斜探头横（波）对钢作接触检测时，声脉冲在钢中的波长按以下公式计算：

f＝5MHz＝5X106Hz

钢中的横波声速为：

vgt=3.24km/s=3.24X106mm/s

所以、=3.24X106/(5X106)=0.65mm横（波波长）

上述参数采用本标准所述的脉冲回波法测定。为消除无关信号的影响，回波要用无阶跃选通闸门选

通。经闸门选通后的回波既作为时域响应分析时示波器的输入信号，也作为频域响应分析时频谱分析仪

GB/T18694一2002

的输人信号。用于激励探头的尖电脉冲，要有足够宽的频谱供探头响应的评价。测定时，应记录每次测

定所使用的激励脉冲的幅度、反射体类型和探头离反射体的距离。

4.1测试装置

图1所示为测试装置的示意图。采用脉冲反射法检测时，常用尖电脉冲激励。测试装置由以下几部

分组成：脉冲发生器、接收机、选通闸门或（具备闸门选通回波信号输出端口的探伤仪）、示波器、频谱分

析仪和探头等。示波器和频谱分析仪的频率范围应不低于50MHz，测试时应使用5on的同轴电缆，输

人到示波器和频谱分析仪的同轴电缆应接人50dZ的终端匹配电阻。探头应由激励脉冲激励，对指定反

射体产生的回波信号进行分析。

对于液浸检测，应通过调节探头的入射方向，使反射体表面产生最大幅度的回波。对于液浸检测的

声场测定，通常以不锈钢小球或钢丝作为反射体。分析回波波形时，也可使用平板玻璃块之类的平面反

射体。钢球的标准直径为4mm，钢丝的标准直径为2.5mm。在使用本标准的双方取得一致的情况下，

也可采用其他尺寸的球或钢丝。为避免盛液容器的底面反射影响，被作为反射体使用的钢球或钢丝至少

应远离底面50mm以上。图2给出了用一个不锈钢球或一根钢丝横截面和一块玻璃试块作为反射靶的

液浸试验装置。

在接触检测中，既使用直声束探头（以下简称直探头）也使用斜声束探头（以下简称斜探头）。使用直

探头的接触检测，既有按脉冲反射式工作的单探头检测，也有按一发一收方式工作的双探头检测。测定

声场时，要用具有多个厚度层的阶梯试块，要采用矿质油或甘油之类的适当藕合剂，探头与试块接触面

之间的压力应保持均恒，所用试块的厚度应大于所用激励脉冲振铃宽度的当量距离，试块平正度和平行

度应优于0.02mm，试块前后表面的粗糙度应在1.6-3.2pcm之间。图3所示为在阶梯试块上进行的

接触测试。

斜声束可用两种方法获得，一种是使换能器元件在探头内与探头之z轴形成一夹角上（述夹角以术

语人射角a表示）；另一种方法是在直探头上安装一块斜楔，辐射到材料内的斜声束既可以是折射纵波，

也可以是折射横波。

对于接触检测用斜探头的测试，应使用JB/T10063规定的试块，要把探头安放在能使声束射向

R100圆弧面的方向，移动探头位置，使之能接收到最大回波，在1号标准试块上R100圆弧面的圆心所

对应的探头位置标出探头的入射点，此点也是超声束在探头上的出射点。

探头人射点确定以后，再按下述方法测定探头折射角R，它是辐射声束轴线与被检表面法线之夹

角。对于折射角介于400到75“的探头，要使探头声束射向直径50mm的通孔，在1号标准试块上探头人

射点所对应的刻度值即为探头折射角的值。对于折射角在800左右的探头，要使探头声束射向直径

1.5mm的通孔。测定时，要移动探头位置，使之能接收到最大回波，此时在1号标准试块上探头人射点

所对应的刻度值即为探头折射角的值，偏斜角Y是声束同探头纵轴方向X的偏斜角度。

探头波形分析要采用从1号标准试块上R100圆弧面的反射回波，对于工作在一发一收模式的两

个斜探头的波形分析，要采用在1号标准试块的平面上获得的最大反射信号。

图4示出了接触检测测定时采用的斜探头和1号标准试块。测定宽束斜探头时，所用反射体宽度至

少要同被测斜探头换能器元件的直径一样。

进行波形分析时，要对经闸门选通后的参考试块背面（即无限大反射体）回波作时域和频域响应的

表征。

Gs/T18694一2002

图中尺寸单位为mm

示波器

接收信号

‘－－

平面反射体

a）接触检侧用直探头U）接触检测用斜探头c)液浸检侧用直束

探头或聚焦探头

Tk00.75No~l.5N.;Nn＝近场长度

图1采用电冲击激励的超声脉冲反射法检测的测试装置

图中尺寸单位为mm

探头

球沪4

口

平板玻璐试块

反射体

Tk二直探头近场长度＝聚焦探头焦距

测量频率响应时用平面反射体，测量声场时用球靶