CN101351278A - 超声无损检测 - Google Patents

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Abstract

一种用于超声无损检测的设备和方法，其提供了在近端连接到测试物的超声传递材料的细长带。细长带具有给定宽高比大于一并与超声换能器匹配的横向截面宽度和厚度，使得激励引起基本上非频散的超声信号沿细长带传播到近端，并进入测试物。这些非频散脉冲特别适合于时差测量、厚度测量、裂纹测量等。细长带有助于将换能器和与测试物有关的潜在恶劣环境分离开。细长带也与测试物大面积接触，从而允许将能量有效传递到测试物。

Description

超声无损检测
发明领域
本发明涉及一种用于超声无损检测的设备和方法。
已有技术的描述
超声信号在材料无损检测中的使用是已知的。厚度测量可通过将超声信号发送到测试材料并测试其穿过样品的时差(time-of-flight)来进行。缺陷监测可通过将超声信号发送到测试材料中并观察其从缺陷结构的反射来执行。通常，超声换能器直接接触测试物放置。然后，发射的超声信号被发射换能器接收，发射换能器也作为接收换能器，或者可以使用第二接收换能器。这些程序在非恶劣(non-hostile)环境中是简单的，但是为了在恶劣(例如高温)环境中操作此换能器，必须克服重大的技术障碍。
开发能够在很长时间段抵抗高温的超声换能器及其辅助部件是具有挑战性的。大部分换能器材料受到高温的不利影响，而且，弹性缓冲放大器(resilient buffer amplifier)需要转换信号，以沿同轴电缆传送，其本身必须能抵抗环境。还必须提供合适的连接器和动力供应。
有吸引力的备选方案使用由能够抵抗恶劣环境的材料制成的声波导(acoustic waveguide)，来将超声信号从位于非恶劣区域的换能器和辅助部件发送到测试物。波导的端部直接连接到所关心的测试样品区域。但是，使用中间波导(intermediary waveguide)不是小任务。超声检测通常使用高频(＞1MHz)脉冲波形，由于频散、多模式及衰减，其很难高保真地沿长波导传播。另外，换能器和测试样品均必须有效地连接到波导，以避免过高的能量损失。
要克服的主要问题是频散和存在的多模式。附图的图1显示了柱状杆波导(cylindrical rod waveguide)的频散曲线。所发射的信号能量的一些散布是不可避免的，因此，例如以2MHz中心频率产生的信号通常具有1MHz和3MHz间的能量。因此，由于来自测试样品的超声信号的精确识别和计时对于上述无损检测程序极为重要，所以非常希望传送主要为非频散的信号，即，其速度与频率几乎是常数，且以单一模式为主导。
波导中的频散及可能的模式主要是信号频率和波导最小尺寸的乘积的函数。而且，为了获得非常准确的超声厚度测量，通常需要在1MHz以上操作。但是，在较高的频率-尺寸积(frequency-dimension product)中，可传播更高阶的模式，因此必须限制波导的最小尺寸。因此，细杆波导的使用在本领域是已知的。因为很难将足够的能量传递到细杆来产生强信号，所以这类设备具有其自身的困难。同样，当细波导连接到较大结构时，具有强的表面反射，且相对较少的能量能进入结构。另外，连接到结构表面的细杆波导有效地作为点源，能量从该点源球状地分散，从而意味着甚至从较强反射体，例如结构的底表面，有很少能量返回到接收波导。
US-A-5,962,790(例如，见参考文献1、2、3及4)公开了一种系统，该系统使用细线来使频散最小化，并通过采用一束细线来克服单根细线的某些问题。每根线在适当低的频率-直径积下操作，相当多的能量可通过成束的多根平行线传送，而不是通过单根线传送。但是，成束的线的生产相对较贵，且当其直径增大时变得非常不易弯曲，从而限制了其被配置的几何结构。而且，各个线之间的串扰可能使信号分析变得复杂，且将每个单独的线连接到测试结构，或用不引入频散问题的板端接束，存在实践难度。就模式激励(mode excitation)而言，膨胀模式(extensional mode)或扭转模式(torsional mode)可以在单根线中激励。扭转模式通常由与线侧面接触的换能器激励，或通过环形电磁线圈激励。此种技术对于成束的线不是切实可行的，成束的线实际上可仅使用膨胀模式是实际的。
US-A-6,400,648(参考文献5)公开了线圈箔波导(coiled foil waveguide)作为杆束的替换物。箔的厚度设置成比传播的信号的最小波长小得多，从而满足用于非频散传递的低的频率-尺度积。箔围绕平行于信号传播方向的轴盘绕，所以如果被解开，其在垂直于信号传播方向将很长。但是，当线圈的直径增加时，由于层之间可能发生摩擦，所以波导变得刚性，并衰减。与线束一样，线圈箔更适合于膨胀波而不是扭转波。
US-A-5,828,274(参考文献6)公开了具有外层衰减覆层的锥形超声波导。覆层通过衰减并限制表面反射消除波导边界效应。这具有消除几乎所有尾回波的效应，但是不能整体消除频散效应，且信号略微延迟、略微失真，并大量衰减。后述缺点限制了这种波导的长度，其也是更加不可弯曲的。将非均匀螺纹杆作为波导使用是前述建议的改进(见参考文献7和8)。
US-A-6,047,602公开了一种用于流体流动测量的超声波导，其是矩形截面杆，具有倾斜的端部部分。倾斜部分的表面将沿杆传递的能量反射到窄的定向束中，以进入测试流体。波导被设计成使通过导管传递的能量最大化。这种设备在厚度测量或缺陷监测领域具有明显不足，其不可弯曲且波传播对于清晰不失真信号形态不是最佳的，而这对于样品无损检测中的定时测量最为重要。
本文是提供一种能够在恶劣环境中操作且能够解决上述问题的超声无损检测实用设备的技术问题。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于测试物的超声无损检测的设备，所述设备包括：
超声传递材料细长带，所述细长带具有用于连接到所述测试物的近端和一远端；以及
超声换能器，其连接到所述细长带；其中
所述细长带具有给定高宽比犬于一且与所述超声换能器匹配的横向截面宽度和厚度，使得所述超声换能器的激励引起基本上非频散的超声信号沿所述细长带传播到所述近端，并进入所述测试物。
本发明考虑，有需要以基本上非频散方式传递的用于无损目的的超声信号，使得可以做出精确的定时测量。本发明还考虑，有需要为柔性的超声传递组件，使得设备可配置在不灵活的几何结构中。因此，通过沿具有宽度和厚度宽高比大于一的细长带传递超声信号，并通过激励基本上非频散的信号，测试物体的超声无损检测可以在传统超声换能器所处的恶劣环境中以及需要传递组件柔性地包围其间物体的构型中进行。
细长带由具有剪切速度CS和剪切波长λB的材料形成，其中λB＝CS/F，且F是对应λB的频率，而所述基本上非频散的超声信号由不同频率且具有从λ短延伸到λ长的剪切波长的组分形成。一些超声波的剪切模式是有利于非频散，且具有短的波长。较短的波长为检测提供更好的空间分辨率。
所述细长带以相似的方式由具有杆速度(bar velocity)C杆和杆波长(barwavelength)λ杆的材料形成，其中λ杆＝C杆/F，且F是对应λ杆的频率，而所述基本上非频散的超声信号由不同频率且具有从λ短延伸到λ长的杆波长的组分形成。压缩波可能更适合于相当多的场合。
同时，细长带的尺寸可进行相当大地改变，在优选实施方式中，细长带的厚度将小于2.5倍λ短。在特别优选的实施方式中，细长带的厚度将小于λ短。这种尺寸限制有助于避免不需要的较高阶模式的激励。
在优选实施方式中，所述宽度大于3.5λ长。在更优选的实施方式中，所述宽度大于5λ长。这种尺寸有助于使得超声波传播是基本上非频散的、在波导边缘具有低幅度、且模式形态近似不变。
同时，可在优选实施方式中使用不同的超声模式，所述基本上非频散的超声信号包括垂直于传播方向并平行于所述宽度偏振的最低阶剪切模式振动。这种信号可沿上述波导以低失真和高效率传送。
在其他实施方式中，所述基本上非频散的超声信号包括平行于传播方向偏振的最低阶压缩模式振动。这种波的使用在测试物遇到较高剪切波衰减或在测试物中使用压缩波是有利的应用中是有益的。
同时，合适类型的多模式连续激励是可能的，在优选实施方式中，所述超声换能器基本上仅激励单一模式的传播导波(propagated guidedwave)。在其他实施方式中，所述超声换能器基本上仅变迹激励所述单一模式的传播导波，以导出所述基本上非频散的超声信号。单一模式的限制在需要精确的定时信息的应用中是有利的，因为单独接收的信号可更容易被确认为来自测试物中的单独特征，而不是不同模式的结果。
相对于测试物中要求的传播距离，在优选实施方式中，所述基本上非频散的超声信号基本上从所述近端向所述测试物柱状地传播。柱状传播波幅值的衰变率与距源头的距离的平方根的倒数成比例，而球形传播波的幅值与源头距离的倒数成比例。因此，前面的传播损失较少的能量。
同时换能器可连接到细长带的不同位置，在优选实施方式中，所述超声换能器可有利地连接到所述远端。在本文中，所述超声换能器通过以下方式之一连接到所述远端：
(i)结合连接(bonded connection)；
(ii)机械固定和超声传递耦合剂(ultrasound transmissive couplant)；以及
(iii)机械固定和可变力。
超声换能器和波导的远端之间的这种连接促进了两者之间的有效能量传递。结合包括焊接(welding)和铜焊(brazing)以及其它结合技术。
换能器与细长带的连接可以许多不同方式实现。在一种优选实施方式中，所述超声换能器包括连接到所述细长带的至少一个纵向侧面的换能器。在另一优选实施方式中，所述超声换能器包括可操作来提供电磁超声换能的线圈。这种配置允许在波导中激励超声信号的可替代的有效方法。
在本发明的一种实施方式中，所述细长带围绕基本上平行于所述细长带的所述宽度并基本上垂直于所述传播方向的轴弯曲。这允许在有限的现实生活场景中超声信号的特别简单的路线。
超声信号的接收可以按各种不同的方式提供。在一种优选实施方式中，所述设备包括超声接收器，该超声接收器可操作来接收所述测试物的反射超声，反射超声由进入所述测试物的所述基本上非频散的超声信号引起。在本文中，所述超声接收器包括一个或多个其它细长带，每个细长带在相应的位置连接到所述测试物，以接收反射超声，并具有接收超声换能器，以检测所述反射超声。在另一优选实施方式中，所述细长带及所述超声换能器也形成所述超声接收器。
同时，各种超声检测方法可与本技术联合使用，在优选实施方式中，所述反射超声包括至少一个反射信号，且所述超声接收器测量所述反射信号之间的时间差。这种时间差测量给出关于测试物结构的信息。
本发明考虑，尽管所述细长带到所述测试物的连接可以多种不同的方式实现，但是所述设备的执行是重要的，且在优选实施方式中，所述近端由以下方式之一固定到所述测试物：
(i)焊接；
(ii)铜焊；
(iii)软焊(soldering)；以及
(iv)压焊(bonding)。
在另一种优选实施方式中，所述近端被夹持到所述测试物。在本文中，通过将超声传递耦合剂布置在所述近端和所述测试物之间来改进连接。而且，改进的连接在其中夹具以可调节的力将所述细长带夹持到所述测试物的实施方式中实现。在优选实施方式中，所述夹具通过焊接到所述测试物的螺栓连接到所述测试物。夹具的另一优选形式是一种环绕测试物，例如环绕管的夹具。
本技术在所述超声无损检测是厚度测量和裂纹监测时特别有用。
本技术特别适合于为如下情况的所述测试物：
(i)处于大于200℃的温度；以及
(ii)受到上述电离辐射的背景水平(above background levels ofionising radiation)。
从第二方面来看，本发明提供了一种超声无损检测测试物的方法，所述方法包括：
将细长带的近端连接到测试物；
激励在所述细长带内基本上非频散的超声信号，以沿所述细长带传播，并进入所述测试物。
现将仅通过举例、参照附图描述本发明的实施方式，其中：
图1显示了钢杆中各种超声模式的相速度频散曲线；
图2显示了钢板中各种超声模式的相速度频散曲线；
图3示意性显示了使用波导传感器的厚度测量；
图4示意性显示了使用波导传感器的时差衍射(time of flightdiffraction)；
图5示意性显示了根据本发明技术形成传感器部分的细长带的某些示例性尺寸；
图6显示了使用长度300mm的1×15mm带从使用2MHz中心频率信号的6mm厚(50×50mm)板接收的示例性时间轨迹；
图7显示了在1×30mm细长钢带内超声模式的相速度频散曲线，突出了最低阶水平剪切模式SH*；
图8示意性显示了带截面(1×15mm)以及在2MHz时SH*(X，Y，Z)位移模式形状；
图9示意性显示了SH*的Y位移模式形状相对频率的演变；
图10示意性显示了最低阶剪切型模式SH*的相速度，当在截面分别为1×30mm和1×15mm的带中传播时，其频散曲线在图7中突出显示；
图11示意性显示了在接近截止频率0.14MHz和在接近渐近线弯曲的0.5MHz的SH*(X，Y，Z)位移模式形状(1×15mm截面)；
图12显示了焊接到钢板(6mm厚)的波导的信号；以及
图13和图14示意性显示了用于将波导连接到测试物的夹持构型。
本技术使用细带波导(细长带)。在图2中一板的相速度频散曲线显示为频率-厚度积的函数。在1.4MHz-mm下仅有三种模式可传播：S0(平行于传播偏振的最低阶压缩波)、A0(低频率弯曲波)以及SH0(偏振垂直于传播并平行于带宽的最低阶剪切模式)。这些波分别类似于杆中的L(0，1)、F(1，1)和T(0，1)模式。A0模式为高度频散，且不适合用于测试目的，但S0模式在低频最小地频散，而SH0模式在所有频率下都完全不频散。图2显示了在低于1.4MHz-mm的频率范围中，SH0模式的相速度比S0模式的相速度低得多。因为波长由相速度除以频率得到，因此，在给定频率下，SH0模式的波长比S0模式的波长短。这通常使其在检测应用中更灵敏。因此，本技术的优选实施方式使用水平剪切模式，但是可能在某些情况，压缩模式如S0模式是优选的(例如，在剪切波衰减大大高于膨胀波衰减，使得剪切波的信号太弱而不能使用的应用中)。
带波导的使用与单根线、前面提到的成束和线圈解决方案相比具有以下优势：
●因为截面面积远大于单根线，因此更容易获得强信号；而且，在波导和结构之间的界面反射较小，所以更多的能量进入测试结构。
●当波从带进入测试结构时，它趋向于柱状地分散。这意味着由于波束分散，结构中的波幅以与
Figure A20068005023400141
成比例的速率减小，其中r是距接触点的距离。这可与波束分散是球形的线系统的衰变速率与1/r成比例相匹敌。
●柱状波束分散模式非常适合于根据时差衍射(TOFD)来进行简单的厚度测量和裂纹检测(见图3和图4)。
●通过将换能器连接到带的端部而易于在带中激发剪切波或纵波；如果更方便的话，还可以通过将适当的换能器连接到带的侧面来激发任一类型的波。
●可以将波导焊接、软焊、铜焊或压焊到结构。也可以在低温下简单地使用粘性超声凝胶耦合剂和/或将波导紧紧地夹持(例如通过焊接在螺栓上给定可调节的夹持力)到在高温和低温下工作的结构上。因为波导较细，所以它更容易确保波导的整个底表面连接到结构，从而改善信号传递。因为将波导夹持到结构消除了由永久性连接技术不可避免地引入的不想要的几何畸变缺陷，所以其是有利的。通过夹持可实现充分的信号传递。
●带波导比典型的束在一个方向更有柔性，所以它更易于在角附近进入结构。
图5显示了本发明的示例性实施方式。图6显示了在图3厚度测量应用中接收的信号，其中厚度可从在顶表面和底表面反射之间的时间或者从已知声速的连续底面回波之间的时间获得。样品可处于高温度，例如＞200℃，和/或受到上述电离辐射的背景水平。
带的厚度通常应选择成使得厚度和所激发的最大频率的乘积对于SH型波小于3MHz-mm，而对于纵型波小于1.4MHz-mm，以避免在厚度方向激发较高阶模。如果使用纵波，为了使频散最小，也经常需要使用较低的频率-厚度积，但是它也可以补偿频散(见参考文献10)。带宽也是重要的参数。
当细长带由具有剪切速度CS和剪切波长λB的材料形成时，其中λB＝CS/F，且F是对应λB的频率，所述基本上非频散的超声信号由不同频率且具有从λshort延伸到λlong的剪切波长的组分形成。最好是，但不是必须，厚度小于2.5λshort，且特别优选为小于λshort。相似地，优选宽度大于3.5λlong，且特别优选为大于5λlong。
以相似的方式，优选的相同范围应用到当所述细长带由具有杆速度Cbar和杆波长λbar的材料形成时，其中λbar＝Cbar/F，且F是对应λbar的频率，且所述基本上非频散的超声信号由不同频率且具有从λshort延伸到λlong的杆波长的组分形成。
图2中的频散曲线模拟波在无限宽的板中的传播。具有非常大宽-厚比的结构将通过此无限宽假设进行极其精确地模拟。但是，侧表面为形成矩形截面的带而一起移动得越近，波传播受存在的带边界的影响越大。Mindlin和Fox(见参考文献11)第一个描述了矩形截面杆的传播模式。他们的解决方法由分别在无限板的杆的宽度和厚度中传播的几种弯曲模式、纵向模式及剪切模式的重叠组成。无限板的解决方法是重叠，以便实现在截面所有周界附近零应力的边界条件。这种方法使它们能够确定杆在不同频率和杆宽高比下的频散特性。但是，不可能有对于所有频率和宽高比的解决方法。但是最近，任意截面结构中波传播的频散曲线的连续轨迹通过使用有限元(FE)特征求解器变得可能。Wilcox等人(见参考文献12)、Mukdadi等人(见参考文献13)、以及Hayashi等人(见参考文献14)已经报道了L型截面、横梁和带的轨迹频散曲线方法。
在此使用Wilcox等人的方法来分析在1mm厚和30mm宽的钢带中传播的模式。图7显示了相速度频散曲线。由较密集的线突出表示的模式已经确认为带的第一水平剪切模式SH*。与无限板情形对比，传播的SH0模式在有限带中不存在。这是由于在带侧面上零应力边界条件的原因，其可仅由刚体运动或SH*和较高阶模式满足。因而，在有限宽度带中没有非频散的传播剪切模式存在。但是，带越厚，SH*模式的截止频率变得越低。因为SH*模式与材料中的整体剪切速率(bulk shear velocity)渐进，所以它在较高频率时变得基本上非频散。在本发明中，压缩或剪切特性的基本上纯非频散的带模式用来沿波导或“声缆”将超声能量传送到待询问的试样。模式的纯度避免了几种信号的到达，其可被误认为在询问结构中的缺陷或特征，且模式的非频散性有助于在窄时窗(narrow time window)中集中波能量，这增加信号在波导中的传播范围，并且还确定可用其监测结构的空间分辨率(见参考文献15)。基于SH*模式的示例将在这里详细描述，而且使用相似模式的压缩特性也是可能的。
图8显示了15mm宽带的截面和SH*模式在2MHz下的模式形状。可以看到，平行于带宽度方向的位移y控制SH*模式的模式形状。但是，与无限板中SH模式的模式形状不同，有限宽度带中SH模式的模式形状随频率改变。图9显示了在频率变化范围内SH*模式的主导y位移分量的演变。频率越高，模式越集中在带的中心。因此，在高频时，模式在几乎整体剪切速率时沿能量很少的带中心传播能量，且因此在边缘灵敏。
借助于模拟模式的模式形状的变迹换能器(apodized transducer)，可实现纯模式形状的激发。也可以使用线圈换能器。换能器可以放置在带的端部或侧面。因为短的时间脉冲是宽带信号，所以模式的模式形状不应在激励脉冲的频率带宽范围内显著地改变。在较高频率(2MHz的中心频率附近)，这是用于较宽带的SH*模式的情况。因此，具有两个标准来管理带宽高比的容许范围。第一，在感兴趣的频率带宽内，模式是基本上非频散的(速度变化小于5％)，以及第二，在感兴趣的频率带宽范围内存在相对恒定的模式形状(标准化振幅的差异小于10％)。对于SH*模式，目前的任务是找到满足两种标准的宽高比限度。
无限板的频散曲线可通过绘制相对于频率厚度(FT)积的曲线而几何独立。因此，厚度为另一块板的两倍的板上的截止模式将使得频率为其一半。因为宽/厚比较大(＞5)，在我们的情形中，系统大约可与两种乘积成比例；FT是带的频率-厚度的乘积，而FW是带的频率-宽度的乘积。沿那些线推理并保持带的厚度不变(FT不变)，带的宽度可调节至极限情况，此处频散曲线和模式形状不满足较早叙述的成功激励和单一模式传播的准则。图10显示了1mm厚和30mm宽的带以及1mm厚和15mm宽的带的SH*模式相速度频散曲线。15mm宽的带中的模式的截止频率是双倍频率。图11显示了接近截止频率(点1)的SH*模式的模式形状，且在此点附近的频率处，相速度开始朝带的整体剪切速率渐进(点2)。在截止处，模式在带的边缘呈现大量位移。边缘处的位移在较高频率处是可忽略的。
用于检测的有用频率从1MHz到5MHz变化。但是，在缺陷和厚度监测中，通常使用脉冲的宽带激励。这需要信号的中心频率以下一半的带宽和中心频率以上一半的带宽。因此，对于1MHz的中心频率脉冲，波导必须在0.5-1.5MHz范围内呈现相似的非频散波传播。类似地，对于2MHz的中心频率信号，范围在1MHz-3MHz范围内延伸。如图10中所看到的，1mm厚和15mm宽的带变得不适于发送1MHz的脉冲。SH*模式的相速度还没有渐进到整体剪切速率。此模式在频率范围500-800kHz中仍相对频散，且其模式形状(图11(b))在边缘不具有可忽略的幅值(～25％)。在图11(a)和(b)还可看到，直到模式开始渐进到剪切波速度，其模式形状才不由Y方向的分量支配。但是，相同的带适合于发送2MHz中心频率的信号。在2MHz信号(1-3MHz)带宽内，频散非常有限，且模式形状几乎不变(+/-5％)。因此，为了使波成功地沿带传播(以SH*模式的形式)，频率-宽度必须大于15MHz mm。以宽度和波导材料的整体剪切波长比来表示，宽度必须比在信号内包括的最低频率分量处的5整体剪切波长更宽。
压缩波
对于压缩型带模式，可进行与上述相同的程序。在结构中遇到高剪切波衰减的情况下或者当在结构中使用压缩波有利时，它们的使用可能是有利的。
连接
越过“声缆”(波导)的“接合”将能量朝被监测的结构传递也是重要的。弹性半空间上的法向点&线力问题是有名的Lamb问题，且第一次被Lamb解决(见参考文献16)。其他工作者给出了具有不同几何结构和源偏振现象的相似问题的解决方法。Miller和Pursey(见参考文献17)考虑了法向地、切向地及扭转地沿长带和圆盘无限加载。Achenbach(见参考文献18)提出在弹性半空间上的反平面剪切无限线源的解决方法，这是进入较大结构的波导中SH*模式的简化2D解决方法。在这种情况下，在半空间中激励的反平面剪切波柱状地从源辐射至结构中。在所有其它加载条件下发生的表面波的激励在反平面剪切加载中不会发生。这是缺陷监测或厚度测量所需要的，因为它通过消除模式转化产生相对不复杂的信号。而且，Miller和Pursey描述的辐射模式对于其它源更复杂，且总是包含要求很多能量的表面波。与点源相比，用于压缩波导的带源也是有利的，因为它将源的波从球形散布化为柱状散布。而且，带越厚，转化成表面波的能量越少。
将波导连接到结构的方法是重要的。像焊接、铜焊或软焊以及在较大法向力下干接触夹持的这些方法是可以的。通过焊接或软焊的连接经常改变波导进入结构的几何结构。填充金属的角、残渣及闪光可能沿波导与结构接触的边缘产生。去除角或残渣是困难的，因为它们非常靠近结构和波导。细波导和结构之间厚度的巨大差异也使得难于将带焊接或软焊到结构上，而不破坏它。通过连接技术引入的几何结构的变化几乎总是波导厚度的量级和材料中波的波长(在给定频率)的量级。它们引起接合内信号的混响，并使返回到换能器的信号减弱。图12显示了焊接到6mm护板的波导的信号。入口反射(entry reflection)和底面回波是可确认的；但是，信号被大量噪声覆盖，这是由于在接合处的混响(reverberation)的原因。这可能会掩盖结构特征的较弱信号。最初认为，将波导焊接、铜焊、软焊或压焊到结构是连接波导的最好的解决方法。的确，它也是将大量信号传递到结构中的解决方法，而且在脉冲-回波模式中是好的选择(在相同的换能器上发送接收)。永久性连接方法的缺点是因在接合处的混响而引起的信号与大量噪音的污染。这些缺点难于消除，因此在信号“清晰”重要的情况下，优选使用夹具的方法。夹持方法以投捕模式(pitch catch mode)(在一个换能器上发送，在另一个换能器上接收)工作。信号经由一个波导射入到结构中，并被放置在发送波导旁边的波导接收。在发送带的“脉冲回波”模式中的信号几乎不改变夹持的或自由的波导。这是因为波导和子结构在它们被夹持和压在一起时没有很好的接触。大量的入口反射、振铃和存在的其它模式(比信号低30dB)完全掩盖了来自结构的低幅度信号。这个问题通过在投捕模式中工作并使用另一个波导作为已经传递到结构中的信号的拾波器来克服。结果见图6。投捕构型的优点是，仅接收已经传递到结构中的能量，且因此减少在波导和结构的接合处对传递幅度与反射幅度之比的依赖性。
图13和图14显示了板状结构和管的可能的夹持构型的略图。在板状结构的情况下，特征是，连接到使被夹持的波导能够被推到结构表面上的结构上。如果可能的话，可将螺栓焊接到基板上，而波导夹具可被拧到这些螺栓上。还有更多可能的变化形式。图14显示了完全可拆卸的解决方法，这里，被夹持的波导通过两个管夹具连接到管。具有仅接触到波导边缘的夹具是重要的，使得它不会影响波在带中心的传播。而且，靠近波导端部的夹具避免细波导被推到表面上时弯曲。
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Claims (52)

1.用于测试物的超声无损检测的设备，所述设备包括：
超声传递材料细长带，所述细长带具有用于连接到所述测试物的一近端和一远端；以及
超声换能器，其连接到所述细长带；其中
所述细长带具有给定宽高比大于一且与所述超声换能器匹配的横向截面宽度和厚度，使得所述超声换能器的激励导致基本上非频散的超声信号沿所述细长带传播到所述近端，并进入所述测试物。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述细长带由具有剪切速度CS和剪切波长λB的材料形成，其中λB＝CS/F，且F是对应λB的频率，而所述基本上非频散的超声信号由不同频率且具有从λ短延伸到λ长的剪切波长的组分形成。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述厚度小于2.5λ短。
4.如权利要求2所述的设备，其中所述厚度小于λ短。
5.如权利要求2至4中任一项所述的设备，其中所述宽度大于3.5λ长。
6.如权利要求2至4中任一项所述的设备，其中所述宽度大于5λ长。
7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述基本上非频散的超声信号包括垂直于传播方向并平行于所述宽度偏振的最低阶剪切模式振动。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述细长带由具有杆速度C杆和杆波长λ杆的材料形成，其中λ杆＝C杆/F，且F是对应λ杆的频率，而所述基本上非频散的超声信号由不同频率且具有从λ短延伸到λ长的杆波长的组分形成。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述厚度小于2.5λ 短。
10.如权利要求8所述的设备，其中所述厚度小于λ短。
11.如权利要求8至10中任一项所述的设备，其中所述宽度大于3.5λ长。
12.如权利要求8至10中任一项所述的设备，其中所述宽度大于5λ长。
13.如权利要求8至12中任一项所述的设备，其中所述基本上非频散的超声信号包括平行于传播方向偏振的最低阶压缩模式振动。
14.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述超声换能器基本上仅激励单一模式的传播导波。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述超声换能器基本上仅变迹激励所述单一模式的传播导波，以导出所述基本上非频散的超声信号。
16.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述基本上非频散的超声信号基本上从所述近端向所述测试物柱状地传播。
17.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述超声换能器连接到所述远端。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述超声换能器通过以下方式之一连接到所述远端：
(iv)结合连接；
(v)机械固定和超声传递耦合剂；以及
(vi)机械固定和可变力。
19.如权利要求1至18中任一项所述的设备，其中所述超声换能器包括连接到所述细长带的至少一个纵向侧面的换能器。
20.如权利要求1至18中任一项所述的设备，其中所述超声换能器包括可操作来提供电磁超声换能的线圈。
21.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述细长带围绕基本上平行于所述细长带的所述宽度并基本上垂直于传播方向的轴弯曲。
22.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述细长带围绕基本上平行于传播方向的轴弯曲。
23.如前述权利要求中任一项所述的设备，包括超声接收器，所述超声接收器可操作来接收来自所述测试物的反射超声，所述反射超声由进入所述测试物的所述基本上非频散的超声信号引起。
24.如权利要求23所述的设备，其中所述超声接收器包括一个或多个其它细长带，每个细长带在相应的位置连接到所述测试物，以接收所述反射超声，并具有接收超声换能器，以探测所述反射超声。
25.如权利要求23所述的设备，其中所述细长带及所述超声换能器也形成所述超声接收器。
26.如权利要求23至25中任一项所述的设备，其中所述反射超声包括至少一种反射信号，且所述超声接收器测量所述反射信号之间的时间差。
27.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述近端通过以下方式之一固定到所述测试物：
(i)焊接；
(ii)铜焊；
(iii)软焊；以及
(iv)压焊。
28.如权利要求1至26中任一项所述的设备，其中所述近端被夹持到所述测试物。
29.如权利要求28所述的设备，其中超声传递耦合剂设置在所述近端和所述测试物之间。
30.如权利要求28和29中任一项所述的设备，其中一夹具以可调节的力将所述细长带夹持到所述测试物。
31.如权利要求30所述的设备，其中所述夹具通过焊接到所述测试物的螺栓连接到所述测试物。
32.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述近端连接到所述测试物的表面，使得所述传播方向不垂直于所述表面，从而所述超声信号以不垂直角度进入所述测试物。
33.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述超声无损检测是厚度测量。
34.如权利要求1至32中任一项所述的设备，其中所述超声无损检测是裂纹监测。
35.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述测试物为：
(i)处于大于200℃的温度；以及
(ii)受到上述电离辐射的背景水平。
36.一种超声无损检测测试物的方法，所述方法包括：
将细长带的近端连接到测试物；
激励在所述细长带内的基本上非频散的超声信号，以沿所述细长带传播，并进入所述测试物。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述细长带由具有剪切速度CS和剪切波长λB的材料形成，其中λB＝CS/F，且F是对应λB的频率，而所述基本上非频散的超声脉冲由不同频率且具有从λ短延伸到λ长的剪切波长的组分形成。
38.如权利要求37所述的方法，其中所述细长带的横向截面厚度小于2.5λ短。
39.如权利要求37所述的方法，其中所述细长带的横向截面厚度小于λ短。
40.如权利要求37、38和39中任一项所述的方法，其中所述细长带横向截面宽度大于3.5λ长。
41.如权利要求37、38和39中任一项所述的方法，其中所述细长带横向截面宽度大于5λ长。
42.如权利要求36至41中任一项所述的方法，其中所述基本上非频散的超声信号包括垂直于传播方向并平行于所述细长带的宽度偏振的最低阶剪切模式振动。
43.如权利要求36所述的方法，其中所述细长带由具有杆速度C杆和杆波长λ杆的材料形成，其中λ杆＝C杆/F，且F是对应λ杆的频率，而所述基本上非频散的超声信号由不同频率且具有从λ短延伸到λ长的杆波长的组分形成。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述厚度小于2.5λ短。
45.如权利要求43所述的方法，其中所述厚度小于λ短。
46.如权利要求43、44和45中任一项所述的方法，其中所述宽度大于3.5λ长。
47.如权利要求43、44和45中任一项所述的方法，其中所述宽度大于5λ长。
48.如权利要求43至47中任一项所述的方法，其中所述基本上非频散的超声信号包括平行于传播方向偏振的最低阶压缩模式振动。
49.如权利要求36至48中任一项所述的方法，其中基本上仅单一模式的传播导波在所述细长波导中被激励。
50.如权利要求36至49中任一项所述的方法，其中所述超声无损检测是厚度测量。
51.如权利要求36至50中任一项所述的方法，其中所述超声无损检测是裂纹监测。
52.如权利要求36至50中任一项所述的方法，其中所述测试物为：
(i)处于大于200℃的温度；以及
(ii)受到上述电离辐射的背景水平。
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