超聲波在異質(zhì)界面的傳播.doc

超聲波在異質(zhì)界面的傳播特性與檢測方法（講稿）1. 課程引入：超聲檢測一般是指使超聲波與試件相互作用，對反射、透射和散射的波進行研究，進行試件的宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應(yīng)用性進行評價的技術(shù)。超聲波是超聲振動在介質(zhì)中的傳播，其實質(zhì)是以波動形式在彈性介質(zhì)中傳播的機械振動。我們把充滿超聲波的空間，或在介質(zhì)中超聲振動波及的質(zhì)點所占據(jù)的范圍稱為超聲場。聲壓、聲強、聲阻抗是描述超聲場特征的幾個重要物理量，也就是超聲場的特征量。超聲波在界面發(fā)生折射的能量分別用聲強反射率RI和聲強透射率TI表示。同時也用聲壓反射率R和聲壓透射率T來表示超聲波傳播特性。2. 超聲波垂直入射到單一平界面上：超聲波垂直入射界面時產(chǎn)生一個與入射方向相反的反射波，和一個與入射波同方向的透射波。而波型沒有改變。用角標、和分別表示入射、反射和折射。在垂直入射時介質(zhì)兩側(cè)聲波必須滿足兩個邊界條件：一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓： 兩側(cè)質(zhì)點速度振幅相等，保持連續(xù)性：式中 所以 其中R稱為聲壓反射率，T稱為聲壓透射率。Pr為反射聲壓振幅；Pt為透射聲壓振幅；Pi為入射聲壓振幅。Z1Z2時，入射和反射的質(zhì)點振動速度同相。而入射和反射聲壓反相，總聲壓相抵消而減小，故透射聲壓很小。如鋼/水界面。例：超聲波從鋼入射至水中求其聲壓反射率R和聲壓透射率TT1RZ1Z2時，聲壓（聲強）幾乎全反射，透射率趨于0。如鋼/空氣界面 Z2Z1 R1 T1R1(1)0 Z2Z1 例如鋼空氣界面，此時Z1(鋼)46106kg/m2s，Z2(空氣)0.0004106kg/m2s，則聲壓反射率為： Z2Z1 0.000446R1 Z2Z1 0.000446聲壓透射率為：T1R1(1)0結(jié)果表明，在這種情況下聲波全反射。Z1Z2時，反射率R0，T1，聲波不發(fā)生反射，全部透射。 Z2Z1 R0 T1rp101Z2Z1 例如普通碳鋼焊縫的母材金屬和焊縫金屬聲阻抗僅相差1，在焊縫探傷時，超聲波從母材金屬Z1射入焊縫金屬Z20.99Z1，其m0.99，則聲壓反射率為： 1m 10.99R 0.0051m 10.99聲壓透過率為： T1R10.0051結(jié)果表明，在這種情況下聲波全透射。3. 超聲波垂直入射到薄層界面：當超聲波從介質(zhì)1中垂直入射到介質(zhì)1和介質(zhì)2的界面上時，一部分聲能被反射，另一部分聲能透射到介質(zhì)2中；當透射的聲波到達介質(zhì)2和介質(zhì)3的界面時，再一次發(fā)生反射與透射，其反射波部分在介質(zhì)2中傳播至介質(zhì)2與介質(zhì)1的界面，則又會發(fā)生同樣的過程。如此不斷繼續(xù)，則在兩個界面的兩側(cè)，產(chǎn)生一系列的反射波與透射波。1 均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層與這種情況相對應(yīng)的是材料中存在的平面狀缺陷，如：裂紋、分層、夾雜等。設(shè)薄層厚度為d，介質(zhì)2中的波長為，并以m表示兩種介質(zhì)聲阻抗之比：當時，即均勻介質(zhì)中薄層厚度為薄層中半波長的整數(shù)倍時，超聲波幾乎全透射而無反射。當時，透射率最小而反射率最大。因此，當材料中存在均勻薄層狀缺陷，且缺陷厚度恰為半波長時，則可能因反射率低而造成漏檢。但實際缺陷往往不是完全平行的，且實際超聲波不是單一頻率的，因此，因缺陷厚度使其對超聲波的反射率為0的情況是極少出現(xiàn)的。當時，薄層厚度越小，透射率越大，反射率越小。當時，或時，這說明當薄層厚度非常小時，超聲波也是幾乎不反射而全部透射；另外，當兩種介質(zhì)聲阻抗很接近時，聲波也幾乎全部透射。2 薄層兩側(cè)介質(zhì)不同薄層與兩側(cè)介質(zhì)均不相同，與探頭晶片與試件間存在保護膜或耦合劑的情況相當。這時，薄層的聲強透射率以下式表達：由上式可知：當時，即超聲波垂直到兩側(cè)介質(zhì)不同的薄層時，若薄層的厚度為半波長的整數(shù)倍，則透過薄層的聲強透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)。當時，且時，則有，說明超聲波完全透射。這一結(jié)果，可用于直探頭保護膜材料的選擇及厚度的設(shè)計。當時，薄層越薄，聲壓透射率越大。當時，同樣有，即透射聲強與薄層性質(zhì)無關(guān)，而僅與薄層兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗相關(guān)。因此在超聲檢測時，若試件表面較為平整，則應(yīng)盡量少涂耦合劑，并施加一定的壓力，使耦合層厚度很薄，以保證信號幅度的穩(wěn)定性。4. 超聲波傾斜入射到平界面上：在兩種不同介質(zhì)之間的界面上，聲波傳輸?shù)膸缀涡再|(zhì)與其他波相同，斯涅耳定律是有效的。不同的是，當聲波以一定的傾斜角到達固體介質(zhì)的表面時，由于界面作用，將改變其傳輸模式（例如從縱波轉(zhuǎn)變?yōu)闄M波，反之亦然）。傳輸模式的變換還導致傳輸速度的變化，此時應(yīng)以新的聲波速度代入斯涅耳公式。1 斯涅耳定律：式中，為入射角；為折射角；為反射角；L為縱波；S為橫波；C為聲速；1、2代表介質(zhì)1、介質(zhì)2。當超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面上時，不僅會發(fā)生反射和折射，還會出現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。臨界角：（特指入射角） 第一臨界角當時，有。令，得第一臨界角：當時，在第二介質(zhì)中只存在折射橫波。 第二臨界角若（如有機玻璃和鋼組成的界面），則有。令，得：當時，在第二介質(zhì)中既無折射縱波，也無折射橫波，而是在介質(zhì)表面產(chǎn)生表面波。 第三臨界角當超聲橫波傾斜入射到界面時，在第一介質(zhì)中產(chǎn)生反射縱波和反射橫波。由于在同一介質(zhì)中，縱波速度恒大于橫波速度，所以恒大于。隨著增加，當時，介質(zhì)中將只存在反射橫波。令，則有：只有第一介質(zhì)為固體時，才會有第三臨界角。5. 超聲波檢測方法：一、按原理分類分為脈沖反射法、穿透法和共振法1）脈沖反射法超聲波探頭發(fā)射脈沖到被檢試件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試件缺陷的方法。脈沖反射法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法。缺陷回波法根據(jù)儀器示波屏上顯示的缺陷波形進行判斷的方法，成為缺陷回波法。該方法是反射法的基本方法。特點：當試件完好時，超聲波可順利傳播到底面，檢測圖形中只有表示發(fā)射脈沖T及底面回波B的兩個信號；如果試件中存在缺陷，在檢測圖形中，底面回波前有表示缺陷的回波F。底波高度法當試件的材質(zhì)和厚度不變時，底面回波高度應(yīng)是基本不變的。如果試件內(nèi)存在缺陷，底面回波高度會下降甚至消失，這種依據(jù)底面回波的高度變化判斷試件缺陷情況的檢測方法，稱為底波高度法。特點：同樣投影大小的缺陷可以得到同樣的指示，而且不出現(xiàn)盲區(qū)；但是要求被探試件的探測面與底面平行，耦合條件一致。在實用中很少作為一種獨立的檢測方法，而經(jīng)常作為一種輔助手段，配合缺陷回波法發(fā)現(xiàn)某些傾斜的和小而密集的缺陷。多次底波法當透入試件的超聲波能力較大，而試件厚度較小時，超聲波可在探測面與底面之間往復傳播多次，示波屏上出現(xiàn)多次底波。如果試件存在缺陷，則由于缺陷的反射以及散射而增加了聲能的損耗，底面回波次數(shù)減少，同時也打亂了各次底面回波高度依次衰減的規(guī)律，并顯示出缺陷回波。這種依據(jù)底面回波次數(shù)，而判斷試件有無缺陷的方法，稱為多次底波法。特點：多次底波法主要用于厚度不大、形狀簡單、探測面與底面平行的試件檢測，缺陷檢出的靈敏度低于缺陷回波法。2）穿透法根據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法。穿透法常用兩個探頭，一個用作發(fā)射，一個用作接收，分別放置在試件兩側(cè)進行探測。3）共振法若聲波在被檢工件內(nèi)傳播，當試件的厚度為超聲波的半波長的整數(shù)倍時，將引起共振，儀器顯示出共振頻率，用相鄰的兩個共振頻率之差來計算出試件厚度：式中：工件的固有頻率 、相鄰兩共振頻率 被檢試件的聲速 試件厚度當試件內(nèi)存在缺陷或工件厚度發(fā)生變化時，將改變試件的共振頻率。依據(jù)試件的共振特性，來判斷缺陷情況和工件厚度變化情況的方法稱為共振法，常用于試件測厚。二、按波型分類可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等縱波法使用直探頭發(fā)射縱波進行檢測的方法稱為縱波法。波束垂直入射至試件探測面，以不變的波型和方向透入試件，所以又稱為垂直入射法，簡稱垂直法。垂直法分為單晶探頭發(fā)射法、雙晶探頭發(fā)射法和穿透法。常用的是單晶探頭發(fā)射法。垂直法對與探測面平行的缺陷檢出效果最佳，由于盲區(qū)和分辨力的限制，其中反射法只能發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部離探測面一定距離以外的缺陷。由于垂直法檢測時，波型和傳播方向不變，所以缺陷定位比較方便。主要用于鑄造、鍛壓、軋材及其制品的檢測。橫波法將縱波通過楔塊、水等介質(zhì)傾斜入射至試件探測面，利用波型轉(zhuǎn)換得到橫波進行檢測的方法，稱為橫波法。由于透入試件的橫波波束與探測面成銳角，所以又稱為斜射法。主要用于管材、焊縫的檢測，其他試件檢測時，則作為一種有效的輔助手段，用以發(fā)現(xiàn)垂直檢測法不易發(fā)現(xiàn)的缺陷。表面波法使用表面波進行檢測的方法，稱為表面波法。表面波的波長短，僅沿表面?zhèn)鞑ィ瑢τ诒砻嫔系膹蛯?、油污、不光潔等，反?yīng)敏感，并被大量衰減。因此可通過手沾油在聲束傳播方向上進行觸摸并觀察缺陷回波高度的變化，對缺陷定位。主要用于表面光滑的試件。板波法使用板波進行檢測的方法，稱為板波法。主要用于薄板、薄壁管等形狀簡單的試件檢測。爬波法爬波是指表面下縱波，它是當?shù)谝粋€介質(zhì)中的縱波入射角位于第一臨界角附近時在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的表面下縱波。這時第二介質(zhì)中除了表面下縱波外，還存在折射橫波。這種表面下縱波不是純粹的縱波，還存在有垂直方向的位移分量。主要用于檢測表面比較粗糙的工件的表層缺陷，如鑄鋼件、有堆焊層的工件等。三、按探頭數(shù)目分類1）單探頭法使用一個探頭兼作發(fā)射和接收超聲波的檢測方法。單探頭法操作方便，大多數(shù)缺陷可以檢出，是目前最常用的一種方法。2）雙探頭法使用兩個探頭（一個發(fā)射，一個接收）進行檢測的方法稱為雙探頭法。主要用于發(fā)現(xiàn)單探頭法難以檢出的缺陷。雙探頭法又可根據(jù)兩個探頭排列方式和工作方式分為并列式、交叉式、V形串列式、K形串列式、串列式等。并列式兩個探頭并列放置，檢測時兩者作同步同向移動。（直探頭作并列放置時，通常是一個探頭固定，另一個探頭移動，以便發(fā)現(xiàn)與探測面傾斜的缺陷）。分割式探頭的原理，就是將兩個并列的探頭組合在一起，具有較高的分辨力和信噪比，適用于薄試件、近表面缺陷的檢測。交叉式兩個探頭軸線交叉，交叉點為要探測的部位?？捎脕戆l(fā)現(xiàn)與探測面垂直的片狀缺陷，在焊縫檢測中，常用來發(fā)現(xiàn)橫向缺陷。V形串列式兩探頭相對放置在同一表面上，一個探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射，反射的回波剛好落在另一個探頭的入射點上。主要用來發(fā)現(xiàn)與探測面平行的片狀缺陷。K形串列式兩探頭以相同的方向分別放置于試件的上下表面上。一個探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射，反射的回波進入另一個探頭。主要用來發(fā)現(xiàn)與探測面垂直的片狀缺陷。串列式兩探頭一前一后，以相同方向放置在同一表面上，一個探頭發(fā)射的聲波被缺陷反射的回波，經(jīng)底面反射進入另一個探頭。主要用來發(fā)現(xiàn)與探測面垂直的片狀缺陷。3）多探頭法使用兩個以上的探頭成對地組合在一起進行檢測的方法，稱為多探頭法。多探頭法的應(yīng)用，主要是通過增加聲束來提高檢測速度或發(fā)現(xiàn)各種取向的缺陷，通常與多通道儀器和自動掃描裝置配合。四、按探頭接觸方式分類按檢測時探頭與試件的接觸方式，可分為接觸法與液浸法。1）直接接觸法探頭與試件探測面之間，涂有很薄的耦合劑層，可認為兩者直接接觸，這種檢測方法稱為直接接觸法。特點：操作簡單，檢測圖形簡單，判斷容易，檢出缺陷靈敏度高。但要求試件的檢測面粗糙度較低。2）液浸法將探頭和工件浸于液體中以液體作耦合劑進行檢測的方法，稱為液浸法。耦合劑可為水或油，以水為耦合劑時，稱為水浸法。特點：液浸法檢測時探頭不直接接觸試件，所以此法可用于表面粗糙的試件，探頭不易磨損，耦合穩(wěn)定，探測結(jié)果重復性好，便于實現(xiàn)自動化。液浸法按檢測方式不同又分為全浸式和局部浸沒式全浸沒式被檢試件全部浸沒于液體之中，適用于體積不大，形狀復雜的試件的檢測。局部浸沒式被檢試件的一部分浸沒在水中或被檢試件與探頭之間保持一定的水層而進行檢測的方法，適用于大體積試件的檢測。局部浸沒法又分為噴液式、通水式和滿溢式。噴液式：超聲波通過一定壓力噴射至探測表面的液流進入試件。通水式：借助一個專用的有進水、出水口的液罩，以使罩內(nèi)經(jīng)常保持一定容量的液體。滿溢式：滿溢罩結(jié)構(gòu)與通水式相似，但只有進水口，多余液體在罩的上部溢出。根據(jù)探頭與試件探測面之間液層的厚度，液浸法又可分為高液層法和低液層法。6. 儀器與探頭的選擇：實際檢測中應(yīng)根據(jù)工件結(jié)構(gòu)形狀、加工工藝和技術(shù)要求來選擇儀器與探頭。正確選擇儀器探頭對于有效地發(fā)現(xiàn)缺陷，并對缺陷定位、定量和定性都至關(guān)重要。一、檢測儀的選擇（1）對于定位要求高的情況，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器。（2）對于定量要求高的情況，應(yīng)選擇垂直線性好，衰減器精度高的儀器。（3）對于大型零件的檢測，應(yīng)選擇靈敏度余量高、信噪比高、功率大的儀器。（4）為了有效地發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應(yīng)選擇盲區(qū)小、分辨力好的儀器。（5）對于室外現(xiàn)場檢測，應(yīng)選擇質(zhì)量輕、熒光屏亮度好、抗干擾能力強的攜帶式儀器。此外要求選擇性能穩(wěn)定、重復性好和可靠性好的儀器。二、探頭的選擇檢測前應(yīng)根據(jù)被檢對象的形狀、衰減和技術(shù)要求來選擇探頭。探頭的選擇包括探頭型式、頻率、晶片尺寸和斜探頭K值的選擇等。1）探頭類型的選擇常用的探頭有縱波直探頭、橫波斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、聚焦探頭等。一般根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件來選擇探頭的型式，使聲束軸線盡量與缺陷垂直?？v波直探頭只能發(fā)射和接收縱波，波束軸線垂直于探測面，主要用于探測與探測面平行的缺陷，如鍛件、鋼板中的夾層、折疊等缺陷。橫波斜探頭是通過波型轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)橫波檢測的。主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷。如焊縫中的未焊透、夾渣、未溶合等缺陷。表面波探頭用于探測工件表面缺陷，雙晶探頭用于探測工件近表面缺陷。聚焦探頭用于水浸探測管材或板材。2）探頭頻率的選擇超聲波檢測頻率在0.5MHz10MHz之間，選擇范圍較大。（1）由于波的繞射，使超聲波檢測靈敏度約為，因此提高頻率，有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺陷。（2）頻率高，脈沖寬度小，分辨力高，有利于區(qū)分相鄰缺陷。（3）由可知，頻率高，波長短，則半擴散角小，聲束指向性好，能量集中，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷并對缺陷定位。（4）由可知，頻率高，波長短，近場區(qū)長度大，對檢測不利。（5）由可知，頻率增加，衰減急劇增加。頻率的高低對檢測有較大的影響。