超聲波檢測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)

1、第一章 超聲波檢測(cè)超聲波檢測(cè)定義：使超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。超聲檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)：（1）適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種制件的無(wú)損檢測(cè)；（2）穿透能力強(qiáng)，可對(duì)較大厚度范圍內(nèi)的試件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。如對(duì)金屬材料，可檢測(cè)厚度為12mm的薄壁管材和板材，也可檢測(cè)幾米長(zhǎng)的鋼鍛件；（3）缺陷定位較準(zhǔn)確；（4）對(duì)面積型缺陷的檢出率較高；（5）靈敏度高，可檢測(cè)試件內(nèi)部尺寸很小的缺陷；（6）檢測(cè)成本低、速度快，設(shè)備輕便，對(duì)人體及環(huán)境無(wú)害，現(xiàn)場(chǎng)使用較方便。 超聲檢測(cè)的局限性 ：

2、（1）對(duì)試件中的缺陷進(jìn)行精確的定性、定量仍須作深入研究；(2)對(duì)具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外形的試件進(jìn)行超聲檢測(cè)有困難；(3)缺陷的位置、取向和形狀對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定影響；(4)材質(zhì)、晶粒度等對(duì)檢測(cè)有較大影響；(5)以常用的手工A型脈沖反射法檢測(cè)時(shí)結(jié)果顯示不直觀，且檢測(cè)結(jié)果無(wú)直接見(jiàn)證記錄。 超聲波檢測(cè)的適用范圍 ：從檢測(cè)對(duì)象的材料來(lái)說(shuō)，可用于金屬、非金屬和復(fù)合材料；從檢測(cè)對(duì)象的制造工藝來(lái)說(shuō)，可用于鍛件、鑄件、焊接件、膠結(jié)件等；從檢測(cè)對(duì)象的形狀來(lái)說(shuō)，可用于板材、棒材、管材等；從檢測(cè)對(duì)象的尺寸來(lái)說(shuō)，厚度可小至1mm，也可大至幾米；從缺陷部位來(lái)說(shuō)，既可以是表面缺陷，也可以是內(nèi)部缺陷。 1.1超聲波檢測(cè)的基礎(chǔ)

3、知識(shí)1.1.1 超聲波聲波：頻率在2020KHz之間；次聲波：頻率低于20Hz；不容易衰減,不易被水和空氣吸收.而次聲波的波長(zhǎng)往往很長(zhǎng),因此能繞開(kāi)某些大型障礙物發(fā)生衍射.某些次聲波能繞地球2至3周.某些頻率的次聲波由于和人體器官的振動(dòng)頻率相近,容易和人體器官產(chǎn)生共振,對(duì)人體有很強(qiáng)的傷害性,危險(xiǎn)時(shí)可致人死亡超聲波：頻率大于20KHz。方向性好,穿透能力強(qiáng),易于獲得較集中的聲能,在水中傳播距離遠(yuǎn),可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。超聲波被應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)，主要是因?yàn)橛幸韵绿匦裕海?）超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到界面會(huì)發(fā)生反射；（2）超聲波指向性好，頻率越高；指向性越好；（3）超聲波傳播能

4、量大，對(duì)各種材料穿透力強(qiáng)。1.1.2 超聲場(chǎng)及介質(zhì)的聲參量1) 描述超聲場(chǎng)的物理量（1）聲壓超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)，與沒(méi)有超聲場(chǎng)存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差，稱(chēng)為該點(diǎn)的聲壓。單位為Pa。 (1.1)（2）聲強(qiáng)在超聲波傳播的方向上，單位時(shí)間內(nèi)介質(zhì)中單位截面積上的聲能叫做聲強(qiáng)。常用表示，單位為。 (1.2)（3）分貝引起聽(tīng)覺(jué)的最弱聲強(qiáng)稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)（）。將某一聲強(qiáng)與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)取常用對(duì)數(shù)得到二者相差的數(shù)量級(jí)，稱(chēng)為聲強(qiáng)級(jí)，用IL表示： (1.3)聲強(qiáng)級(jí)的單位為貝爾，實(shí)際應(yīng)用中，貝爾單位太大，常用分貝來(lái)表示聲強(qiáng)級(jí)的單位dB，其為貝爾的十分之一。2）介質(zhì)的聲參量聲波在介質(zhì)中的傳播是由其聲學(xué)參量（包

5、括聲速、聲阻抗、聲衰減等）決定的，因而深入研究介質(zhì)的聲參量具有重要意義。（1）聲阻抗超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，任何一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)速度振幅V之比稱(chēng)為聲阻抗，常用Z表示，單位為 (1.4)聲阻抗表示聲場(chǎng)中介質(zhì)對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。在同一聲壓下，介質(zhì)的聲阻抗越大，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度越小。介質(zhì)不同，聲阻抗不同。同一種介質(zhì)，如果波形不同，聲阻抗也不同。當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)傳入另一種介質(zhì)時(shí)，或者從介質(zhì)的界面反射時(shí)，主要取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗。氣體、液體、固體的聲阻抗差別很大，實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其聲阻抗之比接近于1：3000：8000。（2）聲速聲波在介質(zhì)中傳播的速度稱(chēng)為聲速。在同一種介質(zhì)中，波形不同，其傳播速度也各不相

6、同。超聲波的聲速還取決于介質(zhì)的特性（如密度、彈性模量）。聲波分為相速度和群速度。相速度：是聲波傳播到介質(zhì)的某一選定的相位點(diǎn)時(shí)，在傳播方向上的聲速。群速度：是指?jìng)鞑ヂ曀俚陌j(luò)上，具有某種特性的點(diǎn)上，聲波在傳播方向上的速度。群速度是波群的能量傳播速度，在非頻散介質(zhì)中，群速度等于相速度。 (1.5)1.1.3 超聲波的傳播1）超聲波的分類(lèi)根據(jù)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和聲波的傳播方向，超聲波的波形可分為以下幾種：（1）縱波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和傳播方向一致的波形稱(chēng)為縱波。如圖1-1所示。它能在固體、液體、氣體中傳播，在探傷中用于縱波探傷法。圖1-1 縱波（2）橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波稱(chēng)為橫波。如圖1-

7、2所示。它只能在固體中傳播，用于橫波探傷法。圖1-2橫波（3）表面波（瑞利波）質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著固體表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波稱(chēng)為表面波。如圖1-3所示。表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡為橢圓。質(zhì)點(diǎn)位移的長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。它用于表面波探傷法。圖1-3 表面波（4）蘭姆波（板波）蘭姆波只產(chǎn)生在有一定厚度的薄板內(nèi)，在板的兩表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場(chǎng)遍布整個(gè)板的厚度，沿著板的兩表面及中部傳播，所以又稱(chēng)為板波。如果兩表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的相位相反，中部質(zhì)點(diǎn)以縱波的形式振動(dòng)則稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)性蘭姆波。如果兩表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的相位相同，中部質(zhì)點(diǎn)以橫波的形式振動(dòng)，則稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)性蘭姆波。如

8、圖1-4所示。蘭姆波可檢測(cè)板厚及分層、裂紋等缺陷。還可以檢測(cè)材料的晶粒度和復(fù)合材料的粘合質(zhì)量。圖1-4 蘭姆波超聲波在介質(zhì)中以一定的速度傳播。縱波、橫波、表面波的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)和介質(zhì)密度。蘭姆波的傳播速度除與介質(zhì)的彈性常數(shù)有關(guān)外，還與介質(zhì)的厚度和蘭姆波的頻率有關(guān)。 在無(wú)限大的固體介質(zhì)中，各種波的傳播速度為：縱波： （1.6）橫波： （1.7）表面波： (1.8)通常認(rèn)為，橫波聲速是縱波的一半，表面波聲速約為橫波的90%。蘭姆波的聲速對(duì)于每一介質(zhì)而言，取決于薄板厚度(或缺陷深度)和頻率的乘積。由于速度和頻率有關(guān)，又有群速度和相速度之分。脈沖波是以群速度來(lái)傳播的,連續(xù)波是以相速度來(lái)

9、傳播的。相速度是以聲波或電磁波)沿行進(jìn)路線變更相位的速度。群速度是聲能(或電磁能)變更的速度。·因?yàn)槊}沖波不可能只包括一個(gè)頻率，而是包括一群不同頻率不同幅度的正弦波之和。它的傳播速度是群速度。當(dāng)傳播速度與頻率無(wú)關(guān)時(shí)，群速度等于相速度。2）平面波、柱面波、球面波圖1-5 平面波、柱面波、球面波3）連續(xù)波與脈沖波 連續(xù)波是介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間為無(wú)窮時(shí)的波。脈沖波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)間很短的波，超聲檢測(cè)中最常用的是脈沖波。對(duì)脈沖波進(jìn)行頻譜分析，可知它并非單一頻率，而是包括多種頻率成分。其中人們關(guān)心的頻譜特征量主要有峰值頻率、頻帶寬度和中心頻率。 圖1-6 連續(xù)波圖1-7 脈沖波1.1.4 超聲波在

10、介質(zhì)中的傳播特性1.1.4.1超聲波垂直入射到平界面上的反射和透射超聲波在無(wú)限大介質(zhì)中傳播時(shí)，將一直向前傳播，并不改變方向。但遇到異質(zhì)界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。既有一部分超聲波在界面上被反射回來(lái)，另一部分透過(guò)介質(zhì)交界面進(jìn)入第二介質(zhì)。1）單一界面當(dāng)超聲波垂直入射到足夠大的光滑平界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波。在第二介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)該與入射波方向相同的透射波。反射波和透射波的聲壓按一定比例分配。這個(gè)分配比例由聲壓反射率（聲強(qiáng)反射率）和聲壓透射率（聲強(qiáng)透射率）來(lái)表示。圖1-8 單一界面反射和透射聲壓反射率：界面上反射波的聲壓與入射波的聲壓之比稱(chēng)為聲壓反射率。 (1.9)聲壓透

11、射率：界面上透射波聲壓與入射波的聲壓之比。 (1.10)聲強(qiáng)反射率R：界面上反射波的聲強(qiáng)與入射波的聲強(qiáng)之比 (1.11)聲強(qiáng)透射率T：界面上透射聲強(qiáng)與入射波的聲強(qiáng)之比。 (1.12)從以上可以看出：聲壓和聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。但需要指出的是在垂直入射時(shí)，介質(zhì)兩側(cè)的聲波必須滿足兩個(gè)邊界條件：一是一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總聲壓。二是兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性。上述計(jì)算公式同樣適合于橫波入射情況，但必須注意：在固液、固氣界面上，橫波將發(fā)生全反射，這是因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。2）薄層界面超聲波由聲阻抗為的第一介質(zhì)，入射到和的交界面，然后通過(guò)聲阻抗為的第二介質(zhì)薄層射

12、到和界面。最后進(jìn)入聲阻抗為的介質(zhì)。圖1-9 薄層界面超聲波通過(guò)一定厚度的異質(zhì)薄層時(shí)，反射和透射情況與單一的平界面不同，異質(zhì)薄層很薄，進(jìn)入薄層內(nèi)的超聲波會(huì)在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射和透射波。當(dāng)超聲波脈沖寬度相對(duì)于薄層較窄時(shí)，薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波就會(huì)相互干涉。由于上述原因，聲壓反射率和透射率的計(jì)算比較復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，超聲波通過(guò)異質(zhì)薄層時(shí)的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)阻抗和薄層聲阻抗有關(guān)，而且與薄層厚度與其波長(zhǎng)之比（）有關(guān)。(1)當(dāng)?shù)谝弧⒌谌橘|(zhì)為同一介質(zhì)時(shí)： (1.13) (1.14)式中，異質(zhì)薄層的厚度；異質(zhì)薄層的波長(zhǎng)；兩種介質(zhì)的聲阻抗之比；。分析式(1.13)和

13、(1.14)，當(dāng)（n為正整數(shù)）時(shí)，；當(dāng)（n為正整數(shù)）時(shí)，最高；當(dāng)時(shí)，即時(shí)，則薄層厚度越小，透射率越大，反射率越小。(2)當(dāng)時(shí)，即非均勻介質(zhì)中的薄層其聲壓往復(fù)透射率為： (1.15)當(dāng)當(dāng)（n為正整數(shù)）時(shí)： (1.16)即超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層時(shí)，若薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，通過(guò)薄層的聲壓往復(fù)透射率與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān)。當(dāng)（n為正整數(shù)）時(shí)，且時(shí)，則有： (1.17)此為全透射情況。當(dāng)時(shí)，則薄層厚度越小，聲壓往復(fù)透射率越大。1.1.4.2 超聲波傾斜入射到平界面上的反射和折射在兩種不同介質(zhì)之間的界面上，聲波傳輸?shù)膸缀涡再|(zhì)與其它任何一種波的傳輸性質(zhì)相同，即斯涅耳定律有效。不過(guò)由于聲波

14、和電磁波的反射和折射現(xiàn)象之間有所差異。當(dāng)聲波沿傾斜角到達(dá)固體介質(zhì)的表面時(shí)，由于介質(zhì)的界面作用，將改變其傳輸模式（例如從縱波轉(zhuǎn)變成橫波）。傳輸模式的變換還導(dǎo)致傳輸速度的變化，此時(shí)應(yīng)以新的聲波速度帶入斯涅耳公式。1）斯涅耳定律 (1.18)式中：為入射角，為折射角，為反射角，為橫波，為縱波。圖1-10 傾斜入射情況當(dāng)入射超聲波在界面上發(fā)生反射和透射時(shí)，由于入射角的變化，使得在界面上兩側(cè)的第一介質(zhì)、第二介質(zhì)及界面上產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換的情況將會(huì)發(fā)生變化，在第二種介質(zhì)中的透射波的波型取決于入射角大小，而這些引起波型變化的入射角臨界值分別稱(chēng)為第一臨界角、第二臨界角和第三臨界角。2）臨界角第一臨界角：當(dāng)時(shí)，必然有

15、。令橫波透射角等于90°時(shí)的縱波入射角為第一臨界角。當(dāng)，第二介質(zhì)中不再有折射縱波，只有折射橫波。第二臨界角：如果，則有，令°C。得到。當(dāng)，第二介質(zhì)中既沒(méi)有折射縱波，也沒(méi)有折射橫波，這時(shí)會(huì)在介質(zhì)表面產(chǎn)生表面波。第三臨界角：當(dāng)超聲波橫波傾斜入射到界面時(shí)，在第一介質(zhì)中產(chǎn)生反射縱波和反射橫波。由于同一介質(zhì)中，恒大于，所以恒大于，隨著增加，當(dāng)=90°C時(shí)，介質(zhì)中只存在反射橫波。令°C，則有：圖1-11 臨界角3）聲壓反射率和透射率在斜入射情況下，各種類(lèi)型的反射波和透射波的聲壓反射率和透射率，不僅與界面兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗有關(guān)，而且還與入射波的類(lèi)型以及入射角的大小有關(guān)。由

16、于其理論計(jì)算公式復(fù)雜，通常借助于實(shí)驗(yàn)得到的幾種常見(jiàn)界面的聲壓反射率和透射率圖來(lái)確定檢測(cè)方案。1.1.5 超聲場(chǎng)的特征1）超聲場(chǎng)的指向性和擴(kuò)散角超聲波從聲源（晶片輻射器）集中成束向前傳播，往往集中在與晶片軸線成半擴(kuò)散角的椎體范圍內(nèi)強(qiáng)烈輻射出去，稱(chēng)為超聲場(chǎng)的指向性。圖1-12 指向性和擴(kuò)散角當(dāng)晶片直徑為D，超聲波波長(zhǎng)為時(shí)，存在：越小，指向性越好。圖1-13 聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)2）指向性與聲源直徑D和波長(zhǎng)的關(guān)系有上式可以看出，當(dāng)一定時(shí)（頻率一定），半擴(kuò)散角與晶片直徑成反比，直徑大，半擴(kuò)散角小，則指向性好；當(dāng)直徑D一定時(shí)，越?。l率越高），半擴(kuò)散角越小，指向性越好。3）近場(chǎng)區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)和聲壓公式超聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)一般由主

17、聲束和副聲束構(gòu)成，主聲束的截面大，能量集中，很好的指向性好，副聲束的截面小，能量弱，方向易變圖1-14圓盤(pán)源的超聲場(chǎng)軸線上的聲壓分布近場(chǎng)：出現(xiàn)極大值與極小值這段聲程稱(chēng)為超聲波束的近場(chǎng)。近場(chǎng)長(zhǎng)度：距探頭最遠(yuǎn)的聲壓極大值點(diǎn)至探頭表面的距離。對(duì)圓直探頭縱波，其可以表示為：遠(yuǎn)場(chǎng)：近場(chǎng)以外的部分。探傷時(shí)，一般利用遠(yuǎn)場(chǎng)中的聲學(xué)特性來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷。聲壓公式： （1.19）1.2 超聲波換能器超聲波換能器通常稱(chēng)為探頭，主要由壓電晶片組成，可發(fā)射和接受超聲波。探頭是超聲波探傷儀的重要組成部分，既可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與聲訊號(hào)相互轉(zhuǎn)換，又能夠控制超聲波的傳播方向和能量集中的程度，當(dāng)改變探頭入射角或改變超聲波的擴(kuò)散角時(shí)，可使聲

18、波的主要能量按不同的角度射入介質(zhì)內(nèi)部或改變聲波的指向性，提高分辨率。探頭因其結(jié)構(gòu)和使用的波型不同可分為直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、可變角探頭、聚焦探頭、水浸探頭等等。1）直探頭直探頭可發(fā)射和接收縱波。直探頭由插座、外殼、保護(hù)膜、壓電晶片、吸聲材料等組成。超聲波的發(fā)射/接收均由壓電晶片完成，其多為圓片形，其厚度與超聲頻率成反比，直徑與擴(kuò)散角成反比；晶片兩面敷有銀層，作為導(dǎo)電極板。保護(hù)膜多采用高硬度剛玉片，耐磨損；吸收快用鎢粉、環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑等澆注，可吸收聲能。2）斜探頭可反射和接收橫波。主要由壓電晶片、吸收塊和斜楔塊組成。晶片產(chǎn)生縱波，經(jīng)斜楔傾斜入射到被檢工件中轉(zhuǎn)換為橫波。直探頭在液體中傾斜入射工件時(shí)，在一定的角度下，也能產(chǎn)生橫波。在水浸法橫波探傷中，常用此方法產(chǎn)生橫波。3）表面波探頭可