二級(jí)超聲波檢測(cè)培訓(xùn)課件教材

1、超聲波檢測(cè)概述 超聲波檢測(cè)是應(yīng)用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)方法之一。超聲波檢測(cè)是利用進(jìn)入被檢材料的超聲波對(duì)材料表面或內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。利用超聲波進(jìn)行材料厚度的測(cè)量也是常規(guī)超聲波檢測(cè)的一個(gè)重要方面。此外，作為超聲波檢測(cè)技術(shù)的特殊應(yīng)用，超聲波還可用于材料內(nèi)部組織和特性的表征以及應(yīng)力的測(cè)量；超聲波還可以用來(lái)測(cè)量介質(zhì)流量，流速等。 1、超聲波檢測(cè)定義和作用 一般指超聲波與工件作用，就反射、透射和衍射的波進(jìn)行研究，對(duì)工件進(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)用進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。 工業(yè)檢測(cè)中，超聲檢測(cè)通常指宏觀缺陷檢測(cè)和材料厚度測(cè)量。 作用： 通過(guò)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)工件或設(shè)備中

2、存在的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進(jìn)工藝、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、消除安全隱患。 四大常規(guī)檢測(cè)技術(shù) 新興無(wú)損檢測(cè)技術(shù) RT 射線檢測(cè) ET 渦流檢測(cè) UT 超聲波檢測(cè) AE 聲發(fā)射檢測(cè) MT 磁粉檢測(cè) TOFD 衍射超聲檢測(cè) PT 滲透檢測(cè) 超聲波相控陣檢測(cè) UGW超聲導(dǎo)波檢測(cè) EMAT電磁超聲檢測(cè) 紅外熱像2、超聲波檢測(cè)發(fā)展簡(jiǎn)史 利用超聲波來(lái)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)始于20世紀(jì)30年代。1929年，前蘇聯(lián)人首先提出了用超聲波檢測(cè)金屬物體內(nèi)部缺陷的建議。并于第二次世界大戰(zhàn)后研制成第一種穿透式檢測(cè)儀器對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)。 這種方法檢測(cè)靈敏度低，應(yīng)用范圍小，所以，不久這種儀器就被淘汰了。 20世紀(jì)40年代，

3、美國(guó)的Firestone首次介紹了脈沖回波式超聲檢測(cè)儀，利用該技術(shù)，超聲波可從物體的一面發(fā)射并接收，且能夠檢測(cè)小缺陷，較準(zhǔn)確的確定其位置及深度，評(píng)定其尺寸。隨后，由美國(guó)和英國(guó)開(kāi)發(fā)出了A型脈沖回波式超聲檢測(cè)儀，并逐步用于鍛鋼和厚鋼板的檢測(cè)。 20世紀(jì)60年代，超聲檢測(cè)儀在靈敏度、分辨率和放大器線性等主要性能上取得了突破性進(jìn)展，焊縫檢測(cè)問(wèn)題得到了很好的解決。脈沖回波技術(shù)至今仍是通用性最好、使用最廣泛的一種超聲檢測(cè)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，超聲檢測(cè)發(fā)展為一個(gè)有效而可靠的無(wú)損檢測(cè)手段，并得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)用。 隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)檢測(cè)效率和檢測(cè)可靠性要求的不斷提高，人們要求超聲檢測(cè)更加快速，缺陷的顯示更加直觀，對(duì)缺

4、陷的描述更加準(zhǔn)確。因此，原有的以A型顯示手工操作為主的檢測(cè)方式不再能夠滿足要求。 20世紀(jì)70年代，英國(guó)人M.G.Silk提出衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（TOFD）。 TOFD是一種利用超聲波衍射現(xiàn)象、利用缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)檢測(cè)或測(cè)定缺陷尺寸的超聲檢測(cè)技術(shù)，近幾年來(lái)在歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始廣泛應(yīng)用。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，超聲波檢測(cè)設(shè)備得到快速發(fā)展，對(duì)于規(guī)則的板、棒類等大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，配備了自動(dòng)報(bào)警、記錄等裝置，發(fā)展了B型顯示和C型顯示。與此同時(shí)，對(duì)缺陷的定性定量評(píng)價(jià)的研究得到了較大的進(jìn)展，利用超聲波技術(shù)進(jìn)行材料特性評(píng)價(jià)也成為了重要的研究方向。 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)

5、展，超聲檢測(cè)設(shè)備不斷向小型化、智能化方向改進(jìn)，并于20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了數(shù)字式超聲儀器。目前，數(shù)字式儀器已日益成熟，正逐漸取代模擬式儀器成為主流產(chǎn)品。檢測(cè)技術(shù)也得到飛速發(fā)展，如超生三維成像，導(dǎo)波技術(shù)，電磁超生技術(shù)等。我國(guó)超聲檢測(cè)的發(fā)展歷史 19501982年 起步 儀器：汕頭生產(chǎn)8A、8B、8C 1982年1990 發(fā)展 儀器：汕頭生產(chǎn)CTS-22、CTS-23、CTS-26、CTS-33、CTS-36 1990至今 數(shù)字超聲時(shí)代 代表：武漢中科（1988）HS-系列 南通友聯(lián) PXUT-系列 汕頭超聲CTS-系列 北京七星 2、超聲波檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí) 2.1次聲波、聲波、超聲波 次聲波、聲波

6、、超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，同一波型在同一介質(zhì)中傳播的速度相同，它們的區(qū)別在于頻率不同。 次聲波：f 20Hz 聲波：能引起人們聽(tīng)覺(jué)的機(jī)械波 20Hz f 20kHz 超聲波和次聲波，人是聽(tīng)不到的。 超聲檢測(cè)所用的頻率一般在0.510MHz之間，對(duì)鋼等金屬材料的檢驗(yàn)，常用的頻率為15MHz。如2.5M、5M 2.2 工業(yè)用超聲波的特點(diǎn) 1）方向性好 超聲波是頻率很高、波長(zhǎng)很短的機(jī)械波，在超聲波檢測(cè)中使用的波長(zhǎng)為毫米數(shù)量級(jí)。像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射，從而在被檢工件中發(fā)現(xiàn)缺陷。 2）能量高 超聲波的能力（聲強(qiáng)）與頻率的平方成正比。 3）能在界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形

7、轉(zhuǎn)換 超聲波具有幾何聲學(xué)的特點(diǎn)，在介質(zhì)中直線傳播，遇到界面產(chǎn)生反射、折射、衍射和波形轉(zhuǎn)換。 4）穿透能力強(qiáng) 超聲波在大多數(shù)介質(zhì)中傳播時(shí)，能量損失小，傳播距離大，穿透能力強(qiáng)，在一些金屬材料中穿透能力可達(dá)數(shù)米，這是其它檢測(cè)方法無(wú)法比擬的。 2.3、超聲波檢測(cè)原理 超聲波檢測(cè)主要是基于超聲波在工件中的傳播特性，如在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，聲波通過(guò)材料時(shí)能量會(huì)損失等，以脈沖反射法為例，其原理如下： 1）超聲波探傷儀（聲源）產(chǎn)生高頻電磁振蕩信號(hào)（脈沖波）； 2）高頻電磁振蕩信號(hào)加到超聲波探頭上，產(chǎn)生超聲波； 3）采用一定的方式，如耦合，使超聲波進(jìn)入工件； 4）超聲波在工件中傳播，遇到

8、聲阻抗有差異的界面或缺陷時(shí)部分聲波被反射，反射回來(lái)的超聲波被超聲波探頭接收； 5）超聲波探頭把接收到的聲波信號(hào)再轉(zhuǎn)換成脈沖電信號(hào)傳給超聲波探傷儀； 6）超聲波探傷儀把接收到的脈沖電信號(hào)，進(jìn)行檢波、放大、衰減等一系列的信號(hào)處理，以一定的方式顯示出來(lái)； 7）通過(guò)分析回波信號(hào)的幅度和位置等信息，從而得到被檢工件中有無(wú)缺陷、缺陷的位置、大小等信息。 所以，超聲波檢測(cè)既可以定性，又可以定量。 T F B被檢工件被檢工件超聲波探傷儀超聲波探傷儀探頭探頭 通常用來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷和分析的基本信息： 1）是否存在缺陷的回波信號(hào)及其幅度； 2）缺陷回波信號(hào)的位置或傳播時(shí)間； 3）超聲波通過(guò)材料以后能量的衰減。2.4 超

9、聲波檢測(cè)方法分類（按原理分類） 1）脈沖反射法 根據(jù)反射波的情況來(lái)檢測(cè)工件缺陷的方法。波形顯示，不直觀。 2）衍射時(shí)差法（TOFD） 利用缺陷部位衍射信號(hào)來(lái)檢測(cè)和測(cè)定缺陷尺寸的一種超聲波檢測(cè)方法。圖象顯示。 3）穿透法 采用一收一發(fā)雙探頭分別放置在工件相對(duì)的兩端面，依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透工件之后的能量變化來(lái)檢測(cè)缺陷的方法。 4）共振法 利用共振特性檢測(cè)工件厚度變化情況，常用于工件測(cè)厚。（按波形分類）縱波、橫波、表面波、板波、爬波等（按檢測(cè)接觸方式分類）1.直接法、2.液浸法、3.電磁耦合法 2.5 超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)和局限性 與其它無(wú)損檢測(cè)方法相比的優(yōu)點(diǎn)： 1）適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種

10、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)的工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)； 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)工件內(nèi)部很小的缺陷； 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)使用方便等 缺點(diǎn)：1）對(duì)缺陷的定性、定量仍需要作進(jìn)一步研究，定性及定量仍然存在困難；2）對(duì)具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外型的工件進(jìn)行超聲波檢測(cè)有困難；3）缺陷的取向、位置和形狀對(duì)檢測(cè)結(jié)果有影響；4）工件材質(zhì)、晶粒度對(duì)檢測(cè)有較大影響，影響超聲波的衰減；5）A型脈沖反射法檢測(cè)結(jié)果是波形顯示，不直觀，模擬超聲波探傷儀對(duì)檢測(cè)結(jié)果無(wú)直接見(jiàn)證記錄。 2.6 超聲波檢測(cè)的應(yīng)用范圍 超聲波檢

11、測(cè)的應(yīng)用范圍非常廣，從以下幾個(gè)方面講，就可以說(shuō)明:工件材料：金屬、非金屬和復(fù)合材料等制造工藝：鍛件、鑄件、焊接件、膠結(jié)件等工件形狀：板材、棒材、管材等工件尺寸：厚度小至1mm，大至幾米；缺陷部位：既可以是表面缺陷，又可以是內(nèi) 部缺陷。 超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播。 該章主要涉及幾何聲學(xué)和物理聲學(xué)的基本定律和概念。 幾何聲學(xué)：反射定律、折射定律、波形轉(zhuǎn)換。 物理聲學(xué)：波的疊加、干涉、衍射等 11振動(dòng) 物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復(fù)周期性的運(yùn)動(dòng),稱為機(jī)械振動(dòng). 周期T 振動(dòng)物體完成一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間,稱為振動(dòng)周期.單位：秒（S） 頻率f 振動(dòng)特物體在單位時(shí)間內(nèi)完成

12、全振動(dòng)的次數(shù),稱為振動(dòng)頻率.單位：赫茲（Hz） 周期和頻率互為倒數(shù)關(guān)系，即 T1/f 諧振（簡(jiǎn)諧振動(dòng)） 最簡(jiǎn)單最基本的直線振動(dòng)稱為諧振.其特點(diǎn)是物體受到的回復(fù)力大小與位移成正比,其方向總是指向平衡位置.圖1.1 質(zhì)點(diǎn)諧振動(dòng)參考圖 質(zhì)點(diǎn)諧振動(dòng)等效圖 簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程 質(zhì)點(diǎn)的水平位移和時(shí)間t的關(guān)系式：y=Acos(t+)其中：A：振幅，最大水平位移 ：圓頻率， =2f=2 / T ：初相位，即t=0時(shí)質(zhì)點(diǎn)的相位 t+：質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)刻的相位 簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程描述了諧振動(dòng)物體在任意時(shí)刻的位移情況。 阻尼振動(dòng) 在機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，由于受到摩擦力或其他阻力的作用，系統(tǒng)的能量會(huì)不斷損耗，質(zhì)量振動(dòng)的振幅逐漸減小，以至于振

13、動(dòng)停止。所以，阻尼振動(dòng)是一個(gè)比較普遍情況，也稱為衰減振動(dòng)。(不符合機(jī)械能守恒) 受迫振動(dòng) 由于振動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的阻尼作用，能量逐漸消耗，因初始激發(fā)引起的自由振動(dòng)，將因?yàn)槟芰恐饾u損耗，振動(dòng)逐漸減弱，以至運(yùn)動(dòng)停止。要維持振動(dòng)必須由另一系統(tǒng)不斷給以激發(fā)，即不斷地補(bǔ)充能量，這種由外加作用維持的振動(dòng)，稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。 (不符合機(jī)械能守恒)y=Acos(Pt+)其中：A：振幅，最大水平位移 P：策動(dòng)力的圓頻率T ：初相位 12波動(dòng) 振動(dòng)的傳播過(guò)程，成為波動(dòng)。 波動(dòng)分為機(jī)械波和電磁波兩大類。 機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。如水波、聲波、超聲波等。 電磁波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播過(guò)程。如無(wú)線電波、紅外線、

14、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、射線等。 超聲波是機(jī)械波，因此下面只討論機(jī)械波。 物質(zhì)的彈性模型 彈性介質(zhì)：這種質(zhì)點(diǎn)間以彈性力聯(lián)系在一起的介質(zhì)稱為彈性介質(zhì)。一般固體、液體、氣體都可視為彈性介質(zhì)。 機(jī)械波的產(chǎn)生：彈性介質(zhì)中的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)就會(huì)引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，于是振動(dòng)就以一定的速度由近及遠(yuǎn)地向各個(gè)方向傳播開(kāi)來(lái)，從而就形成了機(jī)械波。 機(jī)械波：是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程. 機(jī)械波必須具備以下兩個(gè)條件:1）要有作機(jī)械振動(dòng)的波源；2）能傳播機(jī)械振動(dòng)的彈性介質(zhì)。 振動(dòng)與波動(dòng)是互相關(guān)聯(lián)的，振動(dòng)是產(chǎn)生波動(dòng)的根源，波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播。波動(dòng)中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn)，只是以交

15、變的振動(dòng)速度在各自的平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播過(guò)程，也是振動(dòng)能量的傳播過(guò)程。這種能量的傳播，不是靠質(zhì)點(diǎn)的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是由各質(zhì)點(diǎn)的位移連續(xù)變化來(lái)逐漸傳播出去的 。 機(jī)械波的主要物理量 波長(zhǎng) ： 單位：mm、m 同一波線上相鄰兩振動(dòng)相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離.或者說(shuō)：沿著波的傳播方向，兩個(gè)相鄰的同相位質(zhì)點(diǎn)間的距離。 頻率 ：f 單位：赫茲（Hz） 波動(dòng)過(guò)程中,任一給定點(diǎn)在1秒鐘內(nèi)所通過(guò)的完整波的個(gè)數(shù). 波速 ：C 單位：m/s km/s 波動(dòng)中,波在單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離稱為波速. C= f 或=C/f波長(zhǎng)與波速成正比，與頻率成反比。當(dāng)頻率一定時(shí)，波速愈大，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)；當(dāng)波速一定

16、時(shí)，頻率愈低，波長(zhǎng)就愈長(zhǎng)。1、根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類 根據(jù)波動(dòng)傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向相對(duì)于波的傳播方向的不同,可將波動(dòng)分為縱波、橫波、表面波和板波等. 縱波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向平行。用 L 表示，又稱壓縮波或疏密波。 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變正應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮形變，從而形成縱波。這時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故縱波又稱為壓縮波或疏密波。 凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。所以，縱波可以在固體、液體和氣體中傳播。橫波：介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直。用S 表示 當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變的剪切應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生切變變形，從而形成橫波。只有固體能夠承受剪切應(yīng)力，液體和氣

17、體不能承受剪切應(yīng)力，因此，橫波只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。 表面波：當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟āＳ肦表示，表面波是瑞利在1887年首次提出的，因此，表面波又稱瑞利波。 表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運(yùn)動(dòng)可以視為縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的合成，即縱波和橫波的合成。所以，表面波和橫波一樣，只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體和氣體中傳播。 表面波只能在固體表面?zhèn)鞑ァ１砻娌ǖ哪芰侩S傳播深度的增加而迅速減弱。一般認(rèn)為，表面波檢測(cè)只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)的缺陷。 各 種 類 型 波 的 比 較

18、波的類型質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特點(diǎn)傳播介質(zhì)應(yīng)用縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于波傳播方向固、液、氣體介質(zhì)鋼板、鍛件檢測(cè)等橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波傳播方向固體介質(zhì)焊縫、鋼管檢測(cè)等表面波質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓長(zhǎng)軸垂直波傳播方向，短軸平行于波傳播方向固體介質(zhì)鋼管檢測(cè)等2、按波的形狀分類按波的形狀分類 波的形狀（波形）是指波陣面的形狀。 波陣面：同一時(shí)刻，介質(zhì)中振動(dòng)相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)所聯(lián)成的面稱為波陣面。 波 前：某一時(shí)刻，波動(dòng)所到達(dá)的空間各點(diǎn)聯(lián)成的面積稱為波前。 波 線：波的傳播方向稱為為波線。 由以上定義可知，波前是最前面的波陣面。任意時(shí)刻，波前只有一個(gè)，而波陣面卻有很多。在各向同性的介質(zhì)中，波線恒垂直于波陣面或波前。 據(jù)

19、波陣面形狀不同，可以把不同波源發(fā)出的波分為平面波、柱面波和球面波。（1）平面波 波陣面為互相平行的平面的波稱為平面波。平面波的波源為一個(gè)平面。 尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的剛性平面波源在各向同性的均勻介質(zhì)中輻射的波可視為平面波。 平面波波束不擴(kuò)散，平面波各質(zhì)點(diǎn)振幅是一個(gè)常數(shù)，不隨距離而變化。)(coscxtAy （2）柱面波 波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一條線 。 長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的線狀波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為柱面波。柱面波波束向四周擴(kuò)散，柱面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離平方根成反比。)cos(cxtxAy （3）球面波 波陣面為同心圓的波稱為球面波。球面波的波源為一點(diǎn) 。 尺寸遠(yuǎn)小

20、于波長(zhǎng)的點(diǎn)波源在各向同性的介質(zhì)中輻射的波可視為球面波。球面波波束向四面八方擴(kuò)散，球面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離成反比。 實(shí)際應(yīng)用的超聲波探頭中的波源近似活塞振動(dòng)，在各向同性的介質(zhì)中輻射的波稱為活塞波。當(dāng)距離源的距離足夠大時(shí)，活塞波類似于球面波。)(coscxtxAy 3、按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類、按振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間分類 根據(jù)波源振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，將波動(dòng)分為連續(xù)波和脈沖波。 （1） 連續(xù)波 波源持續(xù)不斷地振動(dòng)所輻射的波稱為連續(xù)波。 超聲波穿透法檢測(cè)常采用連續(xù)波。 （2） 脈沖波 波源振動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短（通常是微秒數(shù)量級(jí)），間歇輻射的波稱為脈沖波。 目前超聲波檢測(cè)中廣泛采用的就是脈沖波。 超聲波在介質(zhì)中的傳播

21、速度是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要參數(shù)。 超聲波、次聲波和聲波都是機(jī)械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度是相同的。 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)。 超聲波的傳播速度與下列因素有關(guān)： 1）介質(zhì)：彈性模量、密度、彈性變形形式、尺寸大小、均勻性等 2）超聲波的波型：如縱波、橫波與表面波等 3）超聲波本身的性質(zhì)： C= f 4）溫度: 一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。 3-1 無(wú)限大固體介質(zhì)中的聲速縱波聲速：橫波聲速：表面波聲速：E：介質(zhì)的楊氏彈性模量；：介質(zhì)的泊松比； ：介質(zhì)密度G：介質(zhì)的切變彈性模量)1)(21 ()1 (ECL)1 (2ECSGCR112. 187. 0由以上三式可

22、知：1）固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同的介質(zhì)聲速不同； 介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，則聲速愈大。2）聲速與波的類型有關(guān)，在同一種固體介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并存在如下關(guān)系：CLCSCR 對(duì)于鋼材: CL:CS:CR=1.8 : 1 : 0.93-2 細(xì)長(zhǎng)棒中的縱波聲速 CLb 細(xì)長(zhǎng)棒中(棒徑d)縱波的聲速與無(wú)限大介質(zhì)中的縱波聲速不同. 固體介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)溫度、應(yīng)力、均勻性有關(guān)。 一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。 一般應(yīng)力增加，聲速增加。B :液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量，表示產(chǎn)生單位容積相對(duì)變化量所需的壓強(qiáng)； ：液體、氣體介質(zhì)的密度 幾乎除水以

23、外的所有液體當(dāng)溫度升高時(shí)，容變彈性模量減小，聲速降低。 水是溫度在74攝氏度左右時(shí)聲速達(dá)最大值。BC 探傷儀測(cè)量法 測(cè)厚儀測(cè)量法 示波器測(cè)量法 4-1 波的疊加原理 幾列波相遇后仍保持自已原有的頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方向等特性并按原來(lái)的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，好象在各自的途中沒(méi)有遇到其他波一樣，這就是波的疊加原理。又稱波的獨(dú)立性原理。 波的迭加現(xiàn)象可以從許多事實(shí)觀察到，如兩石子落水，可以看到兩個(gè)以石子入水處為中心的圓形水波的迭加情況和相遇后兩波仍按原來(lái)的方向進(jìn)行傳播的情況。 4-2 波的干涉 兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動(dòng)互相減

24、弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。 產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波較相干波。 波的干涉是一種特殊狀態(tài)下的波的疊加。 駐波 兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時(shí)互相疊加而成的波，稱為駐波 駐波是波的干涉的特例。 4-3惠更斯原理 波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，如果介質(zhì)是連續(xù)的，那么介質(zhì)中任何質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都將引起鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)又會(huì)引起較遠(yuǎn)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，因此波動(dòng)中任何質(zhì)點(diǎn)都可以看作是新的波源。據(jù)此惠更斯于1690年提出了著名的惠更斯原理：介質(zhì)中波動(dòng)傳播到的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后任意時(shí)刻這些子波的包跡就決定新的波陣面。 利用惠更斯原理可以確定波前的幾何形狀和波的傳播方向?？梢越忉尣?/p>

25、的反射、折射及衍射等現(xiàn)象。 惠更斯原理圖 4-4 波的衍射 波在傳播過(guò)程中遇到與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，能繞過(guò)障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。 波的衍射現(xiàn)象是衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（TOFD）的物理基礎(chǔ)。 波的衍射 波的衍射和障礙物的尺寸Df及波長(zhǎng)的相對(duì)大小有關(guān).當(dāng)Df 時(shí),反射強(qiáng),繞射弱,幾乎全反射;當(dāng)Df Z1 如水/鋼 r = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)0,反射聲壓Pr 和入射聲壓 P0同相位，界面上入射波和反射波疊加形成駐波，合成聲壓最大Pr P0 水/鋼界面：r =0.935 R=0.875 t =1.935 T=0.125 （2）當(dāng)Z1 Z2 如鋼/水 r

26、 = (Z2-Z1) / (Z1+Z2)Z2 如鋼/空氣 鋼/空氣界面：r -1 t 0 t r =1 R 1 T 0 R+T=1 表明：當(dāng)入射波聲阻抗遠(yuǎn)大于透射波介質(zhì)聲阻抗時(shí)，聲壓反射率趨于1，透射率趨于0，聲壓幾乎全反射，無(wú)透射。 探傷中，探頭與工件間如不施加耦合劑，則形成固/氣界面，超聲波無(wú)法進(jìn)入工件。 （4）當(dāng)Z1Z2 如鋼板和焊縫 r 0 t 1 R 0 T 1 超聲波垂直入射的聲阻抗相差很近的界面時(shí)，幾乎全透射，無(wú)反射。 在焊縫探傷中，母材和填充焊縫金屬，聲阻抗非常接近，若沒(méi)有任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面回波的。 以上討論的超聲波縱波垂直入射到第一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率公式

27、同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在橫波入射到固體/液體或固體/氣體界面上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。例：超聲波垂直入射至水/鋼界面，已知水的聲速CL1=1500m/s,密度為1000kg/m3，鋼中聲速CL2=5900m/s, Cs2=3230m/s,密度為7800kg/m3，試計(jì)算界面聲壓反射率r、聲壓投射率t、聲強(qiáng)反射率R和聲強(qiáng)透射率T？ 解： 根據(jù)聲阻抗定義：Z=c 水的聲阻抗：Z1= 1cL1 = 1000kg/m31500m/s 鋼的聲阻抗：Z2= 2cL2 = 7800kg/m35900m/s 2112ZZZZrsmkg26/105 . 1smkg27/1

28、06 . 42122ZZZt22112)(ZZZZR22121)(4ZZZZT 72 薄層界面的反射率與透射率 薄層：耦合層、缺陷薄層Z3 Z2Z1d2d2 超聲波脈沖寬度d2 超聲波脈沖寬度1、均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層(Z1=Z3Z2)222222222sin)1(4112sin)1(41dmmdmmr22222sin)1(4111dmmt聲壓反射率和聲壓透射率不僅與介質(zhì)聲阻抗和薄層聲阻抗有關(guān)，而且還與 有關(guān)。（1）當(dāng) r0,t 1 即薄層厚度為其半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),超聲波全透射,幾乎無(wú)反射,好象不存在異質(zhì)薄層一樣.這種透聲層叫半波透聲層。（2）當(dāng) r1,t 0 即當(dāng)異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長(zhǎng)

29、的奇數(shù)倍時(shí),聲壓透射率最低,聲壓反射率最高.22d222 nd4) 12(22nddfcfcdd2/22（1）當(dāng)f1MHZ時(shí)，鋼中厚度為d= mm的氣隙幾乎100反射。兩塊緊貼在一起的十分精密的鋼塊之間的間隙也有 mm?？梢?jiàn)超聲波對(duì)檢測(cè)含有氣體介質(zhì)的裂紋等面積型缺陷的靈敏度是很高的。（2）當(dāng)材料中的氣隙或水隙厚度一定時(shí)，頻率增加，聲壓反射率隨著增加。 例：對(duì)鋼中氣隙d= mm時(shí)，f=1MHz,r=20%； f=5MHz,r=60% 提高超聲波探傷頻率對(duì)于提供探傷靈敏度是有利的。 510510510710710 2、薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面(Z1 Z3Z2) 例如：晶片保護(hù)膜工件； 有機(jī)玻璃耦合

30、層工件薄層的聲強(qiáng)透射率T為： 22222312222231312sin)(2cos)(4dZZZZdZZZZT22222312222231312sin)(2cos)(4dZZZZdZZZZT（1）當(dāng) 時(shí)， 當(dāng)薄層厚度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),通過(guò)薄層的聲強(qiáng)透射率與薄層的性質(zhì)無(wú)關(guān);（2）當(dāng) 時(shí)，且 當(dāng)薄層厚度等于四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),聲強(qiáng)透射率等于1，超聲波全透射。這對(duì)于直探頭保護(hù)膜設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)意義。222nd 23131)(4ZZZZT4) 12(22nd312ZZZ1)(42231231ZZZZZZT 在超聲波單探頭檢測(cè)中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。探頭發(fā)出的超聲波透過(guò)界面進(jìn)入工件，

31、在固/氣界面產(chǎn)生全反射后再次通過(guò)同一界面被探頭接收。這時(shí)探頭接收到的回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復(fù)透射率T往 P0PtPtPaZ1Z2Z空氣=0 1、往復(fù)透射率高，探傷靈敏度高，反之，探傷靈敏度低。 2、聲壓往復(fù)透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與從何種介質(zhì)入射到界面無(wú)關(guān)。 3、界面兩側(cè)的介質(zhì)聲阻抗相差愈小，聲壓往復(fù)透射率就愈高，反之就愈低。2122100)(4TZZZZPPPPPPtata往81 波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 波型轉(zhuǎn)換：當(dāng)超聲波斜入射的界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射外，還會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射。幾何光學(xué)三定律：1、在均勻介質(zhì)中光線沿直線傳播；2、入射角反射

32、角；入射線、反射線、折射線在同一平面內(nèi)；3、入射角和折射角滿足： n: 折射率nsinsin21ccn 21sinsinCC 縱波入射Z1Z2LL L SSLSLSL 根據(jù)反射、折射定律： 同一介質(zhì)中縱波的聲速不變,因此 = 同一介質(zhì)中縱波的聲速大于橫波的聲速，因此 , 22111sinsinsinsinsinSsLLSsLLLLCCCCCLLLS LS 第一臨界角：第一臨界角： 當(dāng)CL2 CL1 時(shí)，L L ,隨著L 增大,L 也增大，當(dāng) L 90時(shí)，所對(duì)應(yīng)的縱波入射角,1第二臨界角：第二臨界角： 211arcsinLLCC21arcsinSLCC21sinsinSsLLCC21sinsin

33、LLLLCC（1）當(dāng)縱波入射角小于第一臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中既有縱波又有橫波；（2）當(dāng)縱波入射角介于第一臨界角和第二臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中只有橫波，沒(méi)有縱波，這就是常用橫波斜探頭的制作原理。（3）當(dāng)縱波入射角大于等于第二臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中即沒(méi)有縱波也沒(méi)有橫波，這是其介質(zhì)的表面存在表面波，這就是常用表面波探頭的制作原理。 例如，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)，有機(jī)玻璃中：CL1=2730m/s，鋼中CL2=5900m/s，CS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為： 由此可見(jiàn)有機(jī)玻璃橫波探頭L=27.657.7，有機(jī)玻璃表面波探頭L57.7 6 .2759002730arcsinarcsin

34、21LLcc7 .5732302730arcsinarcsin21SLcc 橫波入射SZ1Z2SL L S 橫波入射反射、折射定律第三臨界角： 當(dāng)橫波入射角增大到一定程度，反射縱波沿著界面?zhèn)鞑ィ@時(shí)所對(duì)應(yīng)當(dāng)橫波入射角為第三臨界角。 當(dāng)橫波入射角大于等于第三臨界角時(shí)，第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒(méi)有反射縱波，即橫波全反射。 11arcsinLSIIICC111sinsinLLSsCC 例：對(duì)鋼/空氣界面 5900m/s, =3230m/s, =33.2當(dāng) 時(shí)，鋼中橫波全反射。1LC1SC11arcsinLSIIICC02 .33sLLS有機(jī)玻璃晶片鋼鋼 超聲波反射、折射定律只討論了各種反射波、折射波

35、的方向問(wèn)題，未涉及聲壓反射率和透射率問(wèn)題。由于傾斜入射時(shí)，聲壓反射率、透射率不僅與介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，而且與入射角有關(guān)，其理論計(jì)算公式十分復(fù)雜，因此這里只介紹由理論計(jì)算結(jié)果繪制的曲線圖形。 1、縱波斜入射到鋼/空氣界面的反射 如圖所示，當(dāng)縱波傾斜入射到鋼/空氣界面時(shí)，縱波聲壓反射率rLL與橫波聲壓反率rLS 隨入射角L而變化。當(dāng)L=60左右時(shí)，rLL很低，rLS很高。原因是縱波傾斜入射，當(dāng)L=60左右時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的變型反射橫波。鋼空氣LLSLrLSrLL20406080LrLL0.21.0rLS 2、橫波斜入射到鋼/空氣界面的反射 如圖所示，橫波傾斜入射到鋼/空氣界面，橫波聲

36、壓反射率rSS 與縱波聲壓反射率rSL 隨入射角而變化。當(dāng)=30左右時(shí)，rSS很低，rSL較高。當(dāng)33.2（）時(shí)，rSS=100，即鋼種橫波全反射。鋼空氣SLSS20406080srSS0.21.0rSLrSSrSL33.2PtPtP0Pa 聲壓往復(fù)透射率：超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭接收到的回波聲壓Pa 與入射波聲壓P0之比。 超聲波探傷中，常用的是反射法，超聲波往復(fù)通過(guò)同一探測(cè)面，因此，聲壓往復(fù)透射率才具有實(shí)際意義。0PPTa 水/鋼界面聲壓往復(fù)透射率 下圖為縱波傾斜入射至水/鋼界面時(shí)的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線。當(dāng)縱波入射角L14.5（）時(shí)，折射縱波的往復(fù)透

37、射率TLL不超過(guò)13%，折射橫波的往復(fù)透射率TLS小于6。當(dāng)L=14.527.27（）時(shí)，鋼中沒(méi)有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的往復(fù)透射率TLS最高不到20。實(shí)際檢測(cè)中水浸檢測(cè)鋼材就屬于這種情況。 有機(jī)玻璃/鋼界面上的聲壓往復(fù)透射率 下圖 為縱波傾斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)往復(fù)透射率與入射角之間的關(guān)系曲線。當(dāng)L27.6（）時(shí)，折射縱波的往復(fù)透射率TLL不超過(guò)小于25 ，折射橫波的往復(fù)透射率TLS小于10 。當(dāng)L=27.657.7（）時(shí)，鋼中只有折射橫波，無(wú)折射縱波。折射橫波的往復(fù)透射率TLS最高不超過(guò)30。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的L30，S37。實(shí)際檢測(cè)中有機(jī)玻璃橫波探頭檢測(cè)鋼材就屬于這種情況。 有

38、機(jī)玻璃/鋼界面上的聲壓往復(fù)透射率 84 端角反射端角反射：超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫做端角反射。 P0Pa橫波斜探頭 端角反射率： 回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比.T端 Pa / P0鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率。下圖可知，縱波入射時(shí)，端角反射率都很低，這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射中分離出較強(qiáng)的橫波。 鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率 橫波入射時(shí) 橫波入射時(shí)，入射角S=30或60附近時(shí)，端角反射率最低。S在3555時(shí)端角反射率達(dá)100，實(shí)際工作中，橫波檢測(cè)焊縫單面焊根部未焊透的情況就類似于這種情況，當(dāng)橫波入射角S（等于橫波探頭的折射角S）=3555，即K=tgS=0.71.43時(shí)，

39、檢測(cè)靈敏度最高。當(dāng)S=56，即K=1.5時(shí)，檢測(cè)靈敏度較低，可能引起漏檢。 超聲波是一種頻率很高波長(zhǎng)很短的機(jī)械波，當(dāng)超聲波入射到曲界面上時(shí)，與可見(jiàn)光入射到曲界面上的情況相似，具有聚焦和發(fā)散的特性。而且，由于超聲波在界面上會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，因此超聲波的聚焦與發(fā)散更為復(fù)雜。為了便于討論，這里不考慮波型轉(zhuǎn)換存在。超聲波在遇到曲界面時(shí)的聚集與發(fā)散，與入射波的波形，曲界面兩側(cè)的聲速等因素有關(guān)，存在多種可能性。下面就超聲波檢測(cè)中經(jīng)常遇到的情況，作簡(jiǎn)單的介紹。 91 聲壓距離公式1、平面波 平面波不擴(kuò)散，而是相互平行，因此，聲壓不隨距離而擴(kuò)散。2、球面波 球面波的波振面為同心球面，超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)至

40、波源的距離成反比。P0：初始聲壓X：某點(diǎn)至波源的距離XPP1 3、柱面波 柱面波的波振面為同軸柱面，聲壓與距離的平方根成反比。XPP1 1、球面波在單一平界面上的反射 球面波入射到平界面上,其反射波仍為球面波,且波源與入射波源對(duì)稱,反射波聲壓為:式中: r 為聲壓反射率; x為從虛擬波源O算起的距離xPrp12、球面波在雙界面的反射 球面波在互相平行的雙界間的多次反射仍符合球面波變化規(guī)律. 實(shí)際探傷中，當(dāng)平行界面的間距d較大時(shí)，超聲波探頭發(fā)出的超聲波可視為球面波，示波屏上各次底波反射波的高度近似符合 1： ： 的規(guī)律。2131 3、球面波在單一平面上的折射 由于聲速的不同,球面波入射到平界面上

41、時(shí),其折射波不再是嚴(yán)格的球面波.只有當(dāng)張角較小時(shí)，可視為近似的球面波，且有： 對(duì)水/鋼界面: 這說(shuō)明：球面波入射的水/鋼界面時(shí)，其折射角更加發(fā)散。 折射聲壓：t ： 聲壓透射率; x ：從折射波源算起的距離212121sinsinCC41590014502121CCxPtP11、平面波在曲界面上的反射 當(dāng)平面波入射到曲界面上時(shí)，其反射波將發(fā)生聚焦或發(fā)散。平面波束與曲界面上各入射的法線成不同的夾角：入射角為0C的聲束沿原方向返回，稱為聲軸，其余聲線的反射則隨著距聲軸距離的增大，反射角逐漸增大。 當(dāng)曲界面為凹球面時(shí)，反射線匯聚于一個(gè)焦點(diǎn)上； 當(dāng)曲界面為凹圓柱面時(shí)，反射線匯聚于一條焦線上。此時(shí)，焦距

42、為：式中：r曲界面的曲率半徑mm。2rf 平面波入射到球面時(shí),其反射波發(fā)生聚焦或發(fā)散，與球面的凹凸有關(guān)。反射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波，其反射聲壓為：式中：f 焦距 x 軸線上某點(diǎn)至頂點(diǎn)的距離; P0 頂點(diǎn)處入射波聲壓; ：+用于發(fā)散，-用于聚焦。fxfxPP0 平面波入射到柱面時(shí),其反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波. 實(shí)際探傷中，球形、柱形氣孔的反射就屬于以上兩種情況。fxfxPP0 2、平面波在曲界面上的折射 平面波入射到曲面上時(shí)，其折射波也將聚焦和發(fā)散，這時(shí)聚焦和發(fā)散不僅僅與曲面的凹凸有關(guān)，而且，與界面兩側(cè)介質(zhì)的波速有關(guān)。 對(duì)于凹面，當(dāng)C1C2時(shí)聚焦，當(dāng)C1C2時(shí)發(fā)散； 對(duì)于凸面，當(dāng)C1C

43、2時(shí)聚焦，當(dāng)C1C2時(shí)發(fā)散。 平面波入射至球面透鏡時(shí),其折射波可視為從焦點(diǎn)發(fā)出的球面波，聲壓公式：式中: t 為聲壓透射率; f 為焦距, P0 為 頂點(diǎn)處入射波聲壓; + 用于發(fā)散,- 用于聚焦fxfxtPP0 平面波入射到柱面透鏡,其折射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波.其聲壓公式： 實(shí)際檢測(cè)用的水浸聚焦探頭就是根據(jù)平面波入射到C1C2的凸透鏡上，折射波發(fā)生聚焦的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的，這樣可以提高檢測(cè)靈敏度。fxftpPx0 1、球面波在曲界上的反射 球面波在球面上的反射波,可視為從像點(diǎn)發(fā)出的球面波.式中: P1 為球面頂點(diǎn)處入射波聲壓; a 為球面頂點(diǎn)至波源的距離; “”“”發(fā)散，“” 聚焦 實(shí)際探傷中，距波源較遠(yuǎn)的球形氣孔缺陷就