超聲檢測第01講-機械振動與機械波

1、機械振動與機械波一、超聲波檢測的定義和作用超聲波檢測在廣義上是指使超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對工件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。超聲波檢測是五大常規(guī)無損檢測技術之一，是目前國內外應用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無損檢測技術。同時也是產品制造、使用、檢驗和維護過程中重要的手段。超聲波檢測內容主要包括超聲波檢測的物理基礎、超聲波發(fā)射聲場與規(guī)則反射體的回波聲壓、超聲檢測設備與器材、超聲檢測方法分類與特點、脈沖反射法超聲檢測通用技術、鋼板和管材超聲檢測、鍛件與鑄件超聲檢測、焊接接頭超聲檢測等。

2、目前，超聲波檢測現場應用包括脈沖反射式超聲波檢測、衍射時差法超聲波檢測（又稱為TOFD）、相控陣超聲波檢測，本課程講授的是脈沖反射式超聲波檢測。超聲波與次聲波和聲波都是在彈性介質中傳播的機械波，同一波型在同一介質中傳播速度相同，它們的區(qū)別主要在于頻率不同。我們把能引起聽覺的機械波稱為聲波，頻率在2020000Hz之間。頻率低于20Hz的機械波稱為次聲波，頻率高于20000Hz的機械波稱為超聲波。其中次聲波和超聲波，人耳無法聽到。二、超聲檢測的優(yōu)點和局限性：1.優(yōu)點與其他無損檢測方法相比，超聲檢測方法的優(yōu)點有:(1) 適用于金屬、非金屬和復合材料等多種制件的無損檢測。(2) 穿透能力強，可對較大

3、厚度范圍內的工件內部缺陷進行檢測。如對金屬材料，可檢測厚度為12 mm的薄壁管材和板材，也可檢測幾米長的鋼鍛件。(3) 缺陷定位較準確。(4) 對面積型缺陷的檢出率較高。(5) 靈敏度高，可檢測工件內部尺寸很小的缺陷。(6) 檢測成本低、速度快，設備輕便，對人體及環(huán)境無害，現場使用較方便等。2.局限性(1) 對工件中的缺陷進行精確的定性、定量仍需作深入研究。(2) 對具有復雜形狀或不規(guī)則外形的工件進行超聲檢測有困難。(3) 缺陷的位置、取向和形狀對檢測結果有一定影響。(4) 工件材質、晶粒度等對檢測有較大影響。(5) 常用的手工A型脈沖反射法檢測時結果顯示不直觀。檢測結果無直接見證記錄。超聲波

4、檢測是一門理論與實際操作充分結合的技術，了解超聲波本身的性質，及其在介質中的傳播特點，對于正確應用超聲檢測技術、解決實際檢測中的各種問題是十分必要的。三、機械振動如前述，超聲波是一種機械波，而機械波的波源為機械振動。機械振動的定義為：物體（或質點）在某一平衡位置附近作來回往復的運動，稱為機械振動。機械振動產生的必要條件是:物體一離開平衡位置就會受到回復力的作用;阻力要足夠小。具體來說機械振動的產生及過程：如圖所示的由彈簧和質點構成的機械振動體系中，當物體(或質點)在受到一定力的作用下，將離開平衡位置，產生一個位移；該力消失后，在回復力作用下，它將向平衡位置運動，并且還要越過平衡位置移動到相反方

5、向的最大位移位置，然后再向平衡位置運動，并且繼續(xù)運動下去。由此我們可以看到，機械振動是一種往復運動，可用周期和頻率表示振動的快慢，用振幅表示振動的強弱。圖1 機械振動機械振動的主要參數：振幅：振動物體離開平衡位置的最大距離，叫做振動的振幅，用A 表示。周期：當物體作往復運動時完成一次全振動所需要的時間，稱為振動周期，用T表示。常用單位為秒(s)。頻率：振動物體在單位時間內完成全振動的次數，稱為振動頻率，用f 表示。常用單位為赫茲(Hz)，1赫茲表示1秒鐘內完成1次全振動，即1 Hz=1 次/s。此外還有千赫(kHz)，兆赫(MHz)。常用頻率單位轉換關系為：1kHz= 103Hz, 1MHz=

6、106 Hz。由周期和頻率的定義可知，二者互為倒數:機械振動中典型理想的振動方式為諧振動。物體(或質點)在受到跟位移大小成正比、而方向總指向平衡位置的回復力作用下的振動，就叫做諧振動。諧振動位移隨時間的變化符合余弦(或正弦)規(guī)律。諧振動與做勻速圓周運動的質點在Y軸上投影的運動特點完全一致。如圖2所示，以橫軸表示時間，縱軸表示質點位移，則振動圖像表示了振動質點的位移隨時間變化的規(guī)律。圖2 勻速圓周運動諧振動方程為：y = A cos (t +) 如圖3所示，在實際工程中，類似超聲波振源產生的振幅或能量隨時間不斷減少的振動方式稱為阻尼振動。圖3 阻尼振動四、機械波振動的傳播過程，稱為波動。波動分為

7、機械波和電磁波兩大類。機械波是機械振動在彈性介質中的傳播過程，如水波、聲波、超聲波等。電磁波是交變電磁場在空間的傳播過程。如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、射線等。對于固體介質，我們依據彈性介質模型解釋機械波產生和傳播原理，具體參見圖4。圖4 彈性介質模型而液體和氣體不能用上述彈性介質模型來描述，其機械波的產生和傳播是在受到壓力時體積的收縮和膨脹產生的。1.產生機械波必須具備以下兩個條件:(1)要有作機械振動的波源。(2)要有能傳播機械振動的彈性介質。2.描述機械波的主要物理量有周期、頻率、波長和波速。(1) 周期T和頻率f 機械波的周期和頻率只與振源有關，與傳播介質無關(2) 波長波經歷一個完整周期所傳播的距離，稱為波長(3) 波速c 波動中，波在單位時間內所傳播的距離稱為波速圖5 機械波從聲速與波長和頻率的數學關系式上看，波長與波速成正比，與頻率成反比；當頻率一定時，波速越高，波長就越長;當波速一定時，頻率越低，波長就越長。以上僅僅是數學關系，沒有提到等式成立的前提條件。實際上聲速是物質傳播