《無損檢測》課件2 超聲檢測

1、超聲波檢測的基礎(chǔ)知識材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 陳照峰1.2 超聲場及介質(zhì)的聲參量1.3 超聲波在介質(zhì)中的傳播特性1.4 圓形壓電晶片產(chǎn)生的聲場 在工業(yè)超聲檢測中應(yīng)用的表面波主要是指超聲波沿介質(zhì)表面?zhèn)鬟f，而傳聲介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動的瑞利波（Rayleigh Wave，簡稱R波）， 瑞利波在介質(zhì)上的有效透入深度只有一個波長的范圍，因此只能用于檢查介質(zhì)表面的缺陷，不能像縱波與橫波那樣深入介質(zhì)內(nèi)部傳播，從而可以檢查介質(zhì)內(nèi)部缺陷。 只在固體中傳播。表面波 Surface WaveNanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 一種由縱波與橫波疊加合成，以特定頻率被封閉在

2、特定有限空間時產(chǎn)生的制導(dǎo)波（guide Wave）。 在工業(yè)超聲檢測中，主要利用蘭姆波來檢測厚度與波長相當(dāng)?shù)谋〗饘侔宀?，因此也稱為板波（Plate Wave）。 蘭姆波在薄板中傳遞時，薄板上下表面層質(zhì)點(diǎn)沿橢圓形軌跡振動，而薄板中層的質(zhì)點(diǎn)將以縱波分量或橫波分量形式振動，從而構(gòu)成全板振動，這是蘭姆波檢測的顯著特征。蘭姆波 Lamb WaveNanjing Univ. Aeronautics & Astronautics聲壓：某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)與沒有超聲場存在時同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差叫作該點(diǎn)的聲壓。聲強(qiáng)：在超聲波傳播的方向上，單位時間內(nèi)介質(zhì)中單位截面上的聲能叫聲強(qiáng)。 分貝：將某一聲強(qiáng)I與標(biāo)準(zhǔn)

3、聲強(qiáng)Io之比取常用對數(shù)得到二者相差的數(shù)量級，稱為聲強(qiáng)級，單位用貝爾，十分之一為分貝。超聲場的基本物理量Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics聲阻抗：超聲波在介質(zhì)中傳播時，任一點(diǎn)的聲壓與該點(diǎn)速度振幅之比叫聲阻抗。聲速：聲波在介質(zhì)中的傳播速度聲衰減系數(shù)：超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的衰減。 在傳聲介質(zhì)中，單位距離內(nèi)某一頻率下聲波能量的衰減值叫做該頻率下該介質(zhì)的衰減系數(shù)。介質(zhì)的基本物理量Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics (1)擴(kuò)散衰減 ：聲波在介質(zhì)中傳播時，因其波前在逐漸

4、擴(kuò)展，從而導(dǎo)致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波的擴(kuò)散衰減。它主要取決于波陣面的幾何形狀，而與傳播介質(zhì)無關(guān)。 (2)散射衰減：散射是物質(zhì)的不均勻性產(chǎn)生的。不均勻材料含有聲阻抗急劇變化的面，在這兩種物質(zhì)的界面上，將產(chǎn)生聲波的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，必然導(dǎo)致聲能的降低。聲衰減的方式Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics (3)吸收衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)引起的聲波能量減弱的現(xiàn)象，叫做超聲波的吸收衰減。聲衰減的方式Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 超聲波在無限大介質(zhì)中傳播時，將

5、一直向前傳播，并不改變方向。但遇到異質(zhì)界面(即聲阻抗差異較大的異質(zhì)界面)時，會產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象。即有一部分超聲波在界面上被反射回第一介質(zhì)，另一部分透過介質(zhì)/界面進(jìn)入第二介質(zhì)。 超聲波垂直入射到足夠大光滑平面時，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波。在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。超聲波的反射和透射Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics單一界面 反射波與透射波的聲壓(聲強(qiáng))是按一定比例分配的。這個分配比例由聲壓反射率(或聲強(qiáng)反射率)和聲壓透射率(或聲強(qiáng)透射率)來表示。 垂直入射時，介質(zhì)兩側(cè)的聲波邊界條件： 一側(cè)總聲壓等于另一側(cè)總

6、聲壓。否則界面兩側(cè)受力不等，將會發(fā)生界面運(yùn)動。 兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度振幅相等，以保持波的連續(xù)性。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics縱波與橫波的區(qū)別 固體介質(zhì)中，縱波垂直入射到單一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)與其反射率、透射率的計(jì)算公式，同樣適用于橫波入射的情況。必須注意；在固液、固/汽界面橫波將發(fā)生全反射。這是因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 在進(jìn)行超聲檢測時，經(jīng)常遇到很薄的耦合層和缺陷薄層，這些都可以歸納為超聲波在薄層界面的反射和透射問題。薄層界面介質(zhì)1介質(zhì)3介質(zhì)2 進(jìn)入薄層內(nèi)的超聲

7、波會在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射，形成一系列反射和透射波。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics當(dāng)介質(zhì)1和介質(zhì)3相同時聲壓反射率聲壓透射率Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics當(dāng)介質(zhì)1和介質(zhì)3不同時聲強(qiáng)透射率（1）（2）Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics超聲波傾斜入射到平界面上 當(dāng)聲波沿傾斜角到達(dá)固體介質(zhì)的表面時，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?yōu)闄M波，反之亦然)。傳輸模式的變換還導(dǎo)致傳輸速率的變化。斯涅耳定律 討論超聲波傾斜入射到界面上時、

8、各種類型反射波和折射波的傳播方向。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics臨界角 第一臨界角：當(dāng)縱波入射角等于第一臨界角，第二介質(zhì)中只存在折射橫波。第二臨界角：當(dāng)縱波入射角等于第二臨界角，第二介質(zhì)中既無折射縱波，又無折射橫波，只產(chǎn)生表面波。第三臨界角：當(dāng)縱波入射角等于九十度時，介質(zhì)中只存在反射橫波。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics斯涅耳其人1591-1626，荷蘭萊頓人，數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家，曾在萊頓大學(xué)擔(dān)任過數(shù)學(xué)教授。大約是在1621年，斯涅耳通過實(shí)驗(yàn)確立了開普勒想發(fā)現(xiàn)而沒有能夠發(fā)現(xiàn)的折射定律。當(dāng)時斯涅耳注意

9、到了水中的物體看起來象漂浮的現(xiàn)象，并試圖揭開其中的奧秘。由此便引出了他對折射現(xiàn)象的研究。 斯涅耳的這一折射定律（也稱斯涅耳定律）是從實(shí)驗(yàn)中得到的，未做任何的理論推導(dǎo)，雖然正確，但卻從未正式公布過。只是后來惠更斯和伊薩克沃斯兩人在審查他遺留的手稿時，才看到這方面的記載。首次把折射定律表述為今天的這種形式的是笛卡兒，他沒做任何的實(shí)驗(yàn)，只是從一些假設(shè)出發(fā)，并從理論上推導(dǎo)出這個定律的。笛卡兒在他的屈光學(xué)（1637）一書中論述了這個問題。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 反射波：超聲波入射時，凹曲面的反射波聚焦，凸曲面的反射波發(fā)散。反射波波陣面的形狀取決于

10、曲界面的形狀。超聲波在曲界面上的反射和透射 （1）界面為球面，具有焦點(diǎn)。 （2）界面為柱面時，具有焦軸。反射波波陣面為柱面，凹柱面上的反射波好像是從實(shí)焦軸發(fā)出的柱面波，凸柱面上的反射波好象是從虛焦軸發(fā)出的柱面波。Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 透射波：超聲平面波入射到曲界面上時，其透射波同樣會產(chǎn)生聚焦或發(fā)散，不僅與曲界面的(凹、凸)曲率有關(guān)，而且與兩種介質(zhì)的聲速有關(guān)。 超聲平面波入射到c1c2的凹曲面和c1c2的凸曲面上時，其透射波聚焦；超聲平面波入射到clc2的凸曲面和c1c2的凹曲面上時，其透射波將發(fā)散。超聲波在曲界面上的反射和透射Nanj

11、ing Univ. Aeronautics & Astronautics 超聲檢測中使用的超聲波探頭，其主要部件是用壓電材料做的壓電晶片，在壓電晶片的兩表面涂有導(dǎo)電銀層作為電極，致使晶片表面上各點(diǎn)部具有相同的電位。將晶片接于高頻電源時，晶片兩面便以相同的相位產(chǎn)生拉伸或壓縮效應(yīng)，發(fā)射超聲波的晶片恰如活塞作往復(fù)運(yùn)動一樣輻射出聲能。 一般當(dāng)作圓形活塞聲源處理。圓形壓電晶片聲場Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 聲場因晶片大小、振動頻率和傳播介質(zhì)的不同而使聲壓和聲能產(chǎn)生不同的分布狀況。 圓形活塞聲源軸線上的聲壓是聲程x的正弦函數(shù)。由于正弦函數(shù)最大值為1，所

12、以聲壓最大值為2p；正弦函數(shù)最小值為0，聲壓最小值也為0。 最后一個聲壓最大值至聲源的距離N稱為近場長度。在聲場中，稱xN的區(qū)域?yàn)槁曉吹慕鼒鰠^(qū)。在聲場中，xN時的區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)場區(qū)。在遠(yuǎn)場區(qū)，聲壓隨距離增加而減小。近場區(qū)、遠(yuǎn)場區(qū)和指向性Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics 在近場區(qū)內(nèi)，由于聲源表面上各點(diǎn)輻射至被考察點(diǎn)的波程差大，所引起的聲壓振幅差和相位差也大，且它們彼此互相干涉，結(jié)果使近場區(qū)的聲壓分布十分復(fù)雜，出現(xiàn)很多極大值與極小值，因此在近場區(qū)內(nèi)如有缺陷存在，其反射波極不規(guī)則，對缺陷的判斷十分困難。近場區(qū)不利于缺陷判斷近場區(qū)截面聲壓分布(黑色部分為波峰)Nanjing Univ. Aeronautics & Astronautics聲場的指向性 在聲場中沿中心軸線聲壓最大，形成聲場的主瓣，即主聲束。在近場區(qū)聲壓交替出