超聲波基礎(chǔ)知識(shí)講解

1、最新資料推薦最新資料推薦 / 17波源附近的軸線上聲壓上下起伏變化，存在著若干個(gè)極大極小值， 距波源的距離越近聲壓極大極小值的點(diǎn)就越密。聲學(xué)上把由于波的干涉在波源附近的軸線上產(chǎn)生一系列聲壓極大極小值的區(qū)域稱為超聲波的近場區(qū)3 近場區(qū)長度N=D（超聲波是有探頭的電晶片（激波）， 發(fā)出的而這個(gè)波源可以看作是由許多發(fā)射聲波的子波源組成這些子波波源作同相位，同振幅振動(dòng)，各自發(fā)出球面子波，并相互疊加長生干涉使一些地方聲強(qiáng)互相加強(qiáng)，另一些地方互相減弱 超聲場的近場長度與波長成反比，與波源面積成正比 超聲波頻率越高，波長越短超聲場的近場長度就越長由于近場區(qū)存在聲壓極大極小值，處于聲壓極大值處的較小缺陷可能回

2、波較高，而處于聲壓極小值處的較大缺陷可能回波較低，因此超聲波探傷總是盡量避免在近場區(qū)定量。波束半徑擴(kuò)散角=arc sin1. 22 /D70 /D 未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)（未擴(kuò)散區(qū)用b 表示） 當(dāng) xb=1. 64N ， 波束可視為直徑為D 的圓柱體， 波陣面近似于平面，波束并不擴(kuò)散，因此， 這一區(qū)域內(nèi)聲場可視為平面波聲場平均聲壓基本不變，實(shí)際探傷中薄板或塊狀工件前幾次底波高度相差無幾就是這個(gè)原因。X b 區(qū)域內(nèi)，波束開始擴(kuò)散，稱為擴(kuò)散區(qū)這時(shí)主波束可視為底波直徑為D 的截頭圓錐體，當(dāng) x 3N 時(shí)， 波束按環(huán)面波規(guī)律開始擴(kuò)散11 、 規(guī)則反射體的回波聲壓（條件x3N） a 、 平底孔的回波聲壓：P

3、= PxF / x=POFF /P： TOC o 1-5 h z 平底孔回波聲壓PO ：晶片起好聲壓F ：晶片的面積F ：平底孔面積 ：平底孔直徑：波長 x ：平底孔至波源的距離b 、 長橫孔的回波聲壓：P = POF/ x ( /8x) C 、 球孔的回波聲壓：P = POF/ x d/4x d：球孔直徑d 、 大平底回波PB= POFD/2x 應(yīng)用舉例：用 2.5MH 14mm 的直探頭，探測厚度為350mm 的鍛件 ， 探傷靈敏度為3 (平底孔當(dāng)量)， 問如何用STB GV 答：P 2=PO/FDF 2= PO FDF 2/ P 3=PO/FDF 3= PO FDF3/ dB=20 10

4、( P 3/ P 2) =20 10【 ( F 3/ F 2) x=40103150/2350=-7. 8dB 所以應(yīng)提高7.8 dB 二、 儀器、 探頭 1 、超聲波探傷儀概述2/4 2x2 1/2 -2 調(diào)節(jié)儀器的探傷靈敏度？2x2x2 2 2 3 2 2/ x2 3】 =40 10【 ( F 3/ F 2) x 2/x 3】4作用：超聲波探傷儀是超聲波探傷的主體設(shè)備，作用是產(chǎn)生振蕩并加于換能器探頭，激勵(lì)探頭發(fā)射超聲波同時(shí)將探頭送回來的電信號(hào)進(jìn)行放大通過一定方式顯示出來從而得到被探工件內(nèi)部有無缺陷及缺陷位置和大小等信息2 、 儀器分類按超聲波的連續(xù)性分類分為A、脈沖波探傷儀B、 連續(xù)波探傷

5、儀C、 調(diào)頻波探傷儀。A 、 脈沖波探傷儀：儀器通過探頭向工件周期性的發(fā)射不連續(xù)且周期不變的超聲波，根據(jù)超聲波的傳播時(shí)間及中度判斷工件中的缺陷位置和大小。這是目前應(yīng)用最廣泛的探傷儀B、 連續(xù)波探傷儀：儀器通過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)且頻率不變的超聲波，根據(jù)透過工件的超聲波強(qiáng)度變化判斷工件中有無缺陷及缺陷大小。C 、 調(diào)頻波探傷儀：儀器通過探頭向工件中發(fā)射連續(xù)的頻率周期性變化的超聲波，根據(jù)發(fā)射波和反射波的差頻變化情況判斷工件中有無缺陷。按缺陷顯示方式分類：A 型顯示探傷儀：是一種波形顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)代反射波的幅度。B 型顯示探傷儀：是一種圖形顯示，探傷儀熒光屏的橫

6、坐標(biāo)是靠機(jī)械掃描來代表探頭的掃查軌跡，縱坐標(biāo)是靠電子掃描來代表波的傳播時(shí)間，因而可以直觀的顯示出被探工件橫-縱截面上缺陷的分布及缺陷的深度。C 型顯示探傷儀：也是一種圖形顯示，探傷儀熒光屏的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)都是靠機(jī)械掃描來代表探頭在工件表面的位置，當(dāng)探頭在工件表面移動(dòng)時(shí)熒光屏便顯示出工件內(nèi)部缺陷的平面圖像。邊 能顯示其深度。A 型脈沖探傷儀幾個(gè)主要組成部分：同步電路、掃描電路、發(fā)射電路、接受電路、顯示電路和電源電路。3 探頭的作用和原理作用：將電能轉(zhuǎn)換成超生能和將超生能轉(zhuǎn)換成電能（產(chǎn)生超生波、接受超聲波）壓電效應(yīng)：某些晶體受到壓力或拉力產(chǎn)生形變時(shí)，在晶體的界面上出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。而在電

7、場的作用下，晶體發(fā)生彈性形變的現(xiàn)象叫逆壓電效應(yīng)，正、 逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，正壓電效應(yīng)接受超聲波。壓電晶體的主要性能參數(shù)a 、 壓電應(yīng)變常數(shù)d33 壓電應(yīng)變常數(shù)表示單位電壓產(chǎn)生的形變大小。若施加一定電壓ua, 使高度變化tr ， 則：d33= ta/ua （米 /伏） 它反映晶體的逆壓電性能，它關(guān)系著晶片的發(fā)射靈敏度，d33 大， 晶體發(fā)射性能好，制作單發(fā)射超聲波探頭，應(yīng)選用 d33 較大的壓電晶片b 、 壓電電壓常數(shù)g33 壓電電壓常數(shù)表示單位壓力產(chǎn)生的相對形變電壓的大小，若施加應(yīng)力為p， 晶體產(chǎn)生的電壓為up ， 則 g33=up/p （伏米 /牛頓）壓電電壓常數(shù)

8、反映壓電晶體的正壓電特性，它關(guān)系著晶片的接受靈敏度，因此也稱壓電接受系數(shù)；g33 大晶片接受性能好，接受到微弱的超聲波信號(hào)就可以產(chǎn)生較高的電壓，制作高接的超聲波探頭，應(yīng)選用g33 較大的壓電晶片。A 型脈沖反射式超聲波探傷儀的工作過程：同步電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖同時(shí)加至掃描電路和發(fā)射電路，掃描電路受觸發(fā)開始工作，產(chǎn)生鋸齒波掃描電壓，加至示波管水平偏轉(zhuǎn)板， 使電子束發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)在熒光屏上產(chǎn)生一條水平掃描線。與此同時(shí)，發(fā)射電路受觸發(fā)產(chǎn)生高頻脈沖，加至探頭，激勵(lì)壓電晶片振動(dòng)，在工件中產(chǎn)生超聲波。超聲波在工件中傳播，遇到缺陷或底面發(fā)生發(fā)射，返回探頭時(shí)，又被壓電晶片轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)接受電路放大和檢波，加至示

9、波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，使電子束發(fā)生垂直偏轉(zhuǎn)，5 在水平掃描線的相應(yīng)位置上， 產(chǎn)生缺陷或底波。根據(jù)缺陷波的位置可以確定缺陷的埋藏深度，根據(jù)缺陷波的幅度可以估算缺陷的當(dāng)量大小同步電路：又稱觸發(fā)電路，它每秒產(chǎn)生數(shù)十至千個(gè)脈沖，用來觸發(fā)探傷儀其它電路（掃描電路、發(fā)射電路等）， 使之步調(diào)一致，有條不紊的工作。掃描電路：又稱時(shí)基電路，用來產(chǎn)生鋸齒波電壓，加在示波管水平偏轉(zhuǎn)板上， 使示波管熒光屏上的光點(diǎn)沿水平方向作等速移動(dòng)，產(chǎn)生一條水平掃描線（即時(shí)基線）， （深度粗調(diào)、微調(diào)、掃描延遲，都是掃描電路的控制旋鈕）發(fā)射電路：利用閘流管或可控硅的開關(guān)，它產(chǎn)生幾百伏至上千伏的電脈沖。電脈沖加于發(fā)射探頭，激勵(lì)壓電晶片振動(dòng)，

10、使之發(fā)射超聲波。接受電路由衰減器、射頻放大器、檢波器和視頻放大器組成，它將來自探頭的電信號(hào)進(jìn)行放大、檢波， 最后加至示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上，并在熒光屏上顯示。C 、 機(jī)電耦合系數(shù)k 從能量觀點(diǎn)出發(fā)，壓電效應(yīng)是一種電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的效應(yīng)，機(jī)械能和電能之間耦合強(qiáng)弱用機(jī)電耦合系數(shù) k 表示， 其定義為：k1= 共總的電能電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能（ 從逆壓電效應(yīng)考慮） k2= 共總的電能機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能（ 從正壓電效應(yīng)考慮） 機(jī)電耦合系數(shù)關(guān)系著晶片的轉(zhuǎn)化效率，k 大轉(zhuǎn)化效率高，晶片的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度高，反之則低。D 、 居里溫度Tc 所有壓電材料當(dāng)溫度達(dá)到一定值后，壓電效應(yīng)會(huì)自行消失，物理學(xué)上稱該溫度

11、為材料的居里溫度或居里點(diǎn)；壓電體有上居里溫度和下居里溫度。如鋯鈦鉛Tc 上約為 300 CTc 下約為 -80 C 。因此探測高溫工件的探頭，應(yīng)采用上居里溫度較高的壓電晶片，而在寒冷地區(qū)應(yīng)選用下居里溫度低者。機(jī)械品質(zhì)因素m 壓電晶片諧振時(shí)貯存的機(jī)械能E 貯與在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)損耗的能量E 損之比稱為機(jī)械品質(zhì)因素：m= 損貯EE 1 機(jī)械品質(zhì)因素m 反映了 壓電晶片諧振時(shí)由于內(nèi)摩擦能消耗的機(jī)械能的大小，m 大機(jī)械能損耗小，靈敏度高，但脈沖寬度大，分辨率低，盲區(qū)大；m 小則反之。一般探頭中壓電晶片背面的吸收塊的設(shè)置，就是為了降低探頭的機(jī)械品質(zhì)因素m， 從而提高探頭的分辨率，減少盲區(qū)。探頭的種類和結(jié)構(gòu)

12、a 、 種類：按波形分為：縱波探頭、橫波探頭、板波探頭和表面波探頭。按晶片數(shù)目分為：單晶探頭、雙晶探頭和多晶探頭按入射束方向分為：直探頭和斜探頭按頻譜分類：寬頻帶探頭和窄頻帶探頭b 、 探頭的結(jié)構(gòu)：常用的探頭主要有：直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、水浸探頭和聚焦探頭 直探頭：壓電晶片是探頭的核心元件，它的作用是發(fā)射和接收超聲波。晶片由壓電學(xué)晶片體6 按一定方式和一定方向切割而成或者由壓電陶瓷經(jīng)極化制成。晶片兩面敷有作為電極的銀層，目的是供給晶片的電壓均勻，晶片上電極火線引至電路，底面則接地線與電路的公共點(diǎn)相接以便形成回路。保護(hù)膜：壓電晶片（直探頭）前面一般都加保護(hù)膜，作用是保護(hù)壓電晶片和

13、電極，防止磨損和破壞。它還須耐磨性能好、強(qiáng)度高、材質(zhì)聲衰減小、透聲性能好、厚度合適，一般分為軟保護(hù)膜和硬保護(hù)膜，硬保護(hù)膜常用氧化鋁（剛玉） 、 金屬片等。軟保護(hù)膜常用軟性塑料制成。阻尼塊：也稱吸收快，粘附在壓電晶片背面，其作用是阻止晶片的慣性振動(dòng)和吸收晶片背面輻射的聲能，從而減小脈沖寬度和雜波信號(hào)干擾， 阻尼塊常用鎢粉和環(huán)氧樹脂按一定比例配制而成。斜探頭：表面波探頭：是斜探頭的一個(gè)特例，當(dāng)斜探頭入射角等于第二臨界角時(shí)，由波形轉(zhuǎn)換得到沿被探材料表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǎ@種探頭成為表面波探頭。雙晶探頭：又稱聯(lián)合雙探頭或分割式雙探頭，這種探頭含兩個(gè)壓電晶片，裝在同一個(gè)殼體內(nèi)。一個(gè)晶片發(fā)射，一個(gè)晶片接收，兩

14、個(gè)晶片之間用隔聲層隔開。防止發(fā)射聲波直接串入接收晶片。晶片前帶有機(jī)玻璃延遲塊使聲波延遲一段時(shí)間進(jìn)入工件。由于使用了延遲塊，所以大大減小了盲區(qū)，利于近表面探測。多數(shù)雙晶探頭的兩個(gè)晶片都傾斜一定角度（3-18 ） 。若兩個(gè)晶片同時(shí)發(fā)射超聲波束，使其交叉覆蓋區(qū)即為探傷區(qū)，聲束中心線交點(diǎn)F 處靈敏度最高。離開 F 點(diǎn)靈敏度降低很快。改變晶片傾角，可改變交點(diǎn)F 處的位置和覆蓋區(qū)的大小。傾角越大，交點(diǎn)F 離探測面愈近，覆蓋區(qū)越短粗，探測厚度越?。?傾角愈小，交點(diǎn) F 離探測面愈遠(yuǎn)，覆蓋區(qū)越窄長，探測厚度越大。三、 超聲波探傷方法和通用探傷技術(shù)1 、 探傷方法概述按原理分類，可分為脈沖反射法、穿透法和共振法

15、脈沖反射法：超聲波以持續(xù)極短的時(shí)間發(fā)射脈沖到被檢工件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試塊缺陷的方法。按判斷缺陷情況的回波性質(zhì)，脈沖放射法還可分為：a 、 缺陷回波法，根據(jù)示波屏上顯示的缺陷探傷圖形進(jìn)行判斷的探傷 b 、 底波回波高度法，依據(jù)底波回波高度變化判斷試件缺陷情況的探傷方法。c 、 底面多次回波法穿透法：是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件的能量變化來判斷缺陷情況的方法。共振發(fā)：若聲波在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長或半波長的整數(shù)倍時(shí)，由于入射波和反射波的相位相同，則引起共振，因而儀器可顯示出共振頻率點(diǎn)，用相鄰的兩個(gè)共振頻率之差，由公式算出試件厚度，當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷時(shí)，將改變試件的共振

16、頻率特性，來判斷缺陷情況的方法稱為共振法。常用于測厚。按波形分為：縱波法、橫波法、表面波法、板波法 表面波波長比橫波還短，因此衰減也大于橫波，同時(shí)它僅沿表面?zhèn)鞑?，對于表面上的?fù)層、油污、不光潔等，聲束反應(yīng)敏感，并被大量衰減，利用此特點(diǎn)，可以通過手沾油在聲束傳播方向上進(jìn)行觸摸并觀察缺陷回波高度的變化，對缺陷定位按探頭數(shù)目分類：單探頭法、雙探法、多探頭法按探頭接觸方式分類：直接接觸法、液浸發(fā) 2 、 儀器與探頭的選擇7探傷儀的選 TOC o 1-5 h z 擇 a、 對于定位要求高的情況，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器b 、對于定量要求高的情況，應(yīng)選擇垂直線性好衰減精度高的儀器c 、對于大型零件的探傷

17、，應(yīng)選擇靈敏度量高， 信噪比高、功率大的儀器 d 、 為了有效的發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷，應(yīng)選擇盲區(qū)小、 分辨率好的儀器e 、 對于室外現(xiàn)場探傷，應(yīng)選擇重量輕，熒光屏亮度好，抗干擾能力強(qiáng)的攜帶式儀器探頭的選擇：鋼板中，鍛件中的夾層、折疊等缺陷，應(yīng)選用直探頭探傷。焊縫中的焊縫、夾渣、 未熔金屬缺陷，應(yīng)選用斜探頭探傷。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頻率選擇：頻率高，靈敏度和分辨率高，指向性好，對探傷有利，但頻率高，近場區(qū)度大，衰減大，又對探傷不利。實(shí)際探傷中，一般在保證探傷靈敏度的情況下盡看可能選擇較低的頻率。對于晶粒較細(xì)的鍛件、軋

18、制件和焊接件，一般選用較高的頻率， 常用 2. 5-5MHz 。對于晶粒粗大的鑄件、奧氏體鋼等宜選用較低的頻率，常用 0.5-2. 5 MHz ， 如果頻率過高，就會(huì)引起嚴(yán)重衰減，示波屏上出現(xiàn)林狀回波，信噪比嚴(yán)重下降，甚至無法判斷。晶片直徑的選擇晶片直徑大小對探傷也有一定探頭。探傷厚度大的工件時(shí)，為了有效地發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的缺陷，宜選用大晶片探頭。探傷小型工件時(shí)，為了 提高缺陷定位定量精度宜選用小晶片探頭。探傷表面不太平整，曲率較大的工件時(shí)，為了減少耦合損失，宜選用小晶片探頭。耦合與補(bǔ)償耦合劑應(yīng)滿足以下要求：a 、 能濕潤工件和探頭表面、流動(dòng)性、粘度和附著力適當(dāng)，不難清理 b 、 聲阻抗高、透聲性能好。c 、