鋼結(jié)構(gòu)超聲檢測第一、二、三章課件

11鋼結(jié)構(gòu)無損檢測

廖紹懷

華中科技大學土木工程與力學學院2013年04月11鋼結(jié)構(gòu)無損檢測廖紹懷華中科技大學土木工程與力2第一篇無損檢測概論一、無損檢測的定義

無損檢測技術(shù)(Non-DestructiveTesting,簡稱NDT)是第二次世界大戰(zhàn)后迅速發(fā)展起來的一門新興的、多學科綜合應用的工程科學。此項技術(shù)是在不改變及損傷被檢對象的各種性能(其中包括物理性能、化學性能、幾何形狀、表面狀態(tài)等)的前提下，采用多種適用的方法對被檢對象進行檢測，以確定其質(zhì)量，即確定該被檢對象的實際使用性能是否能滿足事先設(shè)計的需要，以及確定其某些特性，如幾何尺寸、所使用的材料、表面狀況、均勻性、密度等。2第一篇無損檢測概論3二金屬探傷五種無損檢測方法無損檢測技術(shù)基本原理能檢測出的缺陷磁粉檢測(MT)*MagneticTesting磁場作用表面及近表面缺陷滲透檢測(PT)PenetrantTesting毛細管作用表面開口缺陷渦流檢測(ET)EddyTesting電磁感應作用表面及近表面缺陷，壓力容器超聲波檢測(UT)*UltrasonicTesting超聲波反射原理內(nèi)部缺陷，對面積型缺陷(如裂紋、未熔合)較敏感射線照測(RT)RadiographyTesting射線衰減原理內(nèi)部缺陷，對體積型缺陷(如氣孔、夾渣)較敏感3二金屬探傷五種無損檢測方法無損檢測技術(shù)基本原理能4三、無損檢測五大常規(guī)手段的應用范圍及性能對比4三、無損檢測五大常規(guī)手段的應用范圍及性能對比5金屬探傷五種無損檢測方法性能對比（續(xù)）5金屬探傷五種無損檢測方法性能對比（續(xù)）6四、常用無損檢測方法的識別界限6四、常用無損檢測方法的識別界限7五、射線檢測、超聲檢測對不同類型清晰的檢出能力7五、射線檢測、超聲檢測對不同類型清晰的檢出能力8無損檢測人員的級別分為：Ⅰ級(初級)---培訓4周，通過理論考試、實際操作考試，取得證書后能進行檢測，但不能編寫檢測報告(不負責檢測結(jié)果的評定)。Ⅱ級(中級)---培訓4周，通過理論考試、實際操作考試，取得證書后既能進行檢測，又能編寫檢測報告。Ⅲ級(高級)---培訓2周，通過理論(含專門技術(shù)、通用技術(shù))考試、編制工藝考試，能檢測、編寫檢測報告還能解釋標準、規(guī)范。證書有效期:4年(5年)六、無損檢測人員的資質(zhì)8無損檢測人員的級別分為：六、無損檢測人員的9國家質(zhì)監(jiān)總局Ⅱ級證書機械部Ⅱ級證書、Ⅲ級證書9國家質(zhì)監(jiān)總局Ⅱ級證書機械部Ⅱ級證書、Ⅲ級證書1010第二篇超聲波檢測第一章超聲波檢測的物理基礎(chǔ)

1010第二篇超聲波檢測第一章超聲波檢測的物理11一、振動

1、振動的一般概念

1）定義：物體沿著直線或曲線在某一平衡位置附近作往復周期性的運動，稱為機械振動。

2）例子：直接覺察——彈簧振子、鐘擺和汽缸中活塞運動。難以覺察——固體分子的熱運動，一切發(fā)聲物體的運動以及超聲波波源的運動。

3）描述：（1）周期T——振動物體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)。（2）頻率f——振動物體在單位時間內(nèi)完成全振動的次數(shù)，稱為振動頻率，用f表示。常用單位為赫茲(Hz)。第一節(jié)振動與波動11一、振動第一節(jié)振動與波動122、諧振動1）定義：最簡單最基本的直線振動稱為諧振動。2）特點：（1）回復力大小與位移成正比，方向總指向平衡位置。（2）振幅不變，為自由振動，其頻率為固有頻率。（3）物體做諧振動時，只有彈性力或重力做功，其它力不做功，符合機械能守恒的條件，因此諧振物體的能量遵守機械能守恒。在平衡位置時動能最大勢能為零，在位移最大位置時勢能最大動能為零，其總能量保持不變。3）諧振動方程

122、諧振動133、阻尼振動

1）定義：振幅或能量隨時間不斷減少的振動。

2）特點：振幅不斷減少，而周期卻不變。阻尼振動受到阻力作用，不符合機械能守恒。133、阻尼振動144、受迫振動

1）定義：物體受周期性變化的外力作用時產(chǎn)生的振動。

2）特點：受迫振動剛開始時情況很復雜，經(jīng)過一段時間后達到穩(wěn)定狀態(tài)，變?yōu)橹芷谛缘闹C振動。其振動頻率與策動力頻率相同，振幅保持不變。受迫振動物體受到策動力作用，不符合機械能守恒。

3）共振：受迫振動的振幅與策動力的頻率有關(guān)，當策動力頻率P與受迫振動物體固有頻率w。相同時，受迫振動的振幅達最大值。這種現(xiàn)象稱為共振。

4）共振在超聲的應用：設(shè)計探頭中的壓電晶片時，應使高頻電脈沖的頻率等于壓電晶片的固有頻率；從而產(chǎn)生共振，這時壓電晶片的電聲能量轉(zhuǎn)換效率最高。144、受迫振動15二、波動

1、機械波和電磁波①機械波：機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程。超聲波是機械波。②電磁波：電磁振蕩在空間的傳播過程。X射線屬于電磁波.③產(chǎn)生機械波必須具備兩個條件：

a.要有作機械振動的波源；

b.要有能傳播機械波的彈性介質(zhì)。波動的機理可以用物質(zhì)的彈性模型來說明。

15二、波動16彈性介質(zhì)是由彈性力相聯(lián)系的質(zhì)點組成的。當一個質(zhì)點受到外力作用時，該質(zhì)點便圍繞其平衡位置往復振動。由于質(zhì)點間以彈性力相聯(lián)系，該質(zhì)點的振動會引起相鄰質(zhì)點的振動，而相鄰質(zhì)點的振動又會引起較遠質(zhì)點的振動，于是振動就由近及遠地傳播開去。波動與振動是相互關(guān)聯(lián)的，振動是波動的根源，波動是振動形式和振動能量的傳播。這種傳播是通過質(zhì)點的連續(xù)位移變化來實現(xiàn)的，質(zhì)點并不發(fā)生遷移。

16彈性介質(zhì)是由彈性力相聯(lián)系的質(zhì)點組成的。當一個17

2、波長、頻率和波速1）波長λ：同一波線上相鄰兩振動相位相同的質(zhì)點間的距離，用λ表示。常用單位為毫米(mm)或米(m)。2）頻率f：波動中，任一點在1秒內(nèi)所通過的完整波個數(shù)。波動頻率在數(shù)值上同振動頻率，單位為赫茲(HZ)。3）波速C：波動中，波在單位時間內(nèi)所傳播的距離，用C表示。常用單位為米/秒(m/s)或千米/秒(km/s)。4）三者關(guān)系：C=λf或λ=C/f由上式可知，波長與波速成正比，與頻率成反比。當頻率一定時，波速愈大，波長就愈長；當波速一定時，頻率愈低，波長就愈長。172、波長、頻率和波速18

例題1:已知鋼中的縱波聲速為5900m/s，橫波聲速為3230m/s。試求2.5MHz的聲波在鋼中的縱波和橫波波長。解:18例題1:已知鋼中的縱波聲速為5919

3、波動方程

波動方程描述波線各質(zhì)點在任一時刻的位移情況。

193、波動方程20三、聲波、超聲波和次聲波1、次聲波、聲波和超聲波的劃分

相同點：次聲波、聲波和超聲波都是在彈性介質(zhì)中傳播的機械波，在同一介質(zhì)中的傳播速度相同。

不同點：頻率

聲波—f=20Hz～20000Hz,能引起聽覺。次聲波—f＜20Hz的機械波。

超聲波—f＞20000Hz的機械波。

20三、聲波、超聲波和次聲波212、超聲波的應用

超聲探傷所用的頻率一般在0.5-10MHz之間，對鋼等金屬材料的檢驗，常用的頻率為1~5MHz。

(1)超聲波方向性好：超聲波是頻率很高、波長很短的機械波，在無損探傷中使用的波長為毫米數(shù)量級。超聲波像光波一樣具有良好的方向性，可以定向發(fā)射。

(2)越聲波能量高：超聲波探傷頻率遠高于聲波，而能量(聲強)與頻率平方成正比。

(3)能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換；在超聲波探傷中。

(4)超聲波穿透能力強：超聲波傳播能量損失小，傳播距離大，穿透能力強。

212、超聲波的應用

超聲探傷所用的頻率一般在0.5223、次聲波的應用次聲波的頻率很低，波長很長，繞射能力強，傳播衰減小、距離遠。在大自然的許多活動中伴隨著次聲波的發(fā)生，例如地震、火箭起飛等。次聲波近似平面波，沿著與地球表面平行的方向傳播。223、次聲波的應用23(一)、根據(jù)質(zhì)點的振動方向分類1、縱波L（壓縮波、疏密波）

質(zhì)點振動方向與波的傳播方向相互平行的波。

縱波傳播時，質(zhì)點受交變拉伸應力作用，質(zhì)點之間發(fā)生相應伸縮形變，質(zhì)點疏密相間?？v波可在固體、氣體和液體中傳播。

固體介質(zhì)能承受拉伸或壓縮應力,因此固體介質(zhì)可以傳播縱波;液體和氣體雖不能承受拉伸和壓縮應力,但能承受壓應力產(chǎn)生的容積變化,因此液體和氣體也能傳播縱波.

第二節(jié)波的類型23(一)、根據(jù)質(zhì)點的振動方向分類242、橫波S（T）（切變波）

1）介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波。2）特點：當介質(zhì)質(zhì)點受到交變的剪切應力作用時，產(chǎn)生切變形變，從而形成橫波。3）傳播介質(zhì)：固體介質(zhì)

液體和氣體不能承受剪切應力,所以不能傳播橫波.242、橫波S（T）（切變波）253、表面波R（瑞利）1）定義：當介質(zhì)表面受到拉伸和交變應力作用時，產(chǎn)生沿固體表面?zhèn)鞑サ牟ā?）特點：表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r，介質(zhì)表面質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直于波的傳播方向，短軸平行于波的傳播方向。橢圓運動可視為縱向振動與橫向振動的合成，即縱波與橫波的合成。表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。當傳播深度超過兩倍波長時，質(zhì)點的振幅就已經(jīng)很小了。因此，一般認為，表面波探傷只能發(fā)現(xiàn)距工件表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。3）傳播介質(zhì)：固體表面?zhèn)鞑ァ?53、表面波R（瑞利）262627

4、板波在板厚與波長相當?shù)谋“逯袀鞑サ牟ǚQ為板波。

（1）SH波：水平偏振的橫波在薄板中的傳播。質(zhì)點振動方向平行于板面而垂直于波的傳播方向。

274、板波28

（2）、蘭姆波①、對稱型蘭姆波（S型）：薄板中心層質(zhì)點作縱向振動，上下表面質(zhì)點作橢圓振動，相位相反并對稱于中心。②、非對稱型蘭姆波（A型）：薄板中心質(zhì)點作垂直振動，上下表面質(zhì)點作橢圓振動，相位相同不對稱。28（2）、蘭姆波29波的類型質(zhì)點振動特點傳播介質(zhì)應

用縱波質(zhì)點振動方向平行于波傳播方向固、液、氣體介質(zhì)鋼板、鍛件探傷等橫波質(zhì)點振動方向垂直于波傳播方向固體介質(zhì)焊縫、鋼管探傷等表面波質(zhì)點作橢圓運動，橢圓長軸垂直波傳播方向，短軸平行于波傳播方向固體介質(zhì)鋼管探傷等板波對稱型(S型)上下表面：橢圓運動,中心：縱向振動固體介質(zhì)(厚度與波長相當?shù)谋“?薄板、薄壁鋼管等(δ<6mm)非對稱型(A型)上下表面；橢圓運動，中心：橫向振動29波的類型質(zhì)點振動特點傳播介質(zhì)應

用縱波質(zhì)點振動方向平30二、按波的形狀分類1、有關(guān)概念：1）波的形狀(波形)是指波陣面的形狀。2）波陣面：同一時刻，介質(zhì)中振動相位相同的所有質(zhì)點所聯(lián)成的面稱為波陣面。3）波前：某一時刻，波動所到達的空間各點所聯(lián)成的面稱為波前。4）波線：波的傳播方向稱為波線。30二、按波的形狀分類311)、平面波：波陣面為平面的波。波源為一平面。各質(zhì)點振幅為常數(shù)，不隨距離而變化。波動方程為：2、分類：平面波、柱面波和球面波。

2）柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波稱為柱面波。柱面波的波源為一直線，其波束向四周擴散，各質(zhì)點的振幅與離波源距離的平方根成反比。波動方程：

311)、平面波：波陣面為平面的波。2、分類：平面波、柱32

3）球面波：波陣面為同心球面的波稱為球面波。球面波的波源為一點，其波束向四面八方擴散。各質(zhì)點的振幅與離波源的距離成反比。波動方程：323）球面波：波陣面為同心球面的波稱為球面波。33三、按振動的持續(xù)時間分類1、連續(xù)波

波源持續(xù)不斷地振動所輻射的波。超聲波穿透法探傷常采用連續(xù)波。2、脈沖波:波源振動持續(xù)時間很短(通常是微秒數(shù)量級，1微秒=10-6秒)，間歇輻射的波。目前超聲波探傷中廣泛采用的就是脈沖波。33三、按振動的持續(xù)時間分類34一、固體介質(zhì)中的縱波、橫波與表面波聲速1、固體介質(zhì)不僅能傳播縱波，而且可以傳播橫波和表面波等，但它們的聲速是不相同的。此外介質(zhì)尺寸的大小對聲速也有一定的影響，無限大介質(zhì)與細長棒中的聲速也不一樣。2、無限大固體介質(zhì)中的聲速1）在無限大的固體介質(zhì)中（無限大固體介質(zhì)是相對于波長而言的，當介質(zhì)的尺寸遠大于波長時，就可以視為無限大介質(zhì)。）第三節(jié)超聲波的傳播速度34一、固體介質(zhì)中的縱波、橫波與表面波聲速第三節(jié)超聲波的傳35

由上三式可知：

（1）固體介質(zhì)的聲速與介質(zhì)的密度和彈性模量等有關(guān)，不同介質(zhì)聲速不同；介質(zhì)的彈性模量愈大，密度愈小，聲速愈大。（2）聲速還與波型有關(guān)，在同一介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波的聲速各不相同。它們之間的關(guān)系是：CL＞CS＞CR在鋼中：CL：CS：CR≈1.8：1：0.92、細長棒（棒徑d≤λ）中的聲速在細長棒中軸向傳播的縱波聲速與無限大介質(zhì)中縱波聲速不同，細長棒中的縱波聲速為：35由上三式可知：363、聲速與溫度、應力、均勻性的關(guān)系1）一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。2）固體介質(zhì)的應力狀況對聲速有一定的影響，一般應力增加，聲速增加，但增加緩慢。3）固體材料組織均勻性對聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。363、聲速與溫度、應力、均勻性的關(guān)系37

3、聲速與溫度、應力和組織均勻性關(guān)系（1）一般固體介質(zhì)中的聲速隨溫度升高而降低；（2）介質(zhì)中應力增加，聲速增加，但增加緩慢；（3）晶粒細，聲速大，晶粒粗，聲速小。（鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減少。）二、板波的聲速

板波傳播時受上下板面的影響，所以其聲速不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與板厚和頻率有關(guān)。板波的相速度：指單一頻率的聲波在介質(zhì)中的傳播速度。板波的群速度：指多個頻率相近的波在同一介質(zhì)中傳播時互相合成后的包絡線傳播速度。373、聲速與溫度、應力和組織均勻性關(guān)38二、板波聲速1、由于板波傳播時受到上下板面的影響，因此板波聲速與縱波、橫波、表面波不同，它不僅與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，而且與板厚、頻率等有關(guān)。只有當板厚、頻率、聲速之間滿足一定關(guān)系時，板波才能順利傳播。2、板波聲速分為相速度和群速度。1）相速度是指單一頻率的聲波在介質(zhì)中的傳播速度。2）群速度是指多個相差不多的頻率的波在同一介質(zhì)中傳播時互相合成后的包絡線的傳播速度。3、板波聲速Cp與f·d、CS、CL有關(guān)。4、實際探傷中，若是頻率單一的連續(xù)波，那么板波聲速就是相速度；若是脈沖波，那么板波聲速就是群速度。38二、板波聲速393940三、液體、氣體介質(zhì)中的聲速1、液體、氣體中聲速公式1）由于液體和氣體只能承受壓應力，不能承受剪切應力，因此液體和氣體介質(zhì)中只能傳播縱波，不能傳播橫波和表面波。液體和氣體中的縱波波速為：

2）由公式可知，液體、氣體介質(zhì)中的縱波聲速與其容變彈性模量和密度有關(guān)，介質(zhì)的容變彈性模量愈大、密度愈小，聲速就愈大。2、液體介質(zhì)中的聲速與溫度的關(guān)系1）幾乎除水以外的所有液體，當溫度升高時，容變彈性模量減小，聲速降低。2）水溫度在74℃左右時聲速達最大值，當溫度低于74℃時，聲速隨溫度升高而增加；當溫度高于74℃時，聲速隨溫度升高而降低。40三、液體、氣體介質(zhì)中的聲速41三、聲速測量

1、超聲波探傷儀

a.比較法測量：（已知水中聲速）將探頭置于待測試件上，使底波對準某一刻度，試件中傳播時間為：

t=2d/C1

將探頭置于水中，調(diào)節(jié)探頭位置使水層底面回波對準同一位置。則水中傳播時間為：

t=2b/C2

則試件聲速為：

C1=C2·b/d41三、聲速測量42

b.示波器測量用示波器測出聲波在試件中的傳播時間t，則聲速為:C=2d/t42b.示波器測量43一、波的迭加與干涉1、波的迭加原理（波的獨立性原理）：1）定義：當幾列波在同一介質(zhì)中傳播時，如果在空間某處相遇，則相遇處質(zhì)點的振動是各列波引起振動的合成，在任意時刻該質(zhì)點的位移是各列波引起位移的矢量和。相遇后仍保持自己原有的頻率、波長、振動方向等特性并按原來的傳播方向繼續(xù)前進，好象在各自的途中沒有遇到其他波一樣。2）現(xiàn)象舉例：石子落水，樂隊合奏或幾個人談話。第四節(jié)波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原理43一、波的迭加與干涉第四節(jié)波的迭加、干涉、衍射和惠更斯原442、波的干涉：1）定義：兩列頻率相同，振動方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時，介質(zhì)中某些地方的振動互相加強，而另一些地方的振動互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象。產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波叫相干波，其波源稱為相干波源。2）如圖所示，點波源S1、S2在M點引起的振動為：442、波的干涉：45質(zhì)點M的合振動為：由上可知：(1)當σ＝nλ（n為整數(shù))時，A=A1+A2。這說明當兩相干波的波程差等于波長的整數(shù)倍時，二者互相加強，合振幅達最大值。(2)當σ=(2n+1)λ/2(n為整數(shù))時，A=│A1-A2│。這說明當兩相干波的波程差等于半波長的奇數(shù)倍時，二者互相抵消，合振幅達最小值。若A1=A2，則A=0，即二者完全抵消。45質(zhì)點M的合振動為：46二、駐波1、定義：兩列振幅相同的相干波在同一直線上沿相反方向傳播時互相迭加而成的波，稱為駐波。2、波腹、波節(jié)駐波迭加時，有的點振幅恒為0，即這些點始終靜止不動，稱為波節(jié)。而有些點振動得到最大幅度的增大。振幅最大，稱為波腹。波線上其余各點的振幅在0和2A之間?？梢姡v波波線上各點似乎在作分段振動。46二、駐波47三、惠更斯原理和波的衍射

1、惠更斯原理介質(zhì)中波動傳播到的各點都可看作是發(fā)射子波的波源，在其后的任意時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。47三、惠更斯原理和波的衍射48

2、波的衍射(繞射)1）定義：波在傳播過程中遇到與波長相當?shù)恼系K物時，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進的現(xiàn)象。2）特點：波的衍射使波的傳播方向改變，從而使缺陷背后的聲影縮小，反射波降低；波的繞射和障礙物尺寸及波長λ的相對大小有關(guān)，當<<λ時，波的繞射強，反射弱，缺陷回波很低，容易漏檢。超聲探傷靈敏度約為λ/2，這是一個重要原因。當>>λ時．反射強，繞射弱，聲波幾乎全反射。3）對探傷的利和弊：有利：使超聲波產(chǎn)生晶粒繞射順利地在介質(zhì)中傳播。不利：使一些小缺陷回波顯著下降，以致造成漏檢。4849一、聲壓P1、定義：超聲場中某一點在某一時刻所具有的壓強與沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強之差，稱為該點的聲壓，用表示。2、單位：帕斯卡(Pa)，微帕斯卡(μPa)1Pa=1N/m21Pa=106μPa3、表達式：4、特點：聲壓的幅值與介質(zhì)密度、波速和頻率成正比。

5、超聲波探傷儀示波屏上的波高與聲壓成正比。第五節(jié)超聲場的特征值49一、聲壓P第五節(jié)超聲場的特征值50二、聲阻抗Z1、定義：超聲場中任意一點的聲壓與該處質(zhì)點振動速度之比稱為聲阻抗。常用Z表示。

Z=P/u=ρcu/u=ρc

聲阻抗的大小等于介質(zhì)密度和聲速的乘積。2、單位：克/厘米2?秒(g/cm2?s)或千克/米2?(kg/m2?s)。3、特點：聲阻抗是表征介質(zhì)聲學性質(zhì)的重要物理量。超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。4、相關(guān)量：材料的聲阻抗與溫度有關(guān)，一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低。這是因為聲阻抗Z=ρC，而大多數(shù)材料的密度ρ和聲速C隨溫度增加而減少。50二、聲阻抗Z51二、聲阻抗Z

超聲場中任意一點的聲壓與該處質(zhì)點振動速度之比稱為聲阻抗。

Z=P/u=ρcu/u=ρc

聲阻抗的大小等于介質(zhì)密度和聲速的乘積。三、聲強I

單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強。

在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。51二、聲阻抗Z52三、聲強I1、定義：單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強，常用I表示。2、單位：瓦/厘米2(W/cm2)或焦耳/厘米2?秒(J/cm2?s)。3、當超聲波傳播到介質(zhì)中某處時，該處原來靜止不動的質(zhì)點開始振動。因而具有動能。同時該處介質(zhì)產(chǎn)生彈性變形，因而也具有彈性位能，其總能量為二者之和。52三、聲強I534、經(jīng)推導可知平均聲強為：由以上公式可知：1)超聲波傳播過程中，單位體積元所具有的總能量周期性地變化，時而達最大，時而為零。2)由于超聲波的聲強與頻率平方成正比，而超聲波的頻率遠大于可聞聲波。因此超聲波的聲強也遠大于可聞聲波的聲強。(3)在同一介質(zhì)中，超聲波的聲強與聲壓的平方成正比。534、經(jīng)推導可知平均聲強為：54第六節(jié)分貝與奈培一、分貝與奈培概念

1、分貝：聲強級單位。標準聲強I1=10-16W/cm2

以聲強與標準聲強之比的常用對數(shù)作為聲強級單位。

54第六節(jié)分貝與奈培一、分貝與奈培概念553、實際應用貝爾太大，故常取1/10貝爾即分貝(dB)來作單位。

(dB)4、通常說某處的噪聲為多少分貝，就是以10-16瓦/厘米2為標準利用上式計算得到的。各種聲音的分貝數(shù)大致如下：引起聽覺的聲強10-16瓦/厘米20dB樹葉沙沙聲10-15瓦/厘米210dB耳語10-14瓦/厘米220dB談話10-11瓦/厘米250dB大炮聲10-6瓦/厘米2100dB超聲波10+4瓦/厘米2200dB553、實際應用貝爾太大，故常取1/10貝爾即分貝(dB)來56５、在超聲波探傷中，當超聲波探傷儀的垂直線性較好時，儀器示波屏上的波高與聲壓成正比。這時有(dB)注：這里聲壓基準P1或波高基準H1可以任意選取。1）當時，△＝0dB，說明兩波高相等時，二者的分貝差為零2）當時，△＝6dB，說明H2為H1的2倍時，H2比H1，高6dB。3）當時，△＝-6dB，說明H2為H1的l/2時，H2比H1低6dB。56５、在超聲波探傷中，當超聲波探傷儀的垂直線性較好時，儀器57P2/P1或H2/H1104211/21/41/10dB201260-6-12-204）常用聲壓（波高比）對應的dB值列于下表。

6、奈培（NP）聲壓比的自然對數(shù)：

1NP=8.86dB1dB=0.115NP57P2/P1或104211/21/41/10dB2012658二、分貝與奈培的應用用分貝值表示回波幅度的相互關(guān)系，不僅可以簡化運算，而且在確定基準波高以后，可直接用儀器衰減器的讀數(shù)表示缺陷渡榴對波高。因此，分貝概念的引用對超聲探傷有很重要的實用價值。例1，示波屏上一波高為80mm，另一波高為20mm，問前者比后者高多少dB？解：△=20lgH2/H1=20lg80/20=12(dB)答：前者比后者高12dB。58二、分貝與奈培的應用59例2，示波上有A、B、C三個波，其中A波比B波高3dB，C波比B波低3dB，已知B波高為50mm，求A、C各為多少mm?解：由已知得△=20lgA/B=3→A=100.15?B=70.6(mm)又△=20lgC/B=-3→C=10-0.15?B=35.4(mm)答：A、C分別為70.6mm和35.4mm。59例2，示波上有A、B、C三個波，其中A波比B波高3dB，60第七節(jié)超聲波垂直入射到界面時的反射和透射一、單一平界面的反射和透射1、反射波和透射波

反射波：在界面反射回原介質(zhì)內(nèi)的波。透射波：透過界面在另一介質(zhì)中傳播的波。2、反射波與透射波聲壓(聲強)是按一定規(guī)律分配的。由聲壓反射率(聲強反射率)和透射率(聲強透射率)來表示。

60第七節(jié)超聲波垂直入射到界面時的反射和透射一、單一平界613、設(shè)入射波的聲壓為P0(聲強為I0),反射波的電壓為Pr(聲強為Ir,透射波的聲壓為Pt(聲強為It).4、在界面兩側(cè)的聲波，必須符合下列兩個條件：

1)界面兩側(cè)的總聲壓相等，即P0+Pr=Pt。

2)界面兩側(cè)質(zhì)點振動速度幅值相等，即5、由上述兩邊界條件和聲壓反射率，透射率定義得：

解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r和透射率t分別為613、設(shè)入射波的聲壓為P0(聲強為I0),反射波的電壓為P62

6、聲強反射率和聲強透射率聲強反射率：反射波聲強與入射波聲強之比：聲強透射率：透射波聲強與入射波聲強之比：7、以上各式說明超聲波垂直入射到平界面上時，聲壓或聲強的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。

可以看出：T+R=1；t-r=1626、聲強反射率和聲強透射率63

8、討論：⑴、當Z2＞Z1時，r＞0，反射波與入射波同相位，兩波疊加，在界面上聲壓振幅增大為P0+Pr。如平面波在水/鋼界面的反射和透射：

638、討論：64⑵、當Z1＞Z2時，r＜0，反射波與入射波相位相反，兩波疊加，在界面上聲壓振幅減小為P0-∣Pr∣。如平面波在鋼/水界面的反射和透射：64⑵、當Z1＞Z2時，r＜0，反射波與入65

⑶、當Z1＞＞Z2時，r=-1,t≈0.如鋼/空氣界面。聲波幾乎全反射，無透射。

探傷中，探頭和工件間如不施加耦合劑，則形成固(晶片)/氣界面，超聲波將無法進入工件。⑷、當Z1≈Z2時，r≈0,t=1.鋼/鋼界面。聲波幾乎全透射，無反射。如鋼的淬火部分與非淬火部分及普通碳鋼焊縫的母材與填充金屬之間的聲阻抗相差很小，一般為1%左右,因此在焊縫探傷中，若母材與填充金屬結(jié)合面沒有任何缺陷，是不會產(chǎn)生界面回波的。結(jié)論：超聲波垂直入射到平界面時，聲壓或聲強的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān),與從何種介質(zhì)入射無關(guān)。聲阻抗相差越大，聲壓反射率越大，聲壓透射率越低；聲阻抗越接近，聲壓反射率越低，聲壓透射率越大。65⑶、當Z1＞＞Z2時，r=-1,t≈66

例題4、不銹鋼與碳鋼的聲阻抗差約為1%，試計算復合界面上的聲壓反射率？解：設(shè)碳鋼的聲阻抗Z鋼=1，則不銹鋼的聲阻抗Z不=1-1%=0.99

66例題4、不銹鋼與碳鋼的聲阻抗差約為1%，試計67二、薄層介面的反射與透射情況1、超聲波通過一定厚度的異質(zhì)薄層時，反射和透射情況與單一的平界面不同。異質(zhì)薄層很薄，進入薄層內(nèi)的超聲波會在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射，形成一系列的反射波和透射波，如圖1.29(a)所示。1）當超聲波脈沖寬度相對于薄層較窄時，薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互不干涉。2）當脈沖寬度相對于薄層較寬時，薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互相疊加產(chǎn)生干涉。

67二、薄層介面的反射與透射情況682、超聲波通過異質(zhì)薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲阻抗和薄層聲阻抗有關(guān)，而且與薄層厚度同其波長之比有關(guān)。

3、均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層(Z1＝Z3≠Z2)1）對于Z1=Z3≠Z2，即均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層，其聲壓反射率與透射率為：

式中：d2-薄層厚度；

λ2-薄層中的波長

m=Z1/Z2682、超聲波通過異質(zhì)薄層時的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲692）由以上公式可知：（1）當(n為整數(shù))時，r≈0，t≈1。這說明當薄層兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗相等，薄層厚度為其半波長的整數(shù)倍時，超聲波全透射，幾乎無反射(r≈0)，好象不存在異質(zhì)薄層一樣。這種透聲層常稱為半波透聲層。（2）當(n為整數(shù))時，即異質(zhì)薄層厚度等于其四分之一波長的奇數(shù)倍時，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。692）由以上公式可知：704、薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面

1）對于，即非均勻介質(zhì)中的薄層，例如晶片--保護膜--工件，其聲強透射率為：

2）由上式可知：（1）超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層時，若薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍，則通過薄層的聲強透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)，好象不存在薄層一樣。（2）表明超聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層，若薄層厚度等于的奇數(shù)倍，薄層聲阻抗為其兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗幾何平均值時，即，其聲強透射率等于1，超聲波全透射。這對于直探頭保護膜的設(shè)計具有重要的指導意義。704、薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面71二、聲壓往復透射率1、在超聲波單探頭探傷中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。2、探頭投的超聲波透過界面進入工件，在固/氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，如圖1.32所示。這時探頭接收到的回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比，稱為聲壓往復透射率T

。71二、聲壓往復透射率72

在底面全反射的情況下，聲壓往復透射率：與聲強透射率數(shù)值相等。若底面反射率為則聲壓往復透射率為：

72在底面全反射的情況下，聲壓往復透射733、分析公式可知超聲波垂直入射時，在底面全反射的條件下聲壓往復透射率與聲強透射率在數(shù)值上相等。例如用PZT-5晶片()對鋼制工件()探傷時，若耦合劑中聲壓全透射，鋼制工件底面聲壓全反射，則其聲壓往復透射率為：4、由公式可知聲壓往復透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與從何種介質(zhì)入射到界面無關(guān)。界面兩側(cè)分質(zhì)的聲阻抗相差愈小，聲壓往復透射率就愈高，反之就愈低。5、往復透射率高低直接影響探傷靈敏度高低，往復透射率高，探傷靈敏度高。反之，探傷靈敏度低。733、分析公式可知超聲波垂直入射時，在底面全反射的條件下聲74

例題5、、已知鈦和鋼的聲阻抗差約為40%。若從鋼一側(cè)探測鈦/鋼復合板，求復合層回波與底面回波的分貝差。解：74例題5、、已知鈦和鋼的聲阻抗差約為475第八節(jié)超聲波斜入射到界面的反射和折射一、反射、折射和波型轉(zhuǎn)換

75第八節(jié)超聲波斜入射到界面的反射和折射一、反射、折射和76

1、反射和反射波：超聲波斜入射至界面時，一部分聲波返回原介質(zhì)中，改變方向傳播，稱為反射，該聲波稱反射波。

2、折射和折射波：超聲波斜入射至界面時，一部分聲波進入第二種介質(zhì)，改變方向繼續(xù)傳播，稱為折射，該聲波稱為折射波。

3、波型轉(zhuǎn)換：超聲波斜入射至界面時，除產(chǎn)生同種波型的反射和折射波外，不產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。761、反射和反射波：77

4、反射、折射定律（斯奈爾定律）

超聲波斜入射到界面時，其產(chǎn)生的反射波、折射波和入射波的角度之間存在下列關(guān)系（反射折射定律）：（1）縱波斜入射（2）橫波斜入射

774、反射、折射定律（斯奈爾定律）78

斯奈爾定律可簡化為下式表示：由公式得知：超聲波斜入射至平界面時，其反射角、折射角的大小只與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān)。聲速大則角大，聲速小則度小，聲速相等則角度相等。

5、臨界角78斯奈爾定律可簡化為下式表示：79（1）第一臨界角αⅠ（縱波斜入射時，縱波折射角等于900時的入射角）（2）第二臨界角αⅡ（縱波斜入射時，橫波折射角等于900時的入射角）（3）第三臨界角αⅢ

（橫波斜入射時，縱波反射角等于900時的入射角）79（1）第一臨界角αⅠ（縱波斜入射時，縱波折射角等80例，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼界面時。有機玻璃中:CL=2730m/s,鋼中：CL=5900m/s，CS=323Om/s。則第一、二臨界角分別為：

由此可見有機玻璃橫波探頭，有機玻璃表面波探頭80例，縱波傾斜入射到有機玻璃/鋼界面時。有機玻璃中:C81

例題4、采用鋼焊縫探傷用的K=1斜探頭（CL1=2700m/s,鋼CS=3200m/s）,檢驗某種硬質(zhì)合焊縫（CS=3800m/s），其實際K值為多大？解：K=1tgβ1=1∴β1=45O

根據(jù)折射定律：∴K2=tg=tg57.1o=1.581例題4、采用鋼焊縫探傷用的K=1斜探82二、斜入射的聲壓反射率斜入射時的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲阻抗有關(guān)，而且與入射角有關(guān)。1、縱波斜入射到鋼/空氣界面的聲壓反射率：縱波聲壓反射率rLL與橫波聲壓反射率rLS隨入射角而變化。當αL=60°左右時，rLL很低，rLS較高。原因是縱波傾斜入射，當αL=60°左右時產(chǎn)生一個較強的變型反射橫波。82二、斜入射的聲壓反射率83

2、橫波斜入射到鋼/空氣界面的聲壓反射率：橫波傾斜入射到鋼/空氣界面橫波聲壓反射率rSS，與縱波聲壓反射率rSL隨入射角aS而變化。當aS=30°時，rSS很低，rSL較高。當aS≥33.2°(a)時，rSS=100%,即鋼中橫波全反射

832、橫波斜入射到鋼/空氣界面的聲壓反射率：84三、聲壓往復透射率超聲波傾斜入射，折射波全反射，探頭按收到的回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為聲壓往復透射率，常用T表示，T=Pa/P0。

縱波斜入射到水/鋼界面：當縱波入射角αL＜14.5°(αⅠ)時，折射縱波的往復透射率不超過13%，折射橫波的往復透射率小于6%。當αL=14.5-27.27°(αⅡ)時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波的往復透射率最高不到20%。實際探傷中水浸探傷鋼材就屬于這種情況。84三、聲壓往復透射率85縱波斜入射到有機玻璃/鋼界面的聲壓往復透射率：

當αL<27.6°(αⅠ)時，折射縱波的往復透射率小于25%，折射橫波的往復透射率小于10%。當αL=27°-57°(αⅡ)時，鋼中只有折射橫波，無折射縱波。折射橫波的往復透射率最高不超過30%，這時所對應的αL≈30°，βS≈37°。實際探傷中有機玻璃橫波探頭探傷鋼材就屬于這種情況。85縱波斜入射到有機玻璃/鋼界面的聲壓往復透射率：86四、端角反射超聲波在兩個平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射叫端角反射。

回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端表示。86四、端角反射回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端87

1）縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角的兩次反射中分離出較強的橫波。2）橫波入射時，入射角αS

=30°或60°附近時，端角反射率最低，αS=35°-55°時，端角反射率可達100%。實際工作中，橫波探傷焊縫單面焊根部未焊透或襲紋的情況就類似于這種情況，當橫波入射角αS=35°-55°，即K=tgβs=0.7-1.43時，探傷靈敏度較高。當βs≥56°，即K≥1.5時，探傷靈敏度較低，可能引起漏檢。3）αL（αS

）在0或90°附近時，無論是縱波還是橫波端角反射率理論上都很高，但實際上由于入射波、反射波在邊界互相干涉而抵消，因此實際上這時探測靈敏度不高。鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率87鋼/空氣界面上鋼中的端角反射率88回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端表示。1）縱波入射時，端角反射率都很低，這是因為縱波在端角的兩次反射中分離出較強的橫波。2）橫波入射時，入射角αS

=30°或60°附近時，端角反射率最低，αS=35°-55°時，端角反射率可達100%。實際工作中，橫波探傷焊縫單面焊根部未焊透或襲紋的情況就類似于這種情況，當橫波入射角αS=35°-55°，即K=tgβs=0.7-1.43時，探傷靈敏度較高。當βs≥56°，即K≥1.5時，探傷靈敏度較低，可能引起漏檢。3）αL（αS

）在0或90°附近時，無論是縱波還是橫波端角反射率理論上都很高，但實際上由于入射波、反射波在邊界互相干涉而抵消，因此實際上這時探測靈敏度不高。88回波聲壓與入射波聲壓之比稱為端角反射率用T端表示。89第九節(jié)超聲波的聚焦與發(fā)散一、聲壓距離公式

1、平面波波束不擴散，聲壓不隨距離變化。

2、球面波：聲壓與距離成反比。

3、柱面波：聲壓與距離的平方根成反比。

89第九節(jié)超聲波的聚焦與發(fā)散一、聲壓距離公式90二、球面波在平界面的反射與折射

1、球面波在單一平界面上的反射：反射波仍為球面波且波源與入射源對稱。

反射波聲壓為：

2、單一平界面上的折射球面波入射到平界面時，其折射波不再是嚴格的球面波了。例如球面波入射到水鋼界面時，其折射波更加發(fā)散。

90二、球面波在平界面的反射與折射91三、平面波在曲界面上的反射平面波入射到凹曲面時，其反射波聚焦；入射到凸曲面時，其反射波發(fā)散。91三、平面波在曲界面上的反射92

（1）、平面波入射到球面時。反射波可視為從焦點發(fā)出的球面波，其軸線上的聲壓為：92（1）、平面波入射到球面時。反射波可視93

（2）平面波入射到柱面時，反射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波，在曲面軸線上距曲面頂點x處的反射波聲壓為：

93（2）平面波入射到柱面時，反射波可視為從94（3）平面波在曲界面上的折射平面波透過曲界面后也發(fā)生聚焦或發(fā)散，折射波的聚焦還是發(fā)散與曲面凹凸有關(guān)，還與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān)。94（3）平面波在曲界面上的折射95

曲面為凹面，當C1＜C2時，透射波聚焦；當C1＞C2時，透射波發(fā)散。曲面為凸面，當C1＜C2時，透射波發(fā)散；當C1＞C2時，透射波聚焦。平面波入射至球面時，其折射波可視為從焦點發(fā)出的球面波，曲面軸線上距頂點x處的折射波聲壓為：

95曲面為凹面，當C1＜C2時，透射96

平面波入射至柱面時，透射波可視為從焦軸發(fā)出的柱面波，軸線上x處的折射波聲壓公式為：96平面波入射至柱面時，透射波可視為從97四、球面波在曲界面上的反射和折射

1、球面波在曲界面上的反射

球面波入射到凹曲面時，其反射波聚焦；入射到凸曲面時，其反射波發(fā)散。97四、球面波在曲界面上的反射和折射98

（1）球面波在球面上的反射波可視為從像點發(fā)出的球面波，軸線上距頂點x處的反射波聲壓為：實際探傷中，至波源距離較遠的球形氣孔缺陷就屬于球面波在凹球面上的反射，由于反射波進一步發(fā)散，因此其回波較低。這就是超聲波探傷氣孔靈敏度低的原因所在。98（1）球面波在球面上的反射波可視為從99

（2）球面波在柱面上的反射波，既不是單純的球面波，也不是單純的柱面波，而是近似兩個不同的柱面波的迭加。軸線上x處的反射波聲壓為：

球面波在柱面上的反射，在實際探傷中具有現(xiàn)實意義。例如超聲波徑向探傷大型圓柱形鍛件屬于這種情況。凹柱面反射波聚集于像點，使像點處的聲壓趨于很大。如果像點處存在一較小的缺陷，那么經(jīng)底面反射至缺陷，再從缺陷反射至底面，最后由底商反射回到探頭；形成路徑似“W”的反射稱為W反射。W反射時，示波屏上同時出現(xiàn)兩個缺陷波，一前一后，一高一低，前者位于底波B1之前，高度較低，為缺陷直接反射。后者位于B1之后，高度較高，為w反射。探傷時應根據(jù)前者來對缺陷進行定位和定量。

99（2）球面波在柱面上的反射波，既不是單100曲面為凹面，當C1＜C2時，透射波聚焦；當C1＞C2時，透射波發(fā)散。曲面為凸面，當C1＜C2時，透射波發(fā)散；當C1＞C2時，透射波聚焦。100曲面為凹面，當C1＜C2時，透射波聚焦；101

球面波入射到球面和柱面時，軸線上距頂點x處的折射波聲壓分別為：實際探傷中，水浸探傷柱形或球形工件就屬于這種情況。由于折射波發(fā)散，因此探傷靈敏敏度很低，為了提高探傷靈敏度，常常采用聚焦探傷。2、球面波在曲界面上的折射

球面波透過曲界面后也發(fā)生聚焦或發(fā)散，折射波的聚焦還是發(fā)散與曲面凹凸有關(guān)，還與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速有關(guān)。101球面波入射到球面和柱面時，軸線上距頂102第十節(jié)超聲波的衰減一、衰減及產(chǎn)生原因衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時隨距離增加能量逐漸減弱的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：

1、擴散衰減：超聲波傳播過程中，由于波束的擴散使超聲波的能量隨距離增加而逐漸減弱。平面波不擴散。柱面波聲壓與距離平方根成反比；球面波聲壓與距離成反比。102第十節(jié)超聲波的衰減一、衰減及產(chǎn)生原因103

2、散射衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到聲阻抗不同的界面時產(chǎn)生散亂反射引起超聲波的衰減，同時在示波屏上形成草狀回波。1032、散射衰減：超聲波在介質(zhì)中傳104

3、吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)中質(zhì)點間內(nèi)磨擦（即粘滯性）和熱傳導引起超聲波的衰減。通常所說衰減指吸收和散射衰減，不包括擴散衰減。

介質(zhì)的衰減與介質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)，因此在實際工作中有時根據(jù)底波的次數(shù)來衡量材料衰減情況，從而判定材料晶粒度大小，缺陷密集程度、石墨含量以及水中泥沙含量等。二、衰減方程和衰減系數(shù)1、衰減方程

1043、吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播105

2、衰減系數(shù)

介質(zhì)的衰減程度與介質(zhì)的晶粒尺寸、各向異性系數(shù)和超聲波的頻率有關(guān)。晶粒尺寸越大、各向異性越強、超聲波頻率越高，衰減越大。

1052、衰減系數(shù)106三、衰減系數(shù)的測定1、薄板工件衰減系數(shù)的測定對于厚度較小，上下底面互相平行，表面光潔的薄板工件?？捎弥碧筋^波在薄板表面，使聲波在上下表面往復反射，在示波屏上出現(xiàn)多次底波。由于介質(zhì)衰減和反射損失，使底波高度依次減少。其介質(zhì)衰減系數(shù)按下式計算

1061072、厚板或粗圓柱體衰減系數(shù)的測定對于厚度大于200mm的板材或軸類零件，可根據(jù)第一、二次底波、高度來測試衰減系數(shù)。、高度差由擴散衰減、介質(zhì)衰減、反射損失引起。這時介質(zhì)衰減系數(shù)按下式計算：

3、例如某工件厚度χ=500mm，測得B1=80%，B2=20%，反射損失δ=0.5dB，則工件的衰減系數(shù)為

107108108第二章超聲波發(fā)射聲場與

規(guī)則反射體的回波聲壓

108108第二章超聲波發(fā)射聲場與109第一節(jié)縱波發(fā)射聲場一、圓盤波源輻射的縱波聲場1、波源軸線上聲壓分布1）在不考慮介質(zhì)衰減的條件下，液體介質(zhì)中圓盤源上一點波源輻射的球面波在波源軸線上Q點引起的聲壓為2）根據(jù)波的迭加原理，作活塞振動的圓盤波源各點波源在軸線上Q點引起的聲壓可以線性迭加，所以對整個波源面積積分就可以得到波源軸線上的任意一點聲壓為其聲壓幅值為109第一節(jié)縱波發(fā)射聲場一、圓盤波源輻射的縱波聲場1103）經(jīng)適當簡化可知，當時，，圓盤源軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。其聲壓隨距離變化的情況如圖。1103）經(jīng)適當簡化可知，當時1114）近場區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大極小值的區(qū)域，稱為超聲場的近場區(qū)，又叫菲涅耳區(qū)。（1）近場區(qū)聲壓分布不均，是由于波源各點至軸線上某點的距離不同，存在波程差，互相迭加時存在位相差而互相干涉，使某些地方聲壓互相加強，另一些地方互相減弱，于是就出現(xiàn)聲壓極大極小值的點。（2）波源軸線上最后一個聲壓極大值至波源的距離稱為近場區(qū)長度，用N表示。經(jīng)推導后可知可見近場區(qū)長度與波源面積成正比，與波長成反比。（3）近場區(qū)探傷定量是不利的，處于聲壓極小值處的較大缺陷回波可能較低，而處于聲壓極大值處的較小缺陷回波可能較高，這樣就容易引起誤判，甚至漏檢，因此應盡可能避免在近場區(qū)探傷定量。1114）近場區(qū)：波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極1125)遠場區(qū)：波源軸線上至波源的距離x>N的區(qū)域稱為遠場區(qū)，又叫富瑯和費區(qū)。遠場區(qū)軸線上的聲壓隨距離增加單調(diào)減少。當x>3N時，聲壓與距離成反比，近似球面波的規(guī)律，。這是因為距離χ足夠大時，波源各點至軸線上某一點的波程差很小，引起的相位差也很小，這樣干涉現(xiàn)象可略去不計。所以遠場區(qū)軸線上不會出現(xiàn)聲壓極大極小值。當x＞3N時，聲壓與距離成反比，聲波可視為球面波。1125)遠場區(qū)：波源軸線上至波源的距離x>N的區(qū)域稱為遠113

2、波束指向性與半擴散角（1）半擴散角：在遠場區(qū)，在聲束橫截面上各點的聲壓是不同的。聲束軸線上聲壓最高，偏離軸線聲壓逐漸降低。聲束橫截面上偏離軸線的第一個聲壓零值點與波源連線和中心軸線的夾角稱半擴散角。

對于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴散角：

1132、波束指向性與半擴散角114

對于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴散角：（2）波束指向性：以確定的擴散角向固定方向輻射超聲波的特性稱為波束指向性。

半擴散角越小，指向性就越好。

114對于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴散115

3、波束未擴散區(qū)與擴散區(qū)超聲波源輻射的超聲波是以特定角度向外擴散出去的。但不是從聲源開始擴散，而是存在一個未擴散區(qū)b：

b≈1.64N

未擴散區(qū)內(nèi)波束不擴散，不存在擴散衰減。離聲源距離大于b的區(qū)域稱為擴散區(qū)，聲束存在擴散衰減。1153、波束未擴散區(qū)與擴散區(qū)116

對于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴散角：（2）波束指向性：以確定的擴散角向固定方向輻射超聲波的特性稱為波束指向性。

半擴散角越小，指向性就越好。

116對于圓形晶片發(fā)射的縱波聲場，半擴散117

4、超聲場截面聲壓分布聲束橫截面上聲壓分布是起伏的，也存在最大和最小點。但近場區(qū)和遠場區(qū)不同。近場區(qū)聲壓起伏較大，且聲壓最大值可出現(xiàn)在中心軸線上，而偏離軸線聲壓較高。遠場區(qū)中心軸線上聲壓最高，偏離中心軸線逐漸降低，擴散角之外聲壓幾乎為零。1174、超聲場截面聲壓分布118

討論：晶片直徑、聲波波長（頻率）與近場長度、波束指向性的關(guān)系：由：

1、晶片直徑大、波長短（頻率高），近場長度大，半擴散角小，指向性好；

2、晶片直徑小、波長大（頻率低），近場長度小，半擴散角大，指向性差。所以近場長的探頭指向性好，近場短的探頭指向性差。118討論：晶片直徑、聲波波長（頻率）與119二、矩形波源輻射的縱波聲場

1、聲束軸線上的聲壓：

2、半擴散角

3、近場區(qū)長度

119二、矩形波源輻射的縱波聲場120二、近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布1、公式只適用均勻介質(zhì)。實際探傷中，有時近場區(qū)分布在兩種不同的介質(zhì)中，如圖所示的水浸探傷，超聲波是先進入水，然后再進入鋼中。當水層厚度較小時,近場區(qū)就會分布在水、鋼兩種介質(zhì)中，設(shè)水層厚度為L，則鋼中剩余近場區(qū)長度N為2、例：用2.5MHz、φ14mm縱波直探頭水浸探傷鋼板，已知水層厚度為20mm，鋼中CL=5900m/s，水中CL=1480m/s。求鋼中近場區(qū)長度N。解：鋼中縱波波長鋼中近場區(qū)長度N：120二、近場區(qū)在兩種介質(zhì)中的分布121四、實際聲場與理想聲場比較遠場區(qū)基本一致，近場區(qū)差別較大。實際聲場在近場也存在極大極小值，但其極值點少且波動幅度小。其原因是：121四、實際聲場與理想聲場比較122

1、理想聲場是連續(xù)波，而實際聲場是脈沖波。脈沖波持續(xù)時間短波源各點輻射的聲波在聲場中產(chǎn)生不完全干涉或不產(chǎn)生干涉。

2、脈沖波可視為許多不同頻率的正弦波、余弦波組成，每種頻率決定一個聲場，每個聲場的極值點不同，互相迭加后總的聲壓趨于均勻。

3、實際聲場的聲源是非均勻激發(fā)，產(chǎn)生的干涉要小于均勻激發(fā)的理想聲源。

4、理想聲源是針對液體介質(zhì)的，實際聲源是固體介質(zhì)。液體中某點的壓強在各個方向上是相同的。而固體介質(zhì)中各方向上的壓強不同，因此迭加干涉要小于液體介質(zhì)。1221、理想聲場是連續(xù)波，而實際聲123第二節(jié)橫波發(fā)射聲場一、假想橫波波源橫波探頭發(fā)射的聲場是由第一介質(zhì)中的縱波聲場和第二介質(zhì)中的橫波聲場兩部分組成，兩部分聲場是折斷的。123第二節(jié)橫波發(fā)射聲場一、假想橫波波源124

當實際波源為圓形時，其假想波源為橢圓形，其長軸等于實際波源直徑DS，短軸為：二、橫波聲場的結(jié)構(gòu)

1、聲束軸線上的聲壓（x≥3N)2、近場區(qū)長度

124當實際波源為圓形時，其假想波源為橢125

第二介質(zhì)中的近場長度

3、半擴散角

125第二介質(zhì)中的近場長度126126127

例題5、試計算2.5P13×10K1.5斜探頭在鋼中的近場長度（已知鋼中CL2=5900m/s，CS2=3200m/s；有機玻璃楔塊中CL1=2700m/s，聲程L1=15mm）。解：127例題5、試計算2.5P13×10K128第三節(jié)聚焦探頭發(fā)射聲場一、聚焦聲場的形成

128第三節(jié)聚焦探頭發(fā)射聲場一、聚焦聲場的形成129

液浸聚焦探頭利用平面波入射到C1＞C2的凸透鏡上，其折射波聚集的原理制成，凸透鏡為球面時為點聚集，凸透鏡為柱面時為線聚眾聚集。接觸聚集探頭在透鏡前加一個楔塊，凸透鏡聲速C1大于楔塊聲速C2。二、聚集聲場的特點和應用

1、聚集探頭聲束軸線上的聲壓設(shè)x＞R，焦距F＞R的條件129液浸聚焦探頭利用平面波入射到C1130

F愈小，聚集效果愈好；焦距大于近場長度，聲束沒有聚集作用，焦距應選在近場長以內(nèi)。130131

2、焦柱幾何尺寸

3、聚集探頭的應用

a.聲束尺寸小，信噪比高，用于粗晶材料如鑄鋼件、奧氏體鋼焊縫探傷等；

b.焦點尺寸小，分辨力高，靈敏度高，用于缺陷尺寸測量。缺點是聲束尺寸小，掃查范圍小，檢測效率低。1312、焦柱幾何尺寸132第四節(jié)規(guī)則反射體的回波聲壓一、平底孔回波聲壓平底孔回波聲壓與面積成正比，與距離平方成反比。

任意二平底孔的回波分貝差為：

132第四節(jié)規(guī)則反射體的回波聲壓一、平底孔回波聲壓133

平底孔直徑一定，距離增加一倍，平底孔回波降低12dB；平底孔距離一定，孔徑增加一倍，平底孔回波升高12dB.133134二、長橫孔回波聲壓

長橫孔回波聲壓與長橫直徑平方根成正比，與距離的三分之二次方成反比。

任意二平底孔的回波分貝差為：134二、長橫孔回波聲壓135

長橫孔直徑一定，距離增加一倍，回波降低9dB；長橫孔距離一定，孔徑增加一倍，回波升高3dB.135136三、短橫孔回波聲壓

短橫孔回波聲壓與短橫孔長度，與直徑的平方根成正比，與距離的平方成反比。

任意短橫孔的回波分貝差為：

136三、短橫孔回波聲壓137

短橫孔直徑和長度一定，距離增加一倍，回波降低12dB；短橫孔直徑和距離一定，長度增加一倍，回波升高6dB；短橫孔長度和距離一定，直徑增加一倍，回波升高3dB.137138四、球孔回波聲壓球孔回波聲壓與球孔的直徑成正比，與距離平方成反比。

任意二球孔的回波分貝差為：

138四、球孔回波聲壓139

球孔直徑一定，距離增加一倍，平底孔回波降低12dB；平底孔距離一定，孔徑增加一倍，平底孔回波升高6dB.139140五、大平底面回波聲壓大平底面的回波聲壓與距離成反比。

兩個距離不同的大平底面的回波分貝差為：

140五、大平底面回波聲壓141

大平底面距離增加一倍，回波降低6dB。六、圓柱曲面的回波聲壓

1、實心圓柱體，與大平底面相同141142

大平底面距離增加一倍，回波降低6dB。六、圓柱曲面的回波聲壓

1、實心圓柱體，與大平底面相同142143

2、空心圓柱體（1）外圓面探傷回波聲壓小于同距離大平底。

（2）內(nèi)圓面探傷回波聲壓大于同距離大平底。1432、空心圓柱體144反射體回波聲壓差Δ12大平底面-6dB----平底孔-12dB+12dB--球孔-12dB+6dB--長橫孔-9dB+3dB--短橫孔-12dB+3dB+6dB144反射體回波聲壓大平底面-6dB----平底孔-12dB145第五節(jié)AVG曲線一、通用AVG曲線

1、AVG曲線是描述規(guī)則反射體的距離、波幅和當量大小之間關(guān)系的曲線。

145第五節(jié)AVG曲線一、通用AVG曲線146146147

2、AVG曲線的繪制

1472、AVG曲線的繪制148

以橫座標表示lgA,縱座標表示V，由上述公式繪制曲線，即得x≥3N的曲線。

x＜3N的曲線通過實測繪制。

3、AVG曲線的用途：（1）調(diào)節(jié)探傷靈敏度（2）確定缺陷當量。148以橫座標表示lgA,縱座標表示V，1493、曲線應用：用來調(diào)整探傷靈敏度和對缺陷進行定量。例：用2.5MHz,φ20mm直探頭探測厚為400mm鋼制餅形鍛件，已知鋼中CL=5900m/s。探傷中在170mm處發(fā)現(xiàn)一缺陷，其回波比底波低10dB。(1)如何利用底波調(diào)整φ2平底孔