無損檢測(cè)之超聲導(dǎo)波

無損檢測(cè)之超聲導(dǎo)波第1頁/共39頁超聲導(dǎo)波基本原理超聲導(dǎo)波的概念在無限均勻介質(zhì)中傳播的波稱為體波，體波有兩種:一種叫做縱波(或稱疏密波、無旋波、拉壓波、P波);一種叫做橫波(或稱剪切波、S波)，它們以各自的速度傳播而無波形混合。而在一彈性半空間表面處，或兩個(gè)彈性半空間表面處，由于介質(zhì)性質(zhì)的不連續(xù)性，超聲波經(jīng)過一次反射或透射而發(fā)生波形轉(zhuǎn)換。隨后，各種類型的反射波和透射波及界面波均以各自恒定的速度傳播，而傳播速度只與介質(zhì)材料密度和彈性性質(zhì)有關(guān)，不依賴于波動(dòng)本身的特性。第2頁/共39頁當(dāng)介質(zhì)中有多于一個(gè)的界面存在時(shí)，就會(huì)形成一些具有一定厚度的“層”。位于層中的超聲波將要經(jīng)受多次來回反射，這些往返的波將會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的波形轉(zhuǎn)換，并且波與波之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的干涉。若一個(gè)彈性半空間被平行于表面的另一個(gè)平面所截，從而使其厚度方向成為有界的，這就構(gòu)成了一個(gè)無限延伸的彈性平板。位于板內(nèi)的縱波、橫波將會(huì)在兩個(gè)平行的邊界上產(chǎn)生來回的反射而沿平行板面的方向行進(jìn)，即平行的邊界制導(dǎo)超聲波在板內(nèi)傳播。這樣的一個(gè)系統(tǒng)稱為平板超聲波導(dǎo)。在此板狀波導(dǎo)中傳播的超聲波即所謂的板波。板波是超聲無損檢測(cè)中最常用的一種導(dǎo)波形式，由20世紀(jì)初究無限大板中正弦波問題而得名。除此之外，圓柱殼、棒及層狀的彈性體都是典型的波導(dǎo)。其共同特性是由兩個(gè)或更多的平行界面存在而引入一個(gè)或多個(gè)特征尺寸〔如壁厚、直徑等)到問題中來。在波導(dǎo)中傳播的超聲波稱為超聲導(dǎo)波，在圓柱和圓柱殼中傳播的導(dǎo)波稱為柱面導(dǎo)波。第3頁/共39頁第4頁/共39頁第5頁/共39頁鋼管中超聲導(dǎo)波三種模態(tài)第6頁/共39頁超聲導(dǎo)波特性

相速度與群速度頻散是超聲導(dǎo)波的固有特性，主要表現(xiàn)為相速度與群速度的不一致性。所謂相速度，即指單一頻率波的傳播速度；而群速度即波群傳播能量的速度，即由一系列的波長和頻率不同的分波疊加而成的合成波，由于各個(gè)分波在介質(zhì)中傳播的相速度各不相同，則群波的波形隨時(shí)間變化，其振幅最大部分的運(yùn)動(dòng)速度成為群速度。也表現(xiàn)為不同頻率的波疊加形成合成波(波包)時(shí)，波包的波峰傳播的速度。真空中的相速度和群速度是相等的，但在能高度吸收或具有幾何彌散的介質(zhì)中，兩者則不同的。第7頁/共39頁相速度和群速度的關(guān)系

第8頁/共39頁頻散方程鋼板中的頻散方程在鋼板中，對(duì)于對(duì)稱模態(tài)，存在以下函數(shù)方程:其中：對(duì)于反對(duì)稱模態(tài):其中，d，Cp，CL，CT分別為板的厚度，蘭姆波的相速度，板中的縱波波速，板中的橫波波速，k為波數(shù)，其定義如下：k=2πf/CL，其中f為傳感器的中心頻率。第9頁/共39頁頻散曲線鋼板中相速度頻散曲線

鋼板中群速度頻散曲線第10頁/共39頁五、傳感器設(shè)計(jì)

傳感器的設(shè)計(jì)分為頻率選擇試驗(yàn)和角度選擇試驗(yàn)兩部分，設(shè)計(jì)制作了不同頻率和不同晶片尺寸的可變角探頭，通過測(cè)試不同材質(zhì)規(guī)格試樣上模擬裂紋的反射強(qiáng)度和波形，為傳感器設(shè)計(jì)提供頻率范圍和入射角度范圍。第11頁/共39頁探頭的研制

敏感元件的選取

探頭的背襯

探頭的外形設(shè)計(jì)

試驗(yàn)驗(yàn)證第12頁/共39頁超聲導(dǎo)波的激發(fā)第13頁/共39頁第14頁/共39頁AXUSAXUSCanbeusedonPLATESOrPIPES第15頁/共39頁EMATEMATCanbeinPLATESOrPIPESAXIALOrCIRCUMFERENTIAL第16頁/共39頁第17頁/共39頁WavePropagationPitsScatterSoundWaveThinningSpeedsUptheWaveAttenuationTransitTimeChange第18頁/共39頁TransmitterReceiver第19頁/共39頁10%20%30%40%50%第20頁/共39頁第21頁/共39頁第22頁/共39頁第23頁/共39頁第24頁/共39頁第25頁/共39頁第26頁/共39頁第27頁/共39頁第28頁/共39頁第29頁/共39頁第30頁/共39頁第31頁/共39頁第32頁/共39頁檢測(cè)系統(tǒng)的基本功能具有A型掃描超聲波探傷設(shè)備的全部功能和分析方法DAC曲線調(diào)校點(diǎn)數(shù)1—10點(diǎn)任選工作頻率：0.1—4.0MHZ具有可程控和可選擇的四通道方式和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存盤全漢化的WINDOWSXP用戶界面多窗口的圖形分析可事后分析、處理、測(cè)試任何位置范圍內(nèi)的探傷情況實(shí)時(shí)的A掃描顯示（單、雙、四通道方式可選）、掃查控制顯示事后A掃描顯示、B掃描顯示、C掃描顯示，3D顯示，各顯示方式可相互比較分析結(jié)果和檢測(cè)報(bào)告軟件，打印出分析結(jié)果和檢測(cè)報(bào)告掃查控制接口協(xié)調(diào)第33頁/共39頁第34頁/共39頁導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)

(a)時(shí)域波形(b)頻譜圖激勵(lì)信號(hào)時(shí)域波形和頻譜圖第35頁/共39頁導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)第36頁/共39頁導(dǎo)波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)可以從一點(diǎn)檢測(cè)就可以迅速的將大片區(qū)域屏顯化。比傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法更加有效率無論對(duì)內(nèi)表面還是外表面的金屬缺失都非常敏感