超聲波檢測相關(guān)知識

超聲波檢測相關(guān)知識第一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五超聲檢測是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一，是目前應(yīng)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(shù)。超聲檢測是產(chǎn)品制造中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制、節(jié)約原材料、改進(jìn)工藝、提高勞動生產(chǎn)率的重要手段，也是設(shè)備維護(hù)中可不或缺的手段之一。第二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五超聲檢測一般是指使超聲波與工件相互作用，就反射、衍射、透射和散射的波進(jìn)行研究，對工件進(jìn)行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征，并進(jìn)而對其特定應(yīng)用性進(jìn)行評估的技術(shù)。在特種設(shè)備行業(yè)中，超聲檢測通常指宏觀缺陷檢測和材料厚度測量。超聲波檢測基礎(chǔ)

第三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五利用聲響來檢測物體的的好壞，這種方法早已被人們采用。如，用手拍西瓜，聽是否熟了；敲瓷碗，聽是否裂了。聲音反映物體內(nèi)部某些性質(zhì)，這早已為人所知。人類也很早就意識到，可能存在著人耳聽不到的“聲音”。1817年克拉尼就指出了人的聽覺所能聽到的聲音的最高頻率為每秒二萬二千次（22000赫茲）。1830年，法國物理學(xué)家薩伐爾(FelixSavart1791-1841)制作了一個(gè)高轉(zhuǎn)速齒輪，用以撥動一片金屬片而產(chǎn)生了高達(dá)24000赫茲的超聲波。而真正促使人類研究利用超聲波進(jìn)行探測的事件是泰坦尼克號沉沒事件。1912年4月10日，被稱為“世界工業(yè)史上奇跡”的“永不沉沒”的“泰坦尼克號”從英國南安普頓出發(fā)駛往美國紐約開始其處女航。15日23時(shí)40分，載著1316名乘客和891名船員的豪華巨輪在與冰山相撞繼而沉沒，1500人葬生海底，造成了在和平時(shí)期最嚴(yán)重的一次航海事故。此后不久，一個(gè)叫瑞查得森的人就向英國專利局申請了用在空氣和水下傳播的聲音回聲定位的專利。利用上述方案進(jìn)行探測的設(shè)備于1914年由美國的瑞格納德·Ａ·泰森德（ReginaldA.Tessenden）完成并在美國獲得的專利。第四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五在第一次世界大戰(zhàn)中，法國著名科學(xué)家郎之萬（Langevin）經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)發(fā)明了現(xiàn)今在科研軍事民用范圍內(nèi)仍廣泛應(yīng)用的水底探測技術(shù)——聲納。1929年，前蘇聯(lián)科學(xué)家索科夫（S.Y.Sokolov1897～?）提出利用超聲波良好穿透性來檢測不透明體內(nèi)部缺陷，工業(yè)無損檢測的新紀(jì)元由此開始。根據(jù)索科夫提出的原理制成的穿透法檢測儀器，于第二次世界大戰(zhàn)后研制并出現(xiàn)在市場上。但由于這種儀器利用穿過物體的透射聲能進(jìn)行檢測，發(fā)射和接收探頭需至于工件相對兩側(cè)并保持其相對位置，同時(shí)對缺陷檢測靈敏度也較低，所以其應(yīng)用范圍受到很大制約，不久后就被淘汰。1940年，密歇根大學(xué)的法爾斯通教授（FloydFirestone）提交了一種采用超聲波脈沖反射法的檢測裝置的專利申請，使超聲波無損檢測成為一種實(shí)用技術(shù)。1946年，英國的D.O.Spronle研制成第一臺A型脈沖反射式超聲波探傷儀。利用該儀器，超聲波可以從物體的一面發(fā)射和接收，能夠檢出小缺陷，并能夠確定缺陷的位置和尺寸。二十世紀(jì)六十年代以來計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，幾乎給每一個(gè)行業(yè)都帶來了革命性的影響，超聲檢測也不例外。以前制約儀器電子性能的很多指標(biāo)，如放大器線性等主要性能指標(biāo)都獲得了顯著提高，焊縫檢測問題得到了很好的解決。從此，脈沖反射法檢測開始獲得大量的工業(yè)應(yīng)用。

第五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五20世紀(jì)70年代，英國原子能管理局無損檢測研究中心哈維爾（Harwell）實(shí)驗(yàn)室的M.G.silk提出了衍射時(shí)差法超聲檢測（TOFD）。TOFD技術(shù)是一種利用缺陷端點(diǎn)的衍射信號檢測和測定缺陷尺寸的超聲檢測技術(shù)，近年來在西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家已開始廣泛應(yīng)用。近年來，超聲檢測技術(shù)一直是無損檢測技術(shù)的研究熱點(diǎn)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的超聲檢測技術(shù)應(yīng)用層出不窮，如超聲成像技術(shù)、導(dǎo)波技術(shù)、電磁超聲技術(shù)、超聲相控陣技術(shù)、激光超聲技術(shù)、量子聲學(xué)技術(shù)等等。我國開始超聲檢測的研究和應(yīng)用時(shí)間較短。1950年鐵道部引進(jìn)若干臺瑞士制造的以聲響穿透式超聲波探傷儀，并用于路軌檢驗(yàn)，這是國內(nèi)應(yīng)用這一技術(shù)的開端。經(jīng)過60年的發(fā)展，我國的超聲檢測技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。超聲檢測技術(shù)幾乎滲透到所有工業(yè)部門。建立了一只數(shù)量龐大專業(yè)技術(shù)人員隊(duì)伍，理論及應(yīng)用研究逐步深入，標(biāo)準(zhǔn)體系日漸完備，儀器設(shè)備制造行業(yè)蓬勃發(fā)展，管理水平逐步提高。但是，與發(fā)達(dá)國家相比，我國的超聲檢測總體水平還有很大差距，在人員、設(shè)備、投入、管理、標(biāo)準(zhǔn)等方面還有待進(jìn)一步提高。第六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五超聲在國防和國民經(jīng)濟(jì)中的用途可分為兩大類，一類是利用它的能量來改變材料的某些狀態(tài)．為此，需要產(chǎn)生相當(dāng)大或比較大能量的超聲，實(shí)際上是大功率超聲或簡稱功率超聲，包括超聲清洗、超聲焊接、超聲切割等。超聲用途的第二類是利用它來采集信息，特別是材料內(nèi)部的信息，也就是超聲檢測。超聲波能夠用于檢測是由于它具有以下特性。1.超聲波穿透能力強(qiáng)它幾乎能穿透任何材料．對某些其它輻射能量不能穿透的材料，超聲便顯示出這方面的可用性，例如，第一次世界大戰(zhàn)中科學(xué)家考慮用超聲來偵察潛艇，便是因?yàn)槭熘墓獠ā㈦姶挪ǘ疾荒軡B透海洋．后來又興起超聲探傷、超聲診斷等，也都是因?yàn)榻饘?、人體等都是不透光介質(zhì)。2.超聲波波長短，方向性好3.超聲波波長短，能夠像光波一樣在界面產(chǎn)生反射、折射、衍射等現(xiàn)象。第七頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五超聲波檢測有多種分類方法：按超聲波檢測原理劃分：包括脈沖反射法、穿透法和共振法三種。目前用得最多的是脈沖反射法。按超聲波探傷圖形的顯示方式劃分：有A型顯示、B型顯示、C型顯示等。按探傷波型分類，大致可分為縱波探傷法、橫波探傷法、表面波探傷法、板波探傷法、爬波法等按接觸方法分類：有直接接觸法和液浸法、電磁耦合法。直接接觸法就是在探頭和試件表面之間涂有很薄的耦合劑，可以認(rèn)為試件與探頭直接接觸。液浸法是在探頭和試件之間有液體，超聲波通過液體傳播進(jìn)入試件，液浸法受試件表面狀態(tài)影響不大，可以進(jìn)行穩(wěn)定的檢測。電磁耦合法是利用電磁探頭產(chǎn)生的洛倫茲力或磁致伸縮效應(yīng)在試件中激發(fā)和接收超聲波進(jìn)行檢測，探頭和試件之間可以不接觸，對工件表面狀態(tài)要求低。由于A型顯示脈沖反射式超聲波探傷法應(yīng)用最多，所以下面主要敘述該方法。第八頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五1超聲波的發(fā)生及其性質(zhì)

一、機(jī)械波常見的波有兩大類:(1)機(jī)械波(機(jī)械振動的傳播)(2)電磁波（交變電場、磁場的傳播）在微觀領(lǐng)域中還有物質(zhì)波。各種波的本質(zhì)不同,但其基本傳播規(guī)律有許多相同之處。由于我們研究的對象超聲波屬于機(jī)械波，所以下面重點(diǎn)討論機(jī)械波。第九頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生機(jī)械波的必要條件：（1）振源（2）彈性介質(zhì)機(jī)械振動與機(jī)械波既有聯(lián)系，又有區(qū)別。機(jī)械振動是產(chǎn)生機(jī)械波的根源，機(jī)械波是振動狀態(tài)在彈性介質(zhì)中的傳播。機(jī)械振動研究的是單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動狀態(tài)，機(jī)械波研究是傳播機(jī)械振動的一系列質(zhì)點(diǎn)的振動狀態(tài)。描述機(jī)械波的主要物理量（1）波長:波傳播時(shí),在同一波線兩個(gè)相鄰的相位差為零的質(zhì)點(diǎn)之間的距離。用λ表示。（2）周期T和頻率f：波前進(jìn)一個(gè)波長距離所需的時(shí)間叫周期；它的倒數(shù)稱為頻率。機(jī)械波的周期與頻率只與產(chǎn)生機(jī)械波的振源有關(guān)，與傳播介質(zhì)無關(guān)。（3）波速:單位時(shí)間內(nèi)，波動所傳播的距離稱為波速。用c表示,大小決定于介質(zhì)的性質(zhì)。由波速與波長的定義可得c=λf或λ=c/f。第十頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五二、超聲波的發(fā)生和接收超聲波一種高頻機(jī)械波。產(chǎn)生超聲波主要有兩種方式，一是利用磁致伸縮效應(yīng)（電磁換能器），二是利用壓電效應(yīng)（壓電換能器）。目前，工業(yè)檢測中大部分采用壓電材料制成的壓電換能器產(chǎn)生超聲波。第十一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五為什么壓電材料能夠產(chǎn)生超聲波呢？主要是因?yàn)樗麄兙哂袎弘娦?yīng)。壓電效應(yīng)定義：⑴正壓電效應(yīng)：晶體材料在交變拉壓應(yīng)力作用下，產(chǎn)生交變電場的效應(yīng)。探頭接收超聲波時(shí)，發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)為電能。⑵逆壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體材料在交變電場的作用下，產(chǎn)生伸縮變形的效應(yīng)。探頭發(fā)射超聲波，高頻電脈沖激勵(lì)探頭壓電晶片時(shí)，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為聲能。能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的壓電材料主要有石英、硫酸鋰、鈮酸鋰等單晶材料、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT)、鈦酸鉛等多晶材料。另外，目前在TOFD檢測等需要高靈敏度探頭的場合，壓電復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用。第十二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五要使壓電材料產(chǎn)生超聲波，可將它切成一定厚度的片子，稱為晶片，如圖所示。不同厚度片子對應(yīng)的共振頻率不同。將晶片兩面鍍上銀，作為電極（極化）。當(dāng)頻率等于晶片共振頻率的高頻電壓施加到電極上時(shí)，晶片由于逆壓電效應(yīng)將電振動轉(zhuǎn)化成為機(jī)械振動，機(jī)械振動在工件中傳播形成超聲波。反之，高頻機(jī)械振動（超聲波）傳播到晶片上時(shí)，晶片產(chǎn)生受迫振動，在晶片兩電極間就會產(chǎn)生頻率等于超聲波頻率，強(qiáng)度與超聲波聲壓成正比的高頻電信號。這個(gè)高頻電信號經(jīng)過放大、檢波顯示在示波屏上，這就是超聲波的接收。圖1超聲波的發(fā)生第十三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五三、超聲波的分類：根據(jù)波動傳播時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動方向相對于波的傳播方向的不同，可將波動劃分為縱波（壓縮波或疏密波）、橫波（剪切波）、表面波和板波等。1．

縱波（L）概念及產(chǎn)生機(jī)理

縱波是指介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向相互平行或一致的波，用L表示。當(dāng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮變形，從而形成縱波。這時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密相間，故縱波又成為壓縮波或疏密波。凡能承受拉伸或壓縮應(yīng)力的介質(zhì)都能傳播縱波。固體介質(zhì)既可承受拉力又可承受壓縮力，因此固體介質(zhì)可以傳播縱播。液體和氣體介質(zhì)雖不能承受拉力，但能承受壓應(yīng)力產(chǎn)生體積或容積的變化，因此液體和氣體也可傳播縱波。圖2縱波與橫波第十四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五2．

橫波（S或T）概念及產(chǎn)生機(jī)理橫波是指介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向互相垂直的波，用S或T表示。由于橫波的產(chǎn)生是在剪切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的，因此需要介質(zhì)能夠有剪切模量，才能承受剪切應(yīng)力，而只有固體介質(zhì)能夠承受剪切應(yīng)力，液體和氣體介質(zhì)中無剪切模量，因而不能產(chǎn)生橫波。所以只有固體介質(zhì)才能夠傳播橫波。

3．

表面波（SAW或R）的概念及產(chǎn)生機(jī)理當(dāng)介質(zhì)表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生的沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟ǎQ為表面波，常用R表示，是英國的物理學(xué)家瑞利于1887年首先提出來的，因此又稱表面波為瑞利波。

表面波在介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)，介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)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(yùn)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。因此表面波與橫波一樣只能在固體介質(zhì)中傳播，不能在液體或氣體中傳播。

第十五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五表面波只能在固體介質(zhì)中傳播，表面波的能量隨傳播深度增加而迅速減弱。當(dāng)傳播深度超過兩倍波長時(shí)，指點(diǎn)的振幅就已經(jīng)很小了，因此，一般認(rèn)為，表面波只能檢測距表面兩倍波長深度內(nèi)的缺陷。圖3表面波示意圖第十六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五4.板波（PW）的概念及產(chǎn)生機(jī)理是指在板中激勵(lì)的與板厚相當(dāng)波長的波，稱為板波。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動方向不同可將板波分為SH波和蘭姆波。（1）SH波，是水平偏振的橫波在波板中傳播的波。波板中各質(zhì)點(diǎn)的振動方向平行于板面而垂直于波的傳播方向，相當(dāng)于固體介質(zhì)表面中的橫波。（2）蘭姆波，（lambwave）可分為對稱型（S型）和非對稱型(A型)。

對稱型蘭姆波的特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作縱向振動，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動、振動相位相反并對稱于中心。

非對稱型蘭姆波的特點(diǎn)是薄板中心質(zhì)點(diǎn)作橫向振動，上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動、相位相同，不對稱。

第十七頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五波的類型質(zhì)點(diǎn)振動特點(diǎn)傳播介質(zhì)應(yīng)

用縱波質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)作橢圓運(yùn)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(yùn)動,中心：縱向振動固體介質(zhì)(厚度與波長相當(dāng)?shù)谋“?薄板、薄壁鋼管等(δ<6mm)非對稱型(A型)上下表面；橢圓運(yùn)動，中心：橫向振動第十八頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五在超聲波檢測中，通常采用直探頭產(chǎn)生縱波，縱波是向探頭接觸面垂直的方向傳播的，如下圖所示。斜探頭是將晶片貼在有機(jī)玻璃等透聲材料制成的斜鍥上，晶片激發(fā)的縱波，在被檢工件表面產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換，從而在工件中產(chǎn)生橫波。當(dāng)縱波入射角在第一、二臨界角之間時(shí)，工件中只有折射橫波，實(shí)現(xiàn)純橫波檢測。如下圖所示。圖4直探頭1-阻尼塊2-接地環(huán)3-晶片圖5斜探頭1-吸聲材料2-檢測面3-斜鍥4-晶片第十九頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五四、超聲波的傳播速度超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要參數(shù)。固體中的超聲波傳播速度與下列因素有關(guān)：

1）介質(zhì)：彈性模量、密度、彈性變形形式、尺寸大小、均勻性等。

2）超聲波的波型：如縱波、橫波與表面波等

3）溫度:一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低。固體介質(zhì)中縱波聲速：固體介質(zhì)中橫波聲速：固體介質(zhì)中表面波聲速：第二十頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五由以上公式可知：（1）固體介質(zhì)的彈性模量越大，密度越小，則聲速越大（2）聲速與波的類型有關(guān)，在同一種固體介質(zhì)中，縱波、橫波和表面波的聲速各不相同，并存在如下關(guān)系：CL>CS>CR

對于鋼材:CL:CS:CR=1.8:1:0.9第二十一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五液體、氣體介質(zhì)中聲速由于液體和氣體不能承受剪切應(yīng)力，所以液體氣體中不能傳播橫波。雖然液體氣體也不能承受拉應(yīng)力，但是壓應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生容變，從而能夠傳播縱波?？v波聲速：B：液體、氣體介質(zhì)的容變彈性模量，表示產(chǎn)生單位容積相對變化量所需的壓強(qiáng)；ρ：液體、氣體介質(zhì)的密度由上式可知，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)的容變彈性模量越大，密度越小，則聲速越大。幾乎除水以外的所有液體當(dāng)溫度升高時(shí)，容變彈性模量減小，聲速降低。水是溫度在74攝氏度左右時(shí)聲速達(dá)最大值?？諝庵新曀?40m/s，水中聲速1500m/s，鋼中縱波聲速5900m/s第二十二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五※關(guān)于聲速概念，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1.聲速是傳聲介質(zhì)的一種物理屬性，只與介質(zhì)的參數(shù)有關(guān)，這個(gè)參數(shù)就包括了溫度、壓力等，與聲波的頻率無關(guān)（指體波）。

2.聲速C是聲振動這種運(yùn)動形式在介質(zhì)中的傳播速度，它與介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)本身的振動速度V是兩個(gè)不同的概念。對于我們研究的線性聲學(xué)，有V＜＜C。第二十三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五五、超聲場及其特征量充滿超聲波的空間或超聲振動所波及的部分介質(zhì)，叫超聲場。描述超聲場的特征量有聲壓、聲強(qiáng)、聲阻抗等。第二十四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五1.聲壓P聲壓是指超聲場中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)P1與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)P。之差，用P表示，P=P1-P。單位：帕斯卡Pａ。

聲壓與介質(zhì)密度、波速、頻率成正比。因超聲波的頻率很高，故聲壓遠(yuǎn)大于聲波的聲壓。*探傷儀示波屏上波高與聲壓成正比2.聲強(qiáng)I

單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)，常用I表示。單位:瓦/厘米2(W/cm2)或焦耳/厘米2秒(J/cm2S)當(dāng)超聲波傳播到介質(zhì)中某處時(shí)，該處原來靜止不動的體積元開始振動，因而具有了動能。同時(shí)該體積元會產(chǎn)生彈性變形，因而具有彈性勢能，其總能量為二者之和。超聲波傳播時(shí)，介質(zhì)由近及遠(yuǎn)一層一層振動，能量便逐層傳播出去。聲壓與聲強(qiáng)的關(guān)系如下式：第二十五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五由上式可知：1）聲強(qiáng)與聲壓振幅平方成正比，與聲阻抗Z（ρc）成反比2）超聲波檢測根據(jù)缺陷回波信號的聲壓、聲強(qiáng)來判斷缺陷大小。超聲波信號的聲壓越高，示波屏上的回波幅度越高，據(jù)此可以判斷缺陷的當(dāng)量值越大。第二十六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五聲阻抗Z(表征介質(zhì)聲學(xué)特性的重要物理量)超聲場中任一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動速度之比稱為聲阻抗，用“Z”表示。單位：Kg/m2s；g/cm2s。

Z=P/u=ρCu/u=ρC根據(jù)上式可知，聲壓一定的條件下，Z增加，質(zhì)點(diǎn)振動速度u下降。因此聲阻抗Z可以理解為介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動的阻礙作用。一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低,這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料的密度ρ和聲速c隨溫度增加而減小。異質(zhì)界面上反射、透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。

第二十七頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五六、分貝產(chǎn)生的背景：生產(chǎn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，聲強(qiáng)數(shù)量級往往相差懸殊，如引起聽覺的聲強(qiáng)范圍為10-16_10-4瓦/厘米2

，最大值與最小值相差12個(gè)數(shù)量級。顯然采用絕對量來度量是不方便的,但如果對其比值(相對量)取對數(shù)來比較計(jì)算則可大大簡化運(yùn)算。分貝與奈培就是兩個(gè)同量綱的量之比取對數(shù)后的單位。通常規(guī)定引起聽覺的最弱聲強(qiáng)I1=10-16瓦/厘米2為作為聲強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，另一聲強(qiáng)I2與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I1之比的常用對數(shù)稱為聲強(qiáng)級，單位為貝爾(BeL)。實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，故常取1/10貝爾即分貝(dB)來作單位。(BeL)(dB)第二十八頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五七超聲波垂直入射到界面時(shí)的反射和透射超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)內(nèi)，稱反射波；另一部分能量透過界面在另一種介質(zhì)內(nèi)傳播，稱透射波。在界面上聲能（聲壓、聲強(qiáng)）的分配和傳播方向的變化都將遵循一定的規(guī)律。第二十九頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五單一平界面的反射率與透射率

當(dāng)超聲波垂直入射到光滑平界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波。設(shè)入射波的聲壓為P0（聲強(qiáng)為I0）、反射波的電壓為Pr（聲強(qiáng)為Ir）、透射波的聲壓為Pt（聲強(qiáng)為It）。界面上反射波聲壓P與入射波聲壓P0之比稱為界面的聲壓反射率，用r表示，即r=Pr/P0。界面上透射波聲壓Pt與入射波聲壓P0之比稱為界面的聲壓透射率，用t表示，即t=Pt/P0。

第三十頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五單一平界面的反射率與透射率在界面兩側(cè)的聲波，必須符合下列兩個(gè)條件：（1）界面兩側(cè)的總聲壓相等，即p0+pr=pt。（相位關(guān)系，力平衡）（2）界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動速度幅值相等，即（p0-pr）/Z1=pt/Z2（能量平衡）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：第三十一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五單一平界面的反射率與透射率界面上反射波聲強(qiáng)Ir與入射波聲強(qiáng)I0之比稱為聲強(qiáng)反射率，用R表示。

界面上透射波聲強(qiáng)It與入射波聲強(qiáng)I0之比稱為聲強(qiáng)透射率，用T表示。超聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。由以上幾式可以導(dǎo)出：

T+R=1t-r=1第三十二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五討論：當(dāng)Z2>Z1時(shí)，如水/鋼當(dāng)Z1>Z2時(shí)，如鋼/水當(dāng)Z1>>Z2時(shí)，（如鋼/空氣界面）

當(dāng)Z1≈Z2時(shí)，如普通碳鋼焊縫的母材與填充金屬之間

單一平界面的反射率與透射率第三十三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五單一平界面的反射率與透射率以上討論為超聲波縱波垂直到單一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率同樣適用于橫波入射的情況，但必須注意的是在固體/液體或固體/氣體界面上，橫波全反射。因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。

第三十四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五八超聲波傾斜入射到界面時(shí)的反射和折射

第三十五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會產(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

圖6聲波傾斜入射示意圖第三十六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律

1．縱波斜入射當(dāng)縱波L傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生反射縱波L′和折射縱波L″外，還會產(chǎn)生反射橫波S′和折射橫波S″，如前圖所示。各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律(snell定律）：

第三十七頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律由于在同一介質(zhì)中縱波波速不變，因此。又由于在同一介質(zhì)中縱波波速大于橫波波速，因此（1）第一臨界角αⅠ：（2）第二臨界角αⅡ：圖7臨界角示意圖第三十八頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律由αⅠ

和αⅡ

的定義可知：①α<αⅠ

時(shí)，第二介質(zhì)中既有折射縱波L″又有折射橫波S″。②αⅠ

～αⅡ

時(shí)，第二介質(zhì)中只有折射橫波S″，沒有折射縱波L″，這就是常用橫波探頭制作和橫波檢測的原理。α≥αⅡ

時(shí)，第二介質(zhì)中既無折射縱波L″，又無折射橫波S″。這時(shí)在其介質(zhì)的表面存在表面波R，這就是常用表面波探頭的制作原理。例如，縱波傾斜入射到有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí)，有機(jī)玻璃中cL1=2730m/s，水中cL1=1480m/s，鋼中：cL2=5900m/s，cS2=3230m/s。則第一、二臨界角分別為：第三十九頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律αⅠαⅡ由此可見有機(jī)玻璃橫波探頭楔塊角度有機(jī)玻璃表面波探頭楔塊角度≥57.7度。第四十頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律2．橫波斜入射當(dāng)橫波傾斜入射到界面時(shí)，同樣會產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。入射角增加到一定程度時(shí)，=90°,在第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射，這時(shí)所對應(yīng)的橫波入射角稱為第三臨界角，用αⅢ表示

αⅢ對于鋼：cL1=5900m/s，CS1=3230m/s，

αⅢ當(dāng)≥33.2°時(shí)，鋼中橫波全反射。第四十一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律在實(shí)際的橫波斜探頭探傷中，入射到工件中的橫波斜射到與探測面平行的底面，對底面的橫波入射角都大于第三臨界角，故不會出現(xiàn)反射縱波；如射到不平行探測面的反射面上，則橫波入射角有可能小于第三臨界角，從而出現(xiàn)反射縱波與反射橫波同時(shí)存在的情況，如圖所示示例。

圖8橫波入射產(chǎn)生變形縱波第四十二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五端角反射超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射稱為端角反射，如圖9所示。在端角反射中超聲波經(jīng)歷了兩次反射，如不考慮波型轉(zhuǎn)換，第二次反射回波與入射波互相平行，回波聲壓Pa與入射波聲壓P0之比稱為端角反射率，用T端表示，即T端＝Pa/P0。圖10為鋼空氣界面上鋼中的端角反射率與入射角的關(guān)系圖。圖(a)是縱波入射端角的情況，端角反射率大都很低，這是因?yàn)榭v波在端角的兩次反射中分離出較強(qiáng)的橫波。圖9端角反射示意圖第四十三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五端角反射圖b是橫波入射端角的情況，入射角等于30°或60°附近時(shí)，端角反射率最低。入射角在35°～55°之間時(shí)，端角反射率達(dá)100％。也就是說，橫波斜探頭的折射角βS為35°～55°（K＝tgβS＝0.7～1.43）之間時(shí)，探測類似端角的缺陷（例如焊縫中的未焊透）靈敏度較高，βS＞55°（K＞1.5）靈敏度較低。圖10端角反射率與入射角的關(guān)系第四十四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五九超聲波的衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象叫做超聲波衰減。衰減的原因波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收

1.擴(kuò)散衰減在聲波的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，聲波的聲束不斷擴(kuò)展增大，因此單位面積上的聲能(或聲壓)隨距離的增大而減弱，這種衰減稱為擴(kuò)散衰減。擴(kuò)散衰減僅取決于波陣面的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。在遠(yuǎn)離聲源的聲場中，球面波的聲壓P與至聲源距離a成反比(即P∝1/a)，而柱面波則為P∝(1/a)1/2。對于平面波，聲能(或聲壓)不隨傳播距離而變化，不存在擴(kuò)散衰減。第四十五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五2.散射衰減由于實(shí)際材料不可能是絕對均勻的，例如材料中有外來雜質(zhì)、金屬中的第二相析出、晶粒的任意取向等均會導(dǎo)致整個(gè)材料聲阻抗不均，從而引起聲的散射。被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變成熱能，聲能被消耗，聲強(qiáng)（或聲壓）被減弱，這種衰減稱為散射衰減。散射衰減與材質(zhì)的晶粒密切相關(guān)，當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上引起林狀回波(又叫草波)，使信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)噪聲會湮沒缺陷波。

3.吸收衰減超聲波在分質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間內(nèi)摩擦(即粘滯性)和熱傳導(dǎo)引起超聲波的衰減，稱為吸收衰減或粘滯衰減。第四十六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五衰減方程與衰減系數(shù)1.衰減方程平面波：式中：P0—入射到材料界面上時(shí)的聲壓；

P—超聲波在材料中傳播一段距離s后的聲壓；

α——衰減系數(shù)。球面波：

柱面波：第四十七頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五衰減方程與衰減系數(shù)2.衰減系數(shù)衰減系數(shù)α只考慮了介質(zhì)的散射和吸收衰減，未涉及擴(kuò)散衰減。對于金屬材料等固體介質(zhì)而言，介質(zhì)衰減系數(shù)α等于散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)之和。c1—與晶粒大小和各向異性無關(guān)的常數(shù)；f—超聲波頻率。c1、c2、c3、c4—常數(shù)；F—各向異性因子；d—晶粒直徑，λ—波長。第四十八頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五衰減方程與衰減系數(shù)（1）介質(zhì)的吸收衰減與頻率成正比。（2）介質(zhì)的散射衰減與f、d、F有關(guān)在實(shí)際檢測中，當(dāng)介質(zhì)晶粒較粗大時(shí)，若采用較高的頻率，將會引起嚴(yán)重衰減這就是晶粒較大的奧氏體鋼和一些鑄件檢測的困難所在。（3）對于液體介質(zhì)而言，主要是介質(zhì)的吸收衰減。由上式可知，液體介質(zhì)的衰減系數(shù)a與介質(zhì)的粘滯系數(shù)和頻率平方成正比，與介質(zhì)中的密度和波速立方成反比。由于η、p、c與溫度有關(guān)，所以a也與溫度有關(guān)。一般是a隨溫度的升高而降低。這是因?yàn)闇囟壬撸肿訜徇\(yùn)動加劇，有利于超聲波的傳播。第四十九頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五超聲波發(fā)射的超聲波，具有特殊的結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。由于液體介質(zhì)中的聲壓可以進(jìn)行線性疊加，并且測試方便，因此對聲場的理論分析研究一般從流體介質(zhì)入手，然后在一定條件下過渡到固體介質(zhì)。又由于我們目前廣泛應(yīng)用脈沖反射法檢測，此因還討論了各種規(guī)則反射體的回波聲壓。十超聲波發(fā)射聲場與規(guī)則反射體的回波聲壓

第五十頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五1、波源軸線上的聲壓分布如圖所示，將圓盤聲源看成活塞聲源，設(shè)該活塞聲源上各點(diǎn)以同相位、同速度的簡諧振動輻射聲能。圓盤可以看成是由無數(shù)多個(gè)面積為dS的小面積元組成，每個(gè)小面積元都是向半空間輻射球面波的點(diǎn)聲源點(diǎn)聲源滿足kr0<<1的條件（k為波數(shù)，r0為所取點(diǎn)源的半徑）

圓盤波源輻射的縱波聲場圖11圓盤源軸線上聲壓推導(dǎo)圖第五十一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五則根據(jù)特殊形式的波動方程求得點(diǎn)聲源聲束軸線上距聲源x處Q點(diǎn)的聲壓為：式中ρ0-介質(zhì)平衡狀態(tài)的密度；c0-聲速；k-波數(shù)k＝ω/c0；r-面元至Q點(diǎn)的距離，ua-聲源表面振動速度幅值；ω-聲源振動的圓頻率第五十二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五整個(gè)圓盤聲源向半空間內(nèi)輻射的總聲壓為：下面在極坐標(biāo)系下求解該定積分。第五十三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五由圖中的位置關(guān)系可知，面元至Q點(diǎn)的距離：設(shè)，則第五十四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)R=0時(shí)，U=x；當(dāng)R=Rs時(shí)，將代入公式，則第五十五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五上式中，P0表示聲源處的初始聲壓。則聲源軸線上聲壓幅值為：此即為活塞波的聲壓表達(dá)式，此式在使用時(shí)仍感復(fù)雜，對常用的X≥3N的遠(yuǎn)場區(qū)，聲束的特點(diǎn)是只具有一個(gè)主聲束，而且軸線上的聲壓隨距離增加而單調(diào)下降，因此在3N后的遠(yuǎn)場區(qū)可導(dǎo)出一個(gè)近似公式。近似公示的導(dǎo)出可分兩步：第五十六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五①在活塞波聲壓公式中，對根號項(xiàng)寫作(X2+R2)1/2并按牛頓二項(xiàng)式：

展開，取前兩項(xiàng)②在θ很小的時(shí)候，()sinθ→θ，故聲壓幅值公式變?yōu)椋旱谖迨唔摚惨话倭阄屙?，編輯?023年，星期五上式表明，當(dāng),圓盤波軸線上的聲壓與距離成反比，與波源面積成正比。也就是說圓盤波在遠(yuǎn)場符合球面波的變化規(guī)律。圓盤波軸線上的聲壓分布如下圖所示。圖11圓盤軸線上的聲壓分布

第五十八頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五（1）近場區(qū)的定義：波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值距波源的距離，稱近場區(qū)長度，用N表示。由活塞波的聲壓公式可導(dǎo)出近場區(qū)內(nèi)聲束軸線上聲壓極大值（即P=2P0）當(dāng)時(shí)，聲壓有極大值。極大值對應(yīng)的距離為：式中n=0,1…(2Rs-λ)/2λ

，共有n+1個(gè)極大值，其中n=0是最后一個(gè)極大值。

第五十九頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五因此近場長度為：同理可得聲壓極小值對應(yīng)的距離為：式中n=0,1…Rs/λ

，共有n個(gè)極小值。近場區(qū)內(nèi)有若干個(gè)極大值和極小值，說明近場區(qū)內(nèi)聲壓不穩(wěn)，在實(shí)際檢測對缺陷定量不利。處于聲壓極小值處的較大缺陷回波聲壓可能很低，而處于聲壓極大值處的較小缺陷可能回波聲壓較高，這樣容易引起誤判或漏檢。在實(shí)際檢測中應(yīng)盡可能避免在近場區(qū)定量檢測。第六十頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五遠(yuǎn)場區(qū)：x>N的區(qū)域，聲壓隨距離增加而單調(diào)減少，稱為遠(yuǎn)場區(qū)。當(dāng)時(shí)，聲壓近似球面波的規(guī)律。這是因?yàn)榫嚯x足夠大時(shí)，波源各點(diǎn)至軸線上某點(diǎn)的聲程差很小，引起的相位差也很小，這時(shí)干涉現(xiàn)象可以忽略不計(jì)。第六十一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五2、超聲場截面的聲壓分布橫截面的聲壓分布：在近場區(qū)內(nèi)的中心軸線上存在聲壓為零的截面，如圖所示0.5N處，但偏離中心較高。在x≥N的遠(yuǎn)場區(qū)，中心最高，兩邊漸漸低，規(guī)定2N以外測定聲束偏離和探頭K值才準(zhǔn)確。圖12聲束橫截面聲壓分布

第六十二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五3、波束的指向性和半擴(kuò)散角

波源在充分遠(yuǎn)處任意一點(diǎn)的聲壓P(r，θ)與波源軸線上同距離處聲壓P（r,0）之比，稱為指向性系數(shù)，如下圖所示，用DC表示：

圖13遠(yuǎn)場中任意一點(diǎn)聲壓推導(dǎo)圖第六十三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五點(diǎn)波源ds在至波源距離遠(yuǎn)處任意點(diǎn)M（r,θ)處引起的聲壓為：整個(gè)圓盤波在點(diǎn)M（r,θ)處引起的總聲壓幅值為：式中：J1為一階Bessel函數(shù)

第六十四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五指向性系數(shù)：令，則第六十五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五DC與y的關(guān)系曲線如下圖所示：圖14圓盤波束指向性示意圖第六十六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五由圖可知以下結(jié)論：（1）這說明超聲場中至波源充分遠(yuǎn)處同一橫截面上各點(diǎn)的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓為最高。實(shí)際探傷中，只有當(dāng)波束軸線垂直于缺陷時(shí)，缺陷回波最高就是這個(gè)原因。（2）當(dāng)y=kRssinθ=3.73,7.02,10.17,…時(shí)，Dc=P(r，θ)/P(r，0)=0，即P(r，θ)=0。這說明圓盤源輻射的縱波聲場中存在一些聲壓為零的圓錐面。由y=kRssinθ=3.73得：

θ0＝arcsin1.22λ/Dsθ0-圓盤波輻射縱波聲場的第一零值發(fā)散角，即半擴(kuò)散角。第六十七頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五（3）當(dāng)y>3.83，即θ>θ0時(shí)，|Ds|<0.15。這說明半擴(kuò)散角以外的聲場聲壓很低，超聲波的能量主要集中在半擴(kuò)散角以內(nèi)。因此可以認(rèn)為半擴(kuò)散角限制了波束的范圍。（4）2θ0以內(nèi)的波束稱為主波束，只有當(dāng)缺陷位于主波束范圍時(shí)，才容易被發(fā)現(xiàn)。以確定的擴(kuò)散角向固定的方向輻射超聲波的特性稱為波束指向性。（5）由于超聲波主波束以外的能量很低和介質(zhì)對超聲波的衰減作用，使第一零值發(fā)射角以外的波束只能在波原附近傳播，因此在波源附近形成一些副瓣。（6）增加探頭的直徑、提高探頭的頻率，半擴(kuò)散角將減小，可以改善聲束指向性，能量集中，有利于提高探傷靈敏度。但增大了近場長度，對探傷反而不利。實(shí)際是合理選擇直徑和頻率，保證探傷靈敏度下，盡量減少近場長度。

第六十八頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五與聲壓幅值有關(guān)的半擴(kuò)散角γ在某些時(shí)候，例如在TOFD超聲檢測中，往往更關(guān)心聲束截面上的聲壓變化。比如聲壓幅值從聲壓軸線上下降一定dB時(shí)，聲束的半擴(kuò)散角是多大，如教材3－8所示。為此引入與聲壓幅值有關(guān)的半擴(kuò)散角γ的概念，它與半擴(kuò)散角不同。其理論推導(dǎo)復(fù)雜，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定。式中λ－介質(zhì)中波長，Ds

－聲源直徑，F(xiàn)－常數(shù)因子第六十九頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五4、波束未擴(kuò)散區(qū)與擴(kuò)散區(qū)

1）超聲波波源輻射的超聲波是以特定的角度向外擴(kuò)散出去的，但并不是從波源開始擴(kuò)散的。而是在波源附近存在一個(gè)未擴(kuò)散區(qū)b，其理想化的形狀如下圖。

圖15圓盤源理想化聲場中的未擴(kuò)散區(qū)和擴(kuò)散區(qū)第七十頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五由圖中的幾何關(guān)系可得：2）在波束未擴(kuò)散區(qū)b內(nèi)，波束不擴(kuò)散，不存在擴(kuò)散衰減，各截面平均聲壓基本相同。因此薄板試塊前幾次底波相差無幾。到波源的距離x>b的區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)波束擴(kuò)散衰減。

第七十一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五規(guī)則反射體回波聲壓實(shí)際超聲檢測中常用反射法,反射法是根據(jù)缺陷反射回波聲壓的高低來評價(jià)缺陷的大小。由于工件中缺陷的形狀性質(zhì)各不相同,目前的檢測技術(shù)還難以確定缺陷的真實(shí)大小和形狀。回波聲壓相同缺陷,其實(shí)際大小可能相差很大,為此引入當(dāng)量法。當(dāng)量法的定義：在同樣的探測條件下,當(dāng)自然缺陷回波與某人工反射體回波等高時(shí),就認(rèn)定該人工反射體尺寸就是此自然缺陷的當(dāng)量尺寸。(自然缺陷的實(shí)際尺寸往往大于當(dāng)量尺寸)超聲波檢測中常用的規(guī)則反射體種類主要有：平底孔、長橫孔、短橫孔、球孔、大平底、圓柱曲底面等。第七十二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五考慮到介質(zhì)衰減的各幾何體返回聲壓公式：平底孔回波聲壓：長橫孔回波聲壓：短橫孔回波聲壓：球孔回波聲壓：大平底與實(shí)心圓柱體回波聲壓：第七十三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五空心圓柱體外圓檢測回波聲壓：空心圓柱體外圓檢測回波聲壓：式中：x—探測距離（x>3N）;Ff—平底孔面積=πDf2/4;d—空心圓柱體內(nèi)徑；lf—短橫孔長度；

D—空心圓柱體外徑；Df—平底孔、長橫孔、短橫孔、球孔直徑；α—介質(zhì)單程衰減系數(shù)=dB/mm第七十四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五2超聲波檢測原理與分類超聲波檢測可以分為超聲波探傷、超聲波測厚、超聲波測量晶粒度、應(yīng)力等。在超聲探傷中，有根據(jù)缺陷的回波和底面的回波進(jìn)行判斷的脈沖反射法；有根據(jù)缺陷的陰影來判斷缺陷情況的穿透法，還有根據(jù)由被檢物產(chǎn)生駐波來判斷缺陷情況或者判斷板厚的共振法。目前用得最多的方法是脈沖反射法。脈沖反射法在垂直探傷時(shí)用縱波，在斜入射探傷時(shí)大多用橫波。把超聲波射人被檢物的一面，然后在同一面接收從缺陷處反射回來的回波，根據(jù)回波情況來判斷缺陷的情況?？v波垂直探傷和橫波傾斜人射探傷是超聲波探傷中兩種主要探傷方法。兩種方法各有用途，互為補(bǔ)充，縱波探傷容易發(fā)現(xiàn)與探測面平行或稍有傾斜的缺陷，主要用于鋼板、鍛件、鑄件的探傷，而斜射的橫波探傷，容易發(fā)現(xiàn)垂直于探測面或傾斜較大的缺陷，主要用于焊縫的探傷。第七十五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五超聲波檢測方法的分類第七十六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五超聲波檢測按原理分類1.脈沖反射法脈沖反射法：超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢試件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測試件缺陷的方法，稱為脈沖反射法。圖16脈沖反射法的原理第七十七頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五2.穿透法是依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷情況的一種方法。3.共振法若頻率可調(diào)的連續(xù)超聲波在被檢工件內(nèi)傳播，當(dāng)試件的厚度為超聲波的半波長的整數(shù)倍時(shí)，將引起共振，儀器顯示出共振頻率，用相鄰的兩個(gè)共振頻率之差可算出試件厚度。當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷或工件厚度發(fā)生變化時(shí)，將改變試件的共振頻率。依據(jù)試件的共振特性，來判斷缺陷情況和工件厚度變化的方法稱為共振法。4.超聲波衍射時(shí)差法利用工件中缺陷上下端點(diǎn)衍射信號進(jìn)行缺陷檢測與尺寸測量的一種方法。第七十八頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五按顯示方式分類按超聲信號的顯示方式，將超聲檢測方法分為A型顯示和超聲成像方法，其中超聲成像顯示又分為B、C、D、S、P型顯示。A型顯示是將超聲信號的幅度與傳播時(shí)間的關(guān)系在直角坐標(biāo)系中顯示出來，橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)代表信號幅度。是最基本的信號顯示方式。第七十九頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)檢測采用的波型，可分為縱波法、橫波法、表面波法、板波法、爬波法等。1.縱波法使用直探頭發(fā)射縱波，進(jìn)行探傷的方法，稱為縱波法。此法波束垂直入射至試件探測面，以不變的波型和方向透入試件，所以又稱為垂直入射法，簡稱垂直法。垂直法分為單晶探頭反射法、雙晶探頭反射法和穿透法。常用的是單晶探頭反射法。原理如圖所示超聲波檢測方法按波形分類圖17縱波探傷原理示意圖第八十頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)把脈沖振蕩器的電壓施加到晶片上時(shí)，晶片振動產(chǎn)生超聲波，進(jìn)入工件中進(jìn)行傳播，當(dāng)遇到工件中的缺陷時(shí)，一部分被反射回來，一部分繼續(xù)傳播到底面再返回，缺陷處和底面處的反射回波都被晶片接收，反過來被轉(zhuǎn)換成高頻電壓。電信號被接收和放大后進(jìn)入示波器。示波器將缺陷回波和底面回波顯示在熒光屏．因此，在示波管上可以得到如圖所示的圖形。從這個(gè)圖形上可以看出有沒有缺陷、缺陷的位置及其大小。對于脈沖反射式超聲波探傷儀，熒光屏的時(shí)基線和激勵(lì)脈沖是被同時(shí)觸發(fā)的，即處于同步狀態(tài)下工作。當(dāng)探頭被激勵(lì)而向工件發(fā)射超聲波時(shí)，激勵(lì)脈沖也被饋致接收電路觸發(fā)時(shí)基電路開始掃描，在時(shí)基線的始端出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的脈沖波，這個(gè)波稱為“始波”，用T表示；當(dāng)探頭接收到底面反射回來的聲波時(shí)，時(shí)基線上右邊相應(yīng)呈現(xiàn)一個(gè)表示底面反射的脈沖波，稱為“底波”，用B表示。第八十一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五時(shí)基線由T掃描到B的時(shí)間正等于超聲脈沖從探頭到底面又返回探頭的傳播時(shí)間。因此，可以說從T到B之間的距離代表了工件的厚度。如果工件中有缺陷，探頭接收到缺陷反射回來的聲波時(shí)，時(shí)基線上相應(yīng)呈現(xiàn)出一個(gè)代表缺陷的脈沖波，稱為“缺陷波”，用F表示。顯然，缺陷波所經(jīng)時(shí)間短于底波所經(jīng)時(shí)間，故缺陷波F應(yīng)處于T、B之間。如果探傷儀的時(shí)基線良好，就可以利用T、F、B之間的距離關(guān)系，對缺陷定位。另外，因缺陷回波高度hf

是隨缺陷尺寸的增大而增高的．所以可由缺陷回波高度hf

來估計(jì)缺陷大小。當(dāng)缺陷很大時(shí)，可以移動探頭，按顯示缺陷的范圍來求出缺陷的延伸尺寸。

第八十二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五2.橫波法將縱波通過楔塊、水等介質(zhì)傾斜入射至試件探測面，利用波型轉(zhuǎn)換得到橫波進(jìn)行探傷的方法，稱為橫波法。由于透入試件的橫波束與探測面成銳角，所以又稱斜射法。橫波法原理如圖所示。圖18橫波探傷的幾何關(guān)系第八十三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五在斜射法探傷中，由于超聲波在被檢工件中是斜向傳播的，超聲波是斜向射到工件底面，所以不會有底面回波。因此，不能再用底面回波調(diào)節(jié)來對缺陷進(jìn)行定位。而要知道缺陷位置，需要用適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)試塊來把示波器橫坐標(biāo)調(diào)整到適當(dāng)狀態(tài)。通常采用JB/T4730標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CSK一IA試塊和橫孔試塊來進(jìn)行調(diào)整。

在測定范圍作了適當(dāng)調(diào)整后，探測到缺陷時(shí)，從示波管上顯示的探頭到缺陷的距離W與缺陷位置的關(guān)系如圖18所示。從以下關(guān)系式可以求出缺陷位置水平距離X和缺陷深度d。

X=Wsinθd=Wcosθ第八十四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五對掃描比例調(diào)整有三種方法：

(l）按水平距離調(diào)整掃描線。通過調(diào)整，使時(shí)基線刻度按一定比例代表反射點(diǎn)的水平距離x，在探傷時(shí)，根據(jù)缺陷波在熒光屏仁水平刻度位置可直接讀出缺陷的水平距離。(2）按深度調(diào)整掃描線。通過調(diào)整，使時(shí)基線刻度按一定比例代表反射點(diǎn)的深度d。在探傷時(shí)，根據(jù)缺陷波在熒光屏上水平刻度線上的位置可直接讀出缺陷的深度。(3）按聲程調(diào)整掃描線。通過調(diào)整，使時(shí)基線刻度按一定比例代表反射點(diǎn)的聲程W。在探傷時(shí)，根據(jù)缺陷波在熒光屏七時(shí)基線上的位置可直接讀出缺陷的聲程。數(shù)字式超聲波探傷儀只需調(diào)整好探頭延遲和K值即可獲得回波的聲程、水平、深度位置。第八十五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五3表面波法使用表面波進(jìn)行探傷的方法，稱為表面波法。這種方法主要用于表面光滑的試件。表面波波長比橫波波長還短，因此衰減也大于橫波。同時(shí)，它僅沿表面?zhèn)鞑?，對于表面上的覆蓋層、油污、不光潔等，反應(yīng)敏感，并被大量地衰減。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。4板波法（屬于導(dǎo)波的一種）利用薄板中產(chǎn)生的板波對整個(gè)薄板進(jìn)行檢測的一種方法。5.爬波法當(dāng)縱波入射角在第一臨界角附近時(shí)，在工件中產(chǎn)生表面下縱波，稱為爬波。利用表面下爬波可以檢測表面近表面缺陷。第八十六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五3試塊一、試塊的作用1、確定探傷靈敏度2、測試儀器和探頭的性能3、評判缺陷的大小4、調(diào)整掃描速度二、試塊的分類1、按試塊來歷：1）標(biāo)準(zhǔn)試塊：如IIW試塊和IIW2試塊2）參考試塊：如CS-1試塊、CSK-IA試塊等2、按試塊上人工反射體：1）平底孔試塊：如CS-I、CS-2試塊2）橫孔試塊：如CSK-ⅡA和CSK-ⅢA3）槽形試塊：如無縫鋼管探傷中所用的試塊，內(nèi)、外圓表面就加工有三角尖槽。第八十七頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五三、國內(nèi)外常用試塊簡介1、IIW試塊1）尺寸：如圖所示2）材質(zhì)：20號鋼，正火處理，晶粒度7-8級第八十八頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五2、IIW2試塊1）尺寸：如圖所示2）主要用途：（1）測定斜探頭的入射點(diǎn)和折射角（2）測儀器的水平線性、垂直線性和動態(tài)范圍（3）測儀器和探頭的組合靈敏度第八十九頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五3、CSK-IA試塊在IIW試塊基礎(chǔ)上改進(jìn)得到，CSK-IA試塊有三點(diǎn)改進(jìn)；1）將直孔φ5O改為φ50、φ44、φ4O臺階孔，以便于測定橫波斜探頭的分辨力。2）將R100改為R100、R50階梯圓弧，以便于調(diào)整橫波掃描速度和探測范圍。3）將試塊上標(biāo)定的折射角改為K值，從而可直接測出橫波斜探頭的K值。4、半圓試塊結(jié)構(gòu)：第九十頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五5、CSK—ⅡA、CSK—ⅢA試塊和CSK—ⅣA試塊

JB4370—2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的焊縫超聲波探傷用的橫孔標(biāo)準(zhǔn)試塊。第九十一頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五6、CSⅠ和CSⅡ試塊CSⅠ和CSⅠ試塊是鍛件檢測用平底孔標(biāo)準(zhǔn)試塊。7、RB試塊RB試塊是鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級標(biāo)準(zhǔn)GB11345—89規(guī)定的試塊。該試塊上加工有φ3mm橫通孔，試塊的材質(zhì)與被檢工件相同或相近。8、鋼板探傷試塊CBⅠ、CBⅡ試塊，分別用于薄板和中厚板檢測時(shí)的靈敏度調(diào)整及缺陷評定。9、小徑管專用試塊GS系列試塊，JB4730中規(guī)定的用于檢測承壓設(shè)備管子及壓力管道對接焊縫的試塊。第九十二頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五4脈沖反射法超聲檢測通用技術(shù)脈沖反射波超聲檢測在檢測條件、耦合補(bǔ)償、儀器調(diào)節(jié)、確定的定位、定量、定性等方面都有通用的技術(shù)。脈沖反射法超聲檢測的基本步驟：檢測前準(zhǔn)備，檢測儀器系統(tǒng)的選擇、調(diào)節(jié)、靈敏度確定，耦合補(bǔ)償，缺陷的測定、記錄評級，儀器系統(tǒng)的復(fù)核。第九十三頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五4.1檢測面得選擇與準(zhǔn)備首先考慮缺陷的最大可能取向，盡量保證缺陷能夠有最佳的反射條件，接觸法的探測面應(yīng)規(guī)則對稱，底波法最好應(yīng)有平行的探測面和底面?？紤]到盲區(qū)，必要時(shí)應(yīng)從正、反兩面進(jìn)行檢查。當(dāng)從一面檢查靈敏度不夠時(shí)，亦應(yīng)從正、反兩面進(jìn)行檢查。還應(yīng)根據(jù)工件的厚度、形狀綜合考慮。為了保證檢測面能提供良好的耦合，進(jìn)行超聲檢測前應(yīng)去除檢測區(qū)域內(nèi)的氧化皮、毛刺、油污及其他可能妨礙探頭移動的附著物。第九十四頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五4.2儀器與探頭的選擇1.探傷儀的選擇：超聲波檢測儀是超聲波檢測的主要設(shè)備。目前國內(nèi)外探傷儀種類繁多，性能各異，探傷前應(yīng)根據(jù)探測要求和現(xiàn)場條件來選擇探傷儀。首先要選擇儀器穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性好的儀器，探傷儀的各項(xiàng)指標(biāo)要達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。就性能而言，一般應(yīng)考慮以下原則：①對于定位要求高的情況，應(yīng)選擇水平線性誤差小的儀器。②對于定量要求高的情況，應(yīng)選擇垂直線性好，衰減器精度高的儀器。③對于大型零件的探傷，應(yīng)選擇靈敏度余量高、信噪比高、功率大的儀器。第九十五頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)所探對象要考慮的問題①生產(chǎn)量及是否連續(xù)，確定選擇自動探傷儀或手工探傷儀；②對于自動探傷儀，根據(jù)被檢對象情況選擇單通道或多通道設(shè)備；③對于手工探傷儀，根據(jù)檢測現(xiàn)場的位置及條件選擇較大型的探傷儀或是便攜型的探傷儀；④檢測工作的要求較高，或需要提供較客觀的現(xiàn)場記錄可選擇數(shù)字式超聲波探傷儀。第九十六頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五2.探頭的選擇：探頭是超聲檢測的重要工具之一，它的種類很多，結(jié)構(gòu)型式也不一樣。檢測前應(yīng)根據(jù)被檢對象的形狀、衰減和技術(shù)要求來選擇探頭。探頭的選擇包括探頭型式、頻率、晶片尺寸和斜探頭K值的選擇等。⑴型式的選擇常用的探頭型式有縱波直探頭、橫波斜探頭、表面波探頭、雙晶探頭、聚焦探頭等。其選擇主要取決于所選擇的探傷方法。一般根據(jù)工件的形狀和可能出現(xiàn)缺陷的部位、方向等條件來選擇探傷方法，一旦方法確定，應(yīng)采用什么型式的探頭也就確定了。⑵頻率的選擇頻率高，靈敏度和分辨力高，指向性好，對探傷有利。但頻率高，近場區(qū)長度大，衰減大，又對探傷不利。實(shí)際探傷中要全面分析考慮各方面的因素，合理選擇頻率。一般在保證探傷靈敏度的前提下盡可能選用較低的頻率。第九十七頁，共一百零五頁，編輯于2023年，星期五3.晶片尺寸的選擇晶片大小對探傷也有一定的影響，選擇晶片尺寸時(shí)要考慮以下因素：由θ＝arcsin1.22λ／D可知，晶片尺寸增加，半擴(kuò)散角減少，波束指向性變好，超聲波能量集中，對探傷有利。由N＝D2／λ可知，晶片尺寸增加，近場區(qū)長度迅速增加，對探傷不利。晶片尺寸大，輻射的超聲波能量大，探頭未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍大，遠(yuǎn)距離掃查范圍相對變小，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷能力增強(qiáng)。實(shí)際探傷中，探傷面積范圍大的工件時(shí)，為了提高探傷效率宜選用大晶片探頭。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)，為了提高缺陷定位量精度宜選用小晶片探頭。探傷表面不太平整，曲率較大