超聲波探傷的基本原理-超聲波

超聲波1、超聲波的產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)生活中，大部分蝙蝠都能發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到食物或障礙物時(shí)，脈沖波會(huì)反射回來，蝙蝠用兩耳接受物體的反射波，并據(jù)此確定該物體的位置和大小。聲吶是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測和通訊任務(wù)的電子設(shè)備。雷達(dá)用無線電的方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定它們的空間位置。通過發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。機(jī)械振動(dòng)的振源又有能傳遞機(jī)械振動(dòng)的介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械波的兩個(gè)條件例：在探傷作業(yè)中，超聲波探頭就是產(chǎn)生超聲波的振源，有機(jī)玻璃、耦合劑、鋼軌等就是傳播的介質(zhì)。聲波的種類超聲波探傷就是采用的像蝙蝠這樣的脈沖反射形式，這種反射波又叫回波。次聲波20Hz以下人耳聽不見

20Hz~20KHz人耳能聽見超聲波20KHz~1000MHz人耳聽不見特超聲波1000MHz以上人耳聽不見2、超聲波的類型按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類3、超聲波探傷凡是能將其他能量轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)方式的能量都可以產(chǎn)生超聲波，如機(jī)械方法、熱效應(yīng)法、磁伸縮法和電磁聲法。超聲波探傷方面，產(chǎn)生和接收超聲波最主要利用的是晶體材料的壓電效應(yīng)。橫波在試件中傳播缺陷回波斜探頭斜楔塊試件缺陷(焊渣或氣孔)V型焊縫中的焊料超聲波的反射和折射定律及波形變換定律固體、液體、氣體縱波固體橫波固體（厚度較薄的板）板波超聲波表面波固體一、縱波垂直入射到異質(zhì)界面時(shí)的反射和透射當(dāng)超聲縱波從一種介質(zhì)垂直入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗不同，在其界面上入射波的一部分按原來的途徑被反射回來形成反射波，另一部分透過界面進(jìn)入第二介質(zhì)形成透射波。聲阻抗：介質(zhì)中任何一點(diǎn)的聲壓和該質(zhì)點(diǎn)的振速之比。一、縱波垂直入射到異質(zhì)界面時(shí)的反射和透射透射波的方向與入射波相同，波形不同，但聲速隨著第二介質(zhì)的不同發(fā)生變化反射波的方向與入射波相反，但聲速不變（一）聲壓反射率和透射率

聲壓反射率（絕對值）：聲壓透射率：1

Z1

Z2，則聲壓反射率近似為零，入射聲波幾乎全部透入第二介質(zhì)。例如鋼軌接頭的淬火部分和非淬火部分，焊縫的母材與焊接金屬之間阻抗相差很小，一般為1%，所以在探傷中無異常反射回波?！?

Z1

Z2，以鋼和空氣界面為例，超聲波從鋼進(jìn)入空氣時(shí)將有100%的反射，所以具有對缺陷檢測的良好效果。同理在鋼軌探傷中，保護(hù)膜與探頭之間的油層干枯，含有氣泡或探頭與鋼軌之間水量不足，耦合不良時(shí)，都會(huì)引起靈敏度下降，其原因是界面建進(jìn)入空氣，使透入鋼中的超聲能量減小。?反射波入射波

透射波水鋼聲壓反射率（絕對值）：聲壓透射率：3

Z1>Z2，以鋼和機(jī)油界面為例：按計(jì)算反射率為95%，透射率為5%，所以在試塊上調(diào)試靈敏度時(shí)，如反射體（平底孔或橫通孔）內(nèi)深入機(jī)油，會(huì)導(dǎo)致聲能的透射而使反射回波略有下降。聲壓反射率（絕對值）：聲壓透射率：反射波

透射波水鋼入射波4Z2?Z1，

r=1，T=2時(shí)，聲強(qiáng)透射率等于0，超聲波全反射，但是能量很低，無法探傷，必須用耦合劑，提高Z1聲阻抗。常用材料界面的縱波聲壓反射率（%）常用物質(zhì)界面的縱波聲壓反射率γB（%）種類空氣24（℃）酒精變壓器油水20（℃）甘油環(huán)氧樹脂有機(jī)玻璃鋁銅鋼鋼4.531009594949087864540銅4.18100959493898585420鋁1.691008886847569680有機(jī)玻璃0.331005044371620環(huán)氧樹脂0.32100494236140甘油0.241003730230水20（℃）0.151001570變壓器油0.1310080酒精0.111000空氣24（℃）0.000040

（二）聲壓往復(fù)透過率在脈沖反射式探傷中，探頭接收到的返回聲壓與入射聲壓之比稱為聲壓往復(fù)透過率。計(jì)算方法：聲壓往復(fù)透過率實(shí)踐：在超聲波探傷中，探傷人員對聲壓的往復(fù)透過率最為關(guān)心，總希望往復(fù)透過率越高越好。二、縱波斜入射到異質(zhì)界面時(shí)的反射和折射當(dāng)超聲波傾斜入射到兩種不同介質(zhì)構(gòu)成的異質(zhì)界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生方向不同、波形也不同的反射波和折射波。反射波折射波介質(zhì)1介質(zhì)2幾何光學(xué)定律：（一）反射和反射定律

斜入射的反射和折射（二）折射和折射定律

結(jié)論：按此定律可計(jì)算鋼軌探傷中入射角為30°和50°時(shí)，在鋼中對應(yīng)的折射角。幾何光學(xué)定律：斜入射的反射和折射（三）臨界角超聲波在斜入射至異質(zhì)界面時(shí)，當(dāng)入射角超過某一值時(shí)，反射或折射的某種特定波形不再存在，則相應(yīng)的入射角稱為臨界角。斜入射的反射和折射

1.第一臨界角2.第二臨界角

斜入射的反射和透射介質(zhì)1介質(zhì)2第二臨界角的入射值為：56.3°。經(jīng)計(jì)算：入射角大于縱波第二臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中既無折射縱波，又無折射橫波，在第二介質(zhì)的表面形成表面波。鋼板有機(jī)玻璃90°用于焊縫檢測的超聲波斜探頭的入射角必須大于第一臨界角而小于第二臨界角。我國習(xí)慣：斜探頭的橫波折射角用角度的正切值表示，如K=2在有機(jī)玻璃與鋼的界面：第一臨界角為α=27.2°，βs=33.3°第二臨界角為α=56.7°，βs=90°3.第三臨界角（與一和二無關(guān)）

當(dāng)入射角達(dá)到某一值時(shí)，反射縱波消失，在鋼中產(chǎn)生橫波全反射。橫波斜入射的反射和折射鋼/空氣鋁/空氣有機(jī)玻璃/空氣（四）端角的反射超聲波在兩個(gè)相互垂直平面構(gòu)成的直角內(nèi)反射稱為端角反射。測量棱鏡端角反射示意圖實(shí)際工作中，橫波探傷焊縫單面焊根部未焊透或裂紋的情況就類似這種情況，當(dāng)入射角為35~55，探傷靈敏度較高。

端角反射率a）縱波入射b）橫波入射課后小結(jié)課后思考見學(xué)習(xí)平臺課后小結(jié)與思考題1.縱波垂直入射到異質(zhì)界面時(shí)的反射和透射；2.縱波斜入射到異質(zhì)界面時(shí)的反射和折射；

超聲波的散射、繞射和衰減一、超聲波的散射超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到小于波長的障礙物或其他不連續(xù)介質(zhì)，而使超聲波向各個(gè)不同方向產(chǎn)生無規(guī)律反射、折射或衍射的現(xiàn)象稱為散射。根據(jù)散射體的大小和波長的關(guān)系，（廣義）散射分為三種類型：1當(dāng)散射體的尺寸遠(yuǎn)大于波長時(shí)，即為反射，透射和折射。2當(dāng)散射體的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長時(shí)，為瑞利散射或分子散射。3當(dāng)散射體的尺寸與波長相當(dāng)時(shí)，可以用衍射理論，與幾何光學(xué)類似。超聲探頭發(fā)射波向后散射散射（向各個(gè)方向）反射折射小界面對入射超聲波產(chǎn)生散射現(xiàn)象，散射無方向性。對探傷的影響VS生活中的應(yīng)用天空是藍(lán)色的；觀察器官、組織和病灶的細(xì)微結(jié)構(gòu)。二、超聲波的繞射超聲波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)能繞過其邊緣并繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象稱為波的繞射。聞其聲而不見人目標(biāo)大小約為1~2λ或稍小，超聲波將染過該靶目標(biāo)繼續(xù)前進(jìn)，很少發(fā)生反射。三、超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增大，聲壓逐漸減弱的現(xiàn)象稱為衰減。逐漸變暗在聲波的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，非平面波的聲束在不斷擴(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。取決于波的幾何形狀。1.聲束擴(kuò)展由于實(shí)際材料不可能是絕對均勻的，例如材料中有外來雜質(zhì)、金屬的第二相析出、晶粒的任意取向等均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)材料聲特性阻抗的不均，從而引起聲波的散射。2.散射（熱能）介質(zhì)的粘滯性造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，使一部分聲能轉(zhuǎn)換成熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能損耗以及分子弛豫造成的吸收。3.介質(zhì)吸收超聲波的衰減現(xiàn)象會(huì)使缺陷回波幅度降低，也會(huì)使信噪比降低，影響小缺陷的可探測性和評定大小的準(zhǔn)確性。衰減量=頻率×深度儀器調(diào)節(jié)時(shí)，可以調(diào)節(jié)“深度增益補(bǔ)償”。課后小結(jié)課后思考1.超聲波的散射和繞射。2.超聲波衰減的原因。超聲波衰減的應(yīng)用？課后小結(jié)與思考題超聲場超聲波的聲場是指超聲波在彈性介質(zhì)傳播時(shí)，超聲能量在空間分布的狀態(tài)描述。超聲波的聲場聲壓分布或聲強(qiáng)分布分析超聲波物理光學(xué)描述不同的超聲振源及傳播條件將形成不同的超聲場。超聲波換能器所產(chǎn)生的超聲波將在空間形成一特定的聲場分布，與換能片的形狀、尺寸等有關(guān)。圓形壓電晶片可認(rèn)為其發(fā)射面是由許多獨(dú)立的振源組成的，發(fā)射的球面波相互干涉靈敏度和分辨率介質(zhì)中波動(dòng)傳播到各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時(shí)刻，這些子波的包絡(luò)就是新的波面。惠更斯原理如果知道某一時(shí)刻一列波的某一波面位置，還知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一時(shí)刻這個(gè)波面的位置，從而確定波的傳播方向。超聲場的結(jié)構(gòu)及聲壓分布規(guī)律充滿超聲波的空間稱為超聲場。超聲場具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。描述超聲場的特征值（即物理量）主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。超聲場的形貌隨波源和傳播介質(zhì)形狀、尺寸等不同而異。一般以圓形晶片輻射聲波來描述超聲場的結(jié)構(gòu)。超聲場的結(jié)構(gòu)及聲壓分布規(guī)律臨近換能器并具有復(fù)雜聲束能量的區(qū)域叫近場區(qū)，近場內(nèi)聲壓軸上的聲源起伏變化劇烈，會(huì)使處于聲壓極大值處的較小缺陷回波較高，而處于聲壓極小值處的較大缺陷卻回波較低，會(huì)引起誤判，應(yīng)盡量避免在近場區(qū)探傷、定量。近場區(qū)的聲壓分布※存在著聲壓的極大值和極小值，并可確定極值出現(xiàn)在聲場中心軸線上的位置?！暿粩U(kuò)散。X>L，無起伏，呈單值遞減變化。聲束表現(xiàn)為發(fā)散的區(qū)域。遠(yuǎn)場區(qū)的聲壓分布探頭近場長度L遠(yuǎn)場超聲場的指向特性超聲能量集中在一個(gè)方向發(fā)射的特性稱為指向性。越小，超聲波能量集中，探傷靈敏度高，分辨率高，定位準(zhǔn)確。