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(lái)，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(guò)電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測(cè)和通訊任務(wù)的電子設(shè)備。雷達(dá)用無(wú)線電的方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定它們的空間位置。通過(guò)發(fā)射電磁波對(duì)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(lèi)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(tīng)不見(jiàn)

20Hz~20KHz人耳能聽(tīng)見(jiàn)超聲波20KHz~1000MHz人耳聽(tīng)不見(jiàn)特超聲波1000MHz以上人耳聽(tīng)不見(jiàn)2、超聲波的類(lèi)型按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向分類(lèi)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(lái)的途徑被反射回來(lái)形成反射波，另一部分透過(guò)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(duì)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(wú)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(duì)缺陷檢測(cè)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(duì)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(duì)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(wú)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(lèi)空氣24（℃）酒精變壓器油水20（℃）甘油環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(guò)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(chēng)為聲壓往復(fù)透過(guò)率。計(jì)算方法：聲壓往復(fù)透過(guò)率實(shí)踐：在超聲波探傷中，探傷人員對(duì)聲壓的往復(fù)透過(guò)率最為關(guān)心，總希望往復(fù)透過(guò)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(duì)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(guò)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(chēng)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(wú)折射縱波，又無(wú)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(cè)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(guó)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(wú)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(chēng)為端角反射。測(cè)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(lèi)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(jiàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)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(zhǎng)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(wú)規(guī)律反射、折射或衍射的現(xiàn)象稱(chēng)為散射。根據(jù)散射體的大小和波長(zhǎng)的關(guān)系，（廣義）散射分為三種類(lèi)型：1當(dāng)散射體的尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)，為瑞利散射或分子散射。3當(dāng)散射體的尺寸與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，可以用衍射理論，與幾何光學(xué)類(lèi)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(duì)入射超聲波產(chǎn)生散射現(xiàn)象，散射無(wú)方向性。對(duì)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(guò)程中遇到障礙物時(shí)能繞過(guò)其邊緣并繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象稱(chēng)為波的繞射。聞其聲而不見(jiàn)人目標(biāo)大小約為1~2λ或稍小，超聲波將染過(guò)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(chēng)為衰減。逐漸變暗在聲波的傳播過(guò)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(duì)均勻的，例如材料中有外來(lái)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(cè)性和評(píng)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(chǎng)超聲波的聲場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)。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(chǎng)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?；莞乖砣绻滥骋粫r(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(chǎng)的結(jié)構(gòu)及聲壓分布規(guī)律充滿(mǎn)超聲波的空間稱(chēng)為超聲場(chǎng)。超聲場(chǎng)具有一定的空間大小和形狀，只有當(dāng)缺陷位于超聲場(chǎng)內(nèi)時(shí)，才有可能被發(fā)現(xiàn)。描述超聲場(chǎng)的特征值（即物理量）主要有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。超聲場(chǎng)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(lái)描述超聲場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。超聲場(chǎng)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(chǎng)區(qū)，近場(chǎng)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(chǎng)區(qū)探傷、定量。近場(chǎng)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(chǎng)中心軸線上的位置?！暿粩U(kuò)散。X>L，無(wú)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(chǎng)區(qū)的聲壓分布探頭近場(chǎng)長(zhǎng)度L遠(yuǎn)場(chǎng)超聲場(chǎng)的指向特性超聲能量集中在一個(gè)方向發(fā)射的特性稱(chēng)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。