无损检测超声波

• A-介质质点的振幅，
•
-介质中质点振动的圆频率()，
• A -质点振动的速度振幅()，
• T -时间，
• x-至波源的距离。
•
且有关系式：
•
式中： -声压的极大值。
pm cA
pm
2.3 超声波在介质中的传播
• 可见： 声压的绝对值，与波速、质点振动的速度振幅(或角频率)成正比。
• 因为超声波的频率高，所以超声波比声波的声压大。
• 按声耦和方式不同分为： 直接接触法、液浸法超声检测；
• 本章将重点介绍： 脉冲反射法原理、 直接接触法、 A型显示方式、 纵波法、横波法 超声检测技术。
2.1 超声波检测技术基础
2.1.1 超声波的物理本质 它是频率大于2万赫兹的机械振动在弹性介质中的转播行为。 即超声频率的机械波。 一般地说，超声波频率越高，其能量越大，探伤灵敏度也越高。 超声检测常用频率在 0.5～10 MHZ。
（4）遇到界面将产生： 反射、折射和波型转换现象；
（5）对人体无害——优于射线的性质。
压电晶片
N 近场区长度
N=D2 /4λ
超声场及 近场区
主声轴
2.1 超声波检测技术基础
• 3.24?
2.2 超声波在介质中的传播
2.2.1 超声波在金属中的源自文库减定律
超声波在金属中主要的衰减原因是散射和扩散；在液体中主要是吸收。
2.3 超声波在介质中的传播
• 2.3.1.2 声强
• 在超声波传播的方向上，单位时间内 介质中单位截面上 的声能叫声强。用I表示；单位是
• 对纵波在均匀的各向同性的固体介质中的传播为例，可以证明平面波传播的声强计算式；
(1-2)
• 注意：上式中有三个部分的概念。
w/ cm2
I1 2cA 221 2pm 21c1 2cm V 2
• (一)声压
• 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强 ,与没有超声场存在时，同一点的静态压强之差为该点的
声压，用 表示。 单位为 帕,记作1Pa=1N/m2 。
pi
若用 平面余弦波表达式：
•
(2-1)
p0
pc Aco(st [x)]
22
2.3 超声波在介质中的传播
• 式中：
• -介质的密度，
• C-介质中的波速，
若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件——这就是超声波的发射。
2.1 超声波检测技术基础
②接收——若发射出去的超声波遇到界面被反射回来，又会对探头的压电晶片产生机械振动，由于正 压电效应，在晶片的上下电极之间就会产生交变的电信号。 将此电信号采集、检波、放大并显示出来，就完成了对超声波信号的接收。 可见，探头是一种声电换能元件，是一种特殊的传感器，在探伤过程中发挥重要的作用。
• 一般说来： • 超声波通过异质薄层时： • 声压反射率和透射率，不仅与介质声阻抗和薄层声阻抗有关，而且与薄层厚度同其波长之比( )
有关。
d2 / 2
• (1)、当一、三介质为同一介质时，对均匀介质中的异质薄层有如下规律性：
•
（反射） 2-21
•
•
•
1 (m 1（)透2 s射in）2 22-22d2
• 研究表明，声压p与超声波探伤仪示波屏上的波高h成正比关系：
p1/p2 = h1/h2
(2-3)
• 实际探测时，超声波探伤仪示波屏上的波高h能够反映声波的衰减状况。
超声波探伤仪示波屏上 波高h的衰减状况
• 这里，B1～ B6代表超声波在工件底面的 6次反射波。波高h依次递减。
T B1 B2 B6
2.3 超声波在介质中的传播
• 超声波的声强： ①、正比于质点振动位移振幅的平方； ②、正比于质点振动角频率的平方； ③、正比于质点振动速度振幅的平方。
• 注意： 由于超声波的频率高，其强度(能量)是远远大于 可闻声波 的强度。
• 例如： 1MHz声波的能量等于100kHz声波能量的100倍，等于lkHz声波能量的100万倍。
• 由上式可知：
• ①当
时(n为正整数)，则有：
• 即：
d2
n 2
2
• •
超 若声 薄波 层T垂厚直度入等射于到半(两波Z 侧长介的41质整Z 声数阻倍1抗 时Z Z不 ，同 通3 3的 过)薄 薄2层 层， 的声压往复透射率与薄层的性质无关。
2.1 超声波检测技术基础
• (3)吸收衰减： • 超声波在介质中传播时， • 由于介质质点间的内摩擦和热传导， • 引起的声波能量减弱的现象， • 叫做超声波的吸收衰减。
2.1 超声波检测技术基础
（3）只能在弹性介质中传播，不能在真空（空 气近似看成真空）中传播； 强调：横波不能在气体、液体中传播！表面波看作是纵波与横波的合成， 所以，也不能在气体、液 体中传播！
• (二)、薄层界面 • 在进行超声检测时，经常遇到很薄的耦合层和缺陷薄层，可以归纳为超声波在薄层界面的反射和透
射问题。
• 超声波是由声阻抗为Z1的第一介质，入射到Z1和Z2的交界面。 • 然后通过声阻抗为Z2的第二介质薄层射到Z2和Z3界面，最后进入声阻抗为Z3的第三介质等。 • 在有三层介质时，很多情况是：
2.2 超声波在介质中的传播
2.2.2 超声波在异质界面处产生的各种现象 (1)垂直入射异质界面时的透射、反射及绕射
①透射与反射 ② 反射系数 K = W反/ W入×100%
w入 W反
W透
③常见材料之间的界面反射系数
界面材料 钢—钢 钢—变压器油 钢—有机玻璃 钢——水 有机玻璃—变压器油 钢——空气 有机玻璃——空气
2.1.3 超声波波型的分类 • 按质点的振动方向与声波的传播方向之间的关系分为： （1）纵波 L—— 介质质点的振动方向与波的传播方向一致；
2.1 超声波检测技术基础 （2）横波 S—— 介质质点的振动方向与波的传播方向垂直；
2.1 超声波检测技术基础 （3）表面波 R——介质质点沿介质表面做椭圆运动；又称瑞利波；
时，即 时，则薄层厚度愈小，透射率愈大，反射率愈小。
d2
n 2
2
d2 (2n1) 4
d2 0
d2
4
r0,t 1
t 0
• •
(例2)如、：晶片Z—，1保即护非Z薄均2膜匀—介工Z质3件中，的或薄晶层片有—如耦下合规剂律—性工：件等情况。
• 此时 声压往复透射率 为：
•
（2-23）
T(Z1Z3)2co2 sd 224 Z (1Z Z2 3Z Z 1Z 23)2si2n 2 d 22
• 用R表示：
t pt 2Z2 p0 Z2 Z1
RIr (Z2 Z1)2 I0 Z2 Z1
4、在界面上透射声强与入射声强之比，称为 声强透射率： • 用T表示：
• 说明： • 在声波垂直入射到平界面上时，声压和声强的分配比例，仅与界面两侧介质的声阻抗有关.
T It I0
4Z1Z2 (Z2 Z1)2
2.1.2 超声波的产生（发射）与接收 (1) 超声波的产生机理——利用了压电材 料的压电效应。 试验发现，某些晶体材料（如石英晶体）做成的晶体薄片，当其受到拉伸或压缩时，表面就会产生 电荷；此现象称为正压电效应； 反之，当对此晶片施加交变电场时，晶体内部的质点就会产生机械振动，此现象称为逆压电效应。
• 注意： • 在垂直入射时， • 介质两侧的声波必须满足两个边界条件： (1)、一侧总声压等于另一侧总声压。 否则界面两侧受力不等，将会发生界面运动。 (2)、两侧质点速度振幅相等，以保持波的连续性。
• 上述的是超声波纵波：
• 垂直入射到单一平界面上的，声压、声强与其反射率、透射率的计算公式，同样适用于横波入射的 情况。
2.3 超声波在介质中的传播
• 描述： 超声场的物理量 • 充满超声波的空间，或在介质中超声振动波所及的“质点占据的范围”叫超声场。 • 对超声场我们常用： • 1.声压、 • 2.声强、 • 3.声阻抗、 • 4.质点振动位移和质点振动速度
等物理量,来描述超声波声场。
2.3 超声波在介质中的传播
2.1 超声波检测技术基础
（4）板波 ——板厚与波长相当的薄板中传播的超声波，板的两表面介质质点沿介质表面做椭圆运动， 板中间也有超声波传播。又称兰姆波；a)对称型 b)非对称型
• 注意！ ① 液体和气体介质（不能传递切向力） 中，所以只能传播纵波！ ② 同一介质中，声速的关系有：
CL > CS > CR ③ 同一介质中，声速、波长、频率之间
具有压电效应的晶体材料就称为压电材料。
• 压电效应图解
压电效应
正压电效应 －－－－－－－－
＋＋＋＋＋＋＋＋
逆压电效应
－/＋ ～
＋/－
a. 拉伸或压缩时表面产生电荷
b. 施加交流电场时内部质点产生振动
(2) 超声波的发射与接收
①发射——在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中 就会产生超声频率的机械振动——产生超声波；
2.1 超声波检测技术基础
• (1)扩散衰减 • 声波在介质中传播时，因其波前在逐渐扩展， • 从而导致声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的 扩散衰减。 • 它主要取决于波阵面的几何形状， • 而与传播介质无关。
2.1 超声波检测技术基础
• (2)散射衰减 • 散射是物质不均匀性产生的。 • 不均匀材料含有声阻抗急剧变化的界面， • 在这两种物质的界面上， • 会产生声波的反射、折射和波型转换现象， • 必然导致声能的降低。
反射系数K % 0
81 77 88 17 100 100
④反射现象的辩证分析 反射现象： 对发射超声波不利 ； 对脉冲反射法接收有利。
⑤影响反射系数K的因素 反射系数K值的大小，决定于相邻介质的声阻抗之差： Δ Z =| Z 2－Z 1| Δ Z 越大，K 值越大。 而与何者为第一介质无关。
• (一)、在单一界面上 • 当超声波垂直入射到足够大的光滑平界面时： • ①.在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波。 • ②.在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。 • ③.反射波与透射波的声压(声强)是按一定比例分配。 • ④.分比例由声压反射率(或声强反射率)， • 和声压透射率(或声强透射率)来表示。
研究表明，超声波在金属中的衰减规律可用下面的关系式表达：
PX = P0 ·e-α·x α——衰减系数；dB/m
(2-2)
x ——声束传播的距离，即声程 m。
• (2-2)式表明，超声波的声压在其传播的路径上，呈负指数规律衰减。
• 这里强调指出：衰减系数α为频率f4和晶粒尺寸d3的函数。
所以，对粗晶检测时，应适当降低超声波频率，弥补能量的不足。
r
4
m
2
1 1 (m 1 )2 sin2 2d2
4
m
2
1
t 11(m 1)2 sin2 2d2
4m
2
• 式中：d2-异质薄层的厚度，
-异质薄层的波长，
-两种介质的声阻抗之比，
• 由公式(2-21)(2-22)可知：
• ①当
时(n为2 正整数)，
。
• ②当 • ③当
m 时(n为正整数)，r最高， 。
束射性，象手电筒的光束一样，能集中在超声场内定向辐射。
声束的扩散角满足如下关系：
θ= arcsin 1.22(λ/D)
(2-1)
可见： 波长越短，扩散角θ越小，
声能越集中。
2.1 超声波检测技术基础
(2)具有较强的穿透性，但有衰减； 穿透性——来自于它的高能量，因为声强正比于频率的平方； 所以，超声波的能量比普通声波大100万倍！可穿透金属达数米！ 衰减性——源于三个方面： 扩散、散射、吸收；
第一介质和第三介质为同一种介质。
a)钢-水入射
b)水-钢入射
• 注意： • 1、超声波通过一定厚度的异质薄层时，反射和透射情况与单一的平界面不同， • 2、当异质薄层很薄，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面，引起多次反射和透射，形成一系列
的反射和透射波。
• 3、当超声波脉冲宽度相对于薄层较窄时，薄层两侧的各次反射波、透射波就会互相干涉。 • 4、由于上述原因，声压反射率和透射率的计算比较复杂。
的关系为： C = λ·f = 常数。
• 按超声波振动持续时间分为： (1)连续波——在有效作用时间内声波不间 断地发射；
(2)脉冲波——在有效作用时间内声波以脉 冲方式间歇地发射。
注意: 超声波检测过程常采用脉冲波。
2.1.4 超声波的基本性质
(1)具有良好的指向性：
直线传播，符合几何光学定律；象光波一样，方向性好；
• 1、在单一界面上反射波声压与入射波声压之比，称为界面的 声压反射率： 用表示。
式中： • Z1- 介质1的声阻抗， • Z2-介质2的声阻抗。
r pr Z2 Z1 p0 Z2 Z1
• 2、在单一界面上透射波声压与入射波声压之比，称为界面的 声压透射率：
• 用t表示：
•
• 3、在界面上反射波声强与入射波声强之比，称为 声强反射率：